Nota Fizik Tingkatan 5 Bab 5: Elektronik
BAB 5: ELEKTRONIK
Pelajari konsep pancaran termion, diod semikonduktor, rektifikasi, litar transistor sebagai amplifier, serta suis automatik peka cahaya & suhu secara interaktif.
Pancaran Termion & Sinar Katod
Pancaran termion ialah proses pemancaran elektron daripada permukaan logam yang dipanaskan. Apabila filamen dipanaskan oleh bekalan kuasa voltan rendah, sebahagian elektron memperoleh tenaga kinetik yang cukup untuk melepasi halangan daya tarikan nukleus logam itu.
Sinar katod pula merupakan alur elektron berkelajuan tinggi yang bergerak dalam vakum dari katod (terminal negatif) ke anod (terminal positif). Vakum diperlukan supaya elektron tidak berlanggar dengan molekul udara.
Tenaga keupayaan elektrik ditukarkan sepenuhnya kepada tenaga kinetik maksimum elektron:
Di mana:
– e = Cas bagi satu elektron (1.6 \times 10^{-19}\text{ C})
– V = Beza keupayaan V.T.T (Volt)
– m = Jisim satu elektron (9.1 \times 10^{-31}\text{ kg})
– v = Halaju maksimum elektron (\text{m s}^{-1})
Ciri-ciri Utama Sinar Katod
Eksperimen Maya: Tiub Sinar Katod Dinamik
Kawal voltan anod (V.T.T) serta beza keupayaan plat pesongan elektrik untuk melihat bagaimana alur elektron dipesongkan.
Parameter Tiub Katod
Meningkatkan voltan ini menambah kelajuan elektron!
Nilai positif memalingkan alur ke atas (tarikan cas positif).
*Apabila voltan anod meningkat, tenaga kinetik meningkat menyebabkan titik hijau pada skrin pendarfluor menghentam dengan lebih bertenaga.
Diod & Semikonduktor
Diod semikonduktor merupakan peranti elektronik yang membenarkan arus mengalir dalam satu arah sahaja. Diod dibina dengan mencantumkan semikonduktor jenis-p (kaya dengan lohong) dan semikonduktor jenis-n (kaya dengan elektron bebas) untuk membentuk simpang p-n.
Terminal positif sel disambung ke anod (p-type). Lebar lapisan susutan mengecil. Arus elektrik dapat mengalir dengan mudah (suis ditutup).
Terminal positif sel disambung ke katod (n-type). Lebar lapisan susutan mengecil. Arus elektrik terhalang dan tidak mengalir (suis dibuka).
Rektifikasi Gelombang (Rectification)
Proses penukaran arus ulang-alik (a.u.) kepada arus terus (a.t.) dinamakan sebagai **rektifikasi**.
Simulasi Osiloskop: Rektifikasi AC ke DC
Pilih jenis litar rektifikasi di bawah, tambah kapasitor perata, dan amati isyarat arus terus (gelombang hijau) yang terhasil berbanding input asal (merah).
Konfigurasi Litar
Dalam kitaran biasa (tanpa diod), elektron bergerak ulang-alik menghasilkan bentuk gelombang sinus yang mempunyai kitaran positif dan negatif secara bergilir-gilir.
Transistor: Struktur & Operasi
Transistor ialah komponen semikonduktor yang mempunyai tiga terminal: Tapak (B – Base), Pengumpul (C – Collector), dan Pengeluar (E – Emitter).
Transistor berfungsi sebagai **amplifier arus** (arus tapak kecil mengawal aliran arus pengumpul yang besar) serta sebagai **suis kawalan automatik** peka alam sekitar.
Litar Pembahagi Voltan (Voltage Divider)
Untuk mengaktifkan suis transistor, beza keupayaan merentasi tapak, V_B mestilah melepasi had minimum pengaktifan transistor (kira-kira 0.7\text{ V} bagi transistor silikon). Rumus pembahagi voltan digunakan:
Dengan menukarkan salah satu perintang (R_1 atau R_2) kepada perintang peka alam sekitar seperti PPC (LDR) atau Termistor, kita boleh membina suis kawalan automatik siang/malam atau penggera kebakaran.
Eksperimen Maya: Litar Suis Automatik Transistor
Pilih mod suis automatik (peka cahaya / peka haba), laraskan parameter sensor di bawah, dan lihat bagaimana transistor bertindak sebagai suis elektronik.
Kurangkan kecerahan untuk menguji sensitiviti PPC dalam gelap.
Senarai Formula Penting Bab 5
Gunakan kad ringkasan formula ini untuk menghafal hubungan matematik bagi pengiraan elektronik.
Penyelesai Formula Elektronik Automatik
Pilih formula, kosongkan TEPAT SATU pembolehubah yang ingin dicari, masukkan pembolehubah lain, dan sistem akan mengira berserta jalannya.
Koleksi Latihan
| 1 | 2 |
| 3 | 4 |
| 5 | 6 |
GLOSARI DIGITAL ELEKTRONIK
Pancaran Termion
Pemancaran elektron bebas daripada permukaan logam yang dipanaskan.
Sinar Katod
Alur elektron yang bergerak dengan kelajuan tinggi dalam vakum.
Diod Semikonduktor
Komponen yang membenarkan arus elektrik mengalir dalam satu arah tertentu sahaja.
Rektifikasi
Proses penukaran arus ulang-alik (a.u.) kepada arus terus (a.t.).
Anod / Katod
Anod: Terminal positif.
Katod: Terminal negatif.
Pincang Depan / Songsang
Sambungan diod yang membenarkan (Depan) atau menghalang (Songsang) arus mengalir.
Transistor
Komponen tiga terminal (E, B, C) yang berfungsi sebagai amplifier arus atau suis automatik.
E, B, C
Pengeluar (E): Bekal cas.
Tapak (B): Kawal arus.
Pengumpul (C): Terima cas.
Amplifier Arus
Pertambahan arus tapak ($I_B$) yang kecil menghasilkan perubahan besar dalam arus pengumpul ($I_C$).
Suis Automatik
Aplikasi transistor menggunakan komponen pengesan untuk menghidupkan litar secara automatik.
LDR
Perintang Peka Cahaya: Rintangan tinggi dalam gelap, rendah dalam cerah.
Termistor
Rintangan tinggi pada suhu rendah, rendah pada suhu tinggi.
Kapasitor
Menyimpan cas elektrik; berfungsi sebagai perata arus dalam litar rektifikasi.
Pembahagi Voltan
Litar menggunakan dua perintang secara bersiri untuk menghasilkan voltan output tertentu.
ZON ANALISIS KBAT: ELEKTRONIK
Berikut adalah analisis mendalam yang menguji pemikiran kritis dan aplikasi konsep elektronik dalam senario dunia nyata.
1. Pengubahsuaian Suis LDR
Bagaimanakah litar suis kawalan cahaya boleh diubah suai supaya mentol menyala dalam keadaan cerah dan padam dalam keadaan gelap? Berikan justifikasi berdasarkan konsep pembahagi voltan.
Tindakan: Tukar kedudukan Perintang Peka Cahaya (LDR) dengan perintang tetap ($R$).
Justifikasi Pembahagi Voltan:
- Dalam keadaan cerah, rintangan LDR rendah $\rightarrow$ voltan merentasi perintang tetap ($R$) di kedudukan bawah menjadi tinggi.
- Voltan tapak ($V_{BE}$) meningkat melebihi voltan minimum (0.7 V).
- Arus tapak ($I_B$) mengalir $\rightarrow$ Transistor dihidupkan $\rightarrow$ Arus pengumpul ($I_C$) mengalir $\rightarrow$ Mentol menyala.
2. Ralat Litar Rektifikasi
Jika diod $D1$ dalam rektifier gelombang penuh disongsangkan secara tidak sengaja, ramalkan bentuk gelombang output pada OSK.
Ramalan: Litar akan berfungsi sebagai rektifikasi gelombang separuh.
Huraian Teknis:
- Separuh Kitar Positif: $D1$ (pincang songsang) menghalang arus. Tiada output dihasilkan.
- Separuh Kitar Negatif: Arus mengalir melalui $D3$ dan $D4$ seperti biasa. Output dihasilkan.
- Hasil: Gelombang menunjukkan puncak bagi separuh kitar negatif sahaja dengan ruang kosong di antaranya.
3. Semikonduktor vs Tiub Vakum
Wajarkan mengapa komponen semikonduktor (diod/transistor) menjadi asas kepada peralatan elektronik moden berbanding teknologi tiub vakum.
Kelebihan Semikonduktor
- • Saiz mikro (mikrocip)
- • Penggunaan kuasa rendah
- • Kecekapan sistem tinggi
- • Tahan lasak (keadaan pepejal)
Kelemahan Tiub Vakum
- • Saiz besar & memakan ruang
- • Perlu pemanasan filamen
- • Hasilkan haba melampau
- • Rapuh (diperbuat daripada kaca)
4. Kegagalan Penggera Suhu
Jika mentol gagal menyala walaupun termistor dipanaskan, cadangkan dua kemungkinan punca kegagalan litar tersebut.
Voltan Tapak Tidak Mencapai Ambang: Rintangan perintang tetap ($R$) mungkin terlalu kecil berbanding termistor, menyebabkan $V_{BE}$ tidak mencapai 0.7 V walaupun rintangan termistor telah menurun.
Transistor Rosak/Terbakar: Transistor mungkin mengalami litar terbuka secara dalaman akibat arus berlebihan sebelum ini, menghalang arus pengumpul ($I_C$) daripada mengalir.
5. Halaju Elektron dalam Vakum
Jika beza keupayaan ($V$) dalam tiub sinar katod digandakan sebanyak empat kali, apakah kesannya terhadap halaju maksimum ($v_{maks}$) elektron?
Keputusan: Halaju maksimum menjadi dua kali ganda halaju asal.
$eV = \frac{1}{2} mv^2_{maks}$
Maka halaju: $v_{maks} = \sqrt{\frac{2eV}{m}}$
Hubungan: $v_{maks} \propto \sqrt{V}$
Jika $V’ = 4V$, maka halaju baharu: $v’ = \sqrt{4V} = 2\sqrt{V} = 2v_{maks}$.