*
1.
Emisi
Electron
Membahas mengenai cara
kerja tabung tak akan bisa lepas dari Proses Emisi Electron
karena sesungguhnya cara kerja tabung yang paling mendasar ialah proses
emisi elektron dan pengendaliannya. Emisi elektron ialah proses pelepasan
elektron dari permukaan suatu substansi atau material yang disebabkan
karena elektron elektron tersebut mendapat energi dari luar.
Dalam realita yang ada proses emisi elektron
cenderung terjadi pada logam dibandingkan pada bahan lainnya, hal ini disebabkan
karena logam banyak memiliki elektron bebas yang selalu bergerak setiap
saat. Banyaknya elektron bebas pada logam disebabkan karena daya tarik
ini atom logam terhadap elektron, terutama pada elektron yang terletak
pada kulit terluar dari atom logam (elektron valensi) tidak terlalu kuat
dibandingkan yang terjadi pada bahan lainnya. Akan tetapi walaupun daya
tarik tesebut tidak terlalu kuat, masihlah cukup untuk menahan elektron
agar tidak sampai lepas dari atom logam.
Agar supaya elektron pada logam bisa melompat
keluar melalui permukaan logam, sehingga terjadi proses emisi elektron,
maka diperlukanlah sejumlah energi untuk mengatasi daya tarik inti atom
terhadap elektron. Besarnya energi yang diperlukan oleh sebuah elektron
untuk mengatasi daya tarik inti atom sehingga bisa melompat keluar dari
permukaan logam, didefinisikan sebagai Fungsi Kerja (Work Function).Fungsi
kerja biasanya dinyatakan dalam satuan eV (electron volt), besarnya fungsi
kerja adalah berbeda untuk setiap logam.
Proses penerimaan energi
luar oleh elektron agar bisa beremisi dapat terjadi dengan beberapa cara,
dan jenis proses penerimaan energi inilah yang membedakan proses
emisi elektron yaitu :
1. Emisi Thermionic
(Thermionic emission)
2. Emisi medan listrik
(Field emission)
3. Emisi Sekunder
(Secondary emission)
4. Emisi Fotolistrik
(Photovoltaic emission)
1.1 Emisi Thermionic
Pada emisi jenis ini, energi luar yang masuk
ke bahan ialah dalam bentuk energi panas. Oleh elektron energi panas ini
diubah menjadi energi kinetik. Semakin besar panas yang diterima oleh bahan
maka akan semakin besar pula kenaikan energi kinetik yang terjadi pada
elektron, dengan semakin besarnya kenaikan energi kinetik dari elektron
maka gerakan elektron menjadi semakin cepat dan semakin tidak menentu.
Pada situasi inilah akan terdapat elektron yang pada ahirnya terlepas keluar
melalui permukaan bahan.
Pada proses emisi thermionic dan juga pada
proses emisi lainnya, bahan yang digunakan sebagai asal ataupun sumber
elektron disebut sebagai "emiter" atau lebih sering disebut "katoda" (cathode),
sedangkan bahan yang menerima elektron disebut sebagai anoda. Dalam konteks
tabung hampa (vacuum tube) anoda lebih sering disebut sebagai "plate".
Dalam proses emisi thermionik dikenal dua
macam jenis katoda yaitu :
a) Katoda panas langsung (Direct Heated
Cathode, disingkat DHC)
b) Katoda panas tak langsung (Indirect Heated
Cathode, disingkat IHC)
Pada Figure 2 dapat dilihat struktur yang
disederhanakan dan juga simbol dari DHC, pada katoda jenis ini katoda selain
sebagai sumber elektron juga dialiri oleh arus heater (pemanas).
Struktur yang disederhanakan dan juga simbol
dari IHC dapat dilihat pada Figure 3.
Katoda jenis ini tidak dialiri langsung
oleh arus heater, panas yang dibutuhkan untuk memanasi katoda dihasilkan
oleh heater element (elemen pemanas) dan panas ini dialirkan secara konduksi
dari heater elemen ke katoda dengan perantaraan insulasi listrik, yaitu
bahan yang baik dalam menghantarkan panas tetapi tidak mengalirkan arus
listrik.
Pada proses emisi thermionik bahan yang
akan digunakan sebagai katoda harus memiliki sifat sifat yang memadai untuk
berperan dalam proses yaitu :
a. Memiliki fungsi kerja yang rendah, dengan
fungsi kerja yang rendah maka
energi yang dibutuhkan
untuk menarik elektron menjadi lebih kecil sehingga
proses emisi lebih mudah
terjadi.
b. Memiliki titik lebur (melting point)
yang tinggi.
Pada proses emisi thermionic
katoda harus dipanaskan pada suhu yang cukup
tinggi untuk memungkinkan
terjadinya lompatan elektron, dan suhu ini bisa
mencapaai 1500 derajat
celcius.
C. Memiliki ketahanan mekanik (mechanical
strenght) yang tinggi
Pada saat terjadinya
emisi maka terjadi pula lompatan ion positif dari plate
menuju ke katoda. Lompatan
ion positif tersebut oleh katoda akan
dirasakan sebagai benturan,
sehingga agar supaya katoda tidak mengalami
deformasi maka bahan
dari katoda harus memiliki mechanical strenght yang
tinggi.
Pada aplikasi yang sesungguhnya ada tiga
jenis material yang digunakan untuk membuat katoda, yaitu :
a. Tungsten
Material ini adalah material
yang pertama kali digunakan orang untuk membuat
katode. Tungsten memiliki
dua kelebihan untuk digunakan sebagai katoda yaitu
memiliki ketahanan mekanik
dan juga titik lebur yang tinggi (sekitar 3400
derajat Celcius), sehingga
tungsten banyak digunakan untuk aplikasi khas yaitu
tabung X-Ray yang bekerja
pada tegangan sekitar 5000V dan temperature
tinggi. Akan tetapi untuk
aplikasi yang umum terutama untuk aplikasi Tabung
Audio dimana tegangan
kerja dan temperature tidak terlalu tinggi maka
tungsten bukan material
yang ideal, hal ini disebabkan karena tungsten memiliki
fungsi kerja
yang tinggi( 4,52 eV) dan juga temperature kerja optimal yang
cukup tinggi
(sekitar 2200 derajat celcius)
b. Thoriated Tungsten
Material ini ialah campuran
antara tungsten dan thorium. Thorium adalah
material yang secara
individual memiliki fungsi kerja 3,4 eV, campuran antara
thorium dan tungsten
memiliki fungsi kerja 2,63eV, yaitu suatu nilai fungsi
kerja
yang lebih rendah dibandingan dengan fungsi kerja tungsten ataupun
thorium
dalam keadaan tidak dicampur. Selain itu hasil pencampuran kedua
logam
tersebut memiliki temperature kerja optimal yang lebih rendah daripada
tungsten yaitu 1700 derajat
celcius hal ini berarti besarnya energi yang
dibutuhkan untuk pemanasan
pada aplikasi pemakaian logam campuran ini juga
lebih rendah.
c. Katoda berlapis oksida (Oxide-Coated
Cathode)
Katoda tipe ini terbuat
dari lempengan nickel yang dilapis dengan barium dan
oksida strontium. Sebagai
hasil dari pelapisan tersebut maka dihasilkanlah
katoda yang memiliki
fungsi kerja yang dan temperature kerja optimal rendah
yaitu sekitar 750 derajat
celsius. Katoda jenis ini umumnya digunakan untuk
aplikasi yang menggunakan
tegangan tidak lebih dari 1000 V.
1.2. Emisi Medan Listrik (Field Emission)
Pada emisi jenis ini yang menjadi
penyebab lepasnya elektron dari bahan ialah adanya gaya tarik medan listrik
luar yang diberikan pada bahan. Pada katoda yang digunakan pada proses
emisi ini dikenakan medan listrik yang cukup besar sehingga tarikan yang
terjadi dari medan listrik pada elektron menyebabkan elektron memiliki
energi yang cukup untuk lompat keluar dari permukaan katoda. Emisi medan
listrik adalah salah satu emisi utama yang terjadi pada vacuum tube selain
emisi thermionic.
1.3. Emisi Sekunder ( Secondary emission)
Pada emisi sekunder ini energi yang menjadi
penyebab lepasnya elektron datang dalam bentuk energi mekanik yaitu energi
yang diberikan dalam proses tumbukan antara elektron luar yang datang dengan
elektron yang ada pada katoda. Pada proses tumbukan terjadi pemindahan
sebagian energi kinetik dari elektron yang datang ke elektron yang ada
pada katoda sehingga elektron yang ada pada katoda tersebut terpental keluar
dari permukaan katoda. Pada kenyataannya proses emisi sekunder tidak dapat
berlangsung sukses dengan sendirinya untuk melepaskan elektron dari permukaan
akan tetapi proses emisi ini masih membutuhkan dukungan dari emisi jenis
lainnya secara bersamaan yaitu emisi medan listrik. Dukungan proses
emisi medan listrik dibutuhkan pada proses emisi sekunder, karena walaupun
elektron sudah terpental keluar dari permukaan katoda akan tetapi energi
yang dimiliki oleh elektron ini seringkali tidak cukup untuk menjangkau
anoda sehingga dibutuhkanlah dukungan energi dari proses emisi medan listrik.
1.4. Emisi Fotolistrik (Photo Electric
Emission)
Pada emisi fotolistrik energi diberikan
ke elektron pada katoda melalui foton yaitu paket paket energi cahaya,
yang oleh elektron kemudian diubah menjadi energi mekanik sehingga elektron
tersebut dapat terlepas dari permukaan katoda.
Sama seperti proses emisi sekunder emisi
fotolistrik juga tidak dapat berjalan dengan sempurna tanpa bantuan proses
emisi medan listrik, hal ini disebabkan karena energi yang didapat oleh
elektron dari foton belum cukup untuk membuat elektron tersebut mampu menjangkau
anoda.
Sampai pada bagian ini kita baru saja meyelesaikan obrolan kita mengenai emisi electron dan sekarang obrolan akan kita lanjutkan ke pembahasan mengenai vacuum tube dan cara kerjanya.
Yang dimaksud dengan vacuum
tube ialah peralatan elektronik dimana aliran elektron terjadi
pada ruang hampa.
Ada beberapa jenis vacuum tube yang umum
digunakan yaitu
- Dioda
- Trioda
- Tetroda
- Pentoda