NOTA FIZIK TINGKATAN 5 BAB 5

Ringkasan Mudah Faham (Nota Fizik Tingkatan 5 Bab 5: Elektronik)

Panduan ini merumuskan konsep-konsep utama dalam bab Elektronik, yang merangkumi tiga topik teras: Elektron, Diod Semikonduktor, dan Transistor. Memahami komponen dan prinsip ini adalah asas kepada teknologi moden, daripada pengecas telefon pintar kepada sistem automasi canggih.

1. Elektron: Pancaran Termion dan Sinar Katod

Konsep ini menerangkan bagaimana elektron boleh dibebaskan daripada logam dan digerakkan dalam vakum.

• Pancaran Termion: Ini adalah proses di mana elektron bebas dipancarkan dari permukaan logam (seperti filamen tungsten) apabila ia dipanaskan pada suhu yang tinggi. Haba memberikan elektron tenaga kinetik yang mencukupi untuk terlepas dari permukaan logam.

• Sinar Katod: Apabila elektron yang dipancarkan ini berada dalam tiub vakum dan diletakkan di bawah pengaruh voltan yang sangat tinggi (V.L.T.), ia akan memecut dari terminal negatif (katod) ke terminal positif (anod) pada kelajuan yang tinggi. Alur elektron berkelajuan tinggi inilah yang dikenali sebagai sinar katod.

• Sifat-sifat Sinar Katod:

    ◦ Bercas negatif, jadi ia akan terpesong ke arah plat bercas positif dalam medan elektrik.

    ◦ Boleh dipesongkan oleh medan magnet (mengikut Petua Tangan Kiri Fleming).

    ◦ Bergerak dalam garisan lurus jika tiada medan luar.

    ◦ Mempunyai tenaga kinetik dan momentum.

• Prinsip Tenaga: Tenaga keupayaan elektrik yang diperoleh oleh elektron apabila dipecutkan oleh beza keupayaan (V) ditukar sepenuhnya kepada tenaga kinetik maksimum. Ini dinyatakan oleh formula: eV = ½ mv²maks

2. Diod Semikonduktor: Pintu Sehala untuk Arus

Diod semikonduktor ialah komponen elektronik asas yang bertindak seperti injap sehala, hanya membenarkan arus elektrik mengalir melaluinya dalam satu arah sahaja.

• Pincang Depan (Forward Bias): Apabila terminal positif sumber voltan disambungkan ke anod diod dan terminal negatif ke katod, diod membenarkan arus mengalir. Rintangannya menjadi sangat kecil.

• Pincang Songsang (Reverse Bias): Apabila sambungan diterbalikkan (positif ke katod, negatif ke anod), diod menghalang pengaliran arus. Rintangannya menjadi sangat besar.

• Rektifikasi: Ini adalah fungsi utama diod, iaitu menukar arus ulang-alik (a.u.) kepada arus terus (a.t.).

    ◦ Rektifikasi Gelombang Separuh: Menggunakan satu diod untuk membenarkan hanya separuh daripada kitaran a.u. melaluinya.

    ◦ Rektifikasi Gelombang Penuh: Menggunakan empat diod (dalam susunan rektifier tetimbang) untuk menukar kedua-dua separuh kitaran a.u. menjadi arus terus yang berdenyut.

• Kapasitor sebagai Perata Arus: Arus output daripada litar rektifikasi tidak rata. Kapasitor yang disambung selari dengan beban berfungsi untuk meratakan arus ini. Ia menyimpan cas apabila voltan meningkat dan menyahcas apabila voltan menurun, menghasilkan arus terus yang lebih mantap.

3. Transistor: Penguat dan Suis

Transistor ialah komponen elektronik serba boleh dengan tiga terminal—Tapak (B), Pengumpul (C), dan Pengeluar (E). Ia mempunyai dua fungsi utama.

• Sebagai Amplifier Arus (Penguat Arus): Transistor boleh menguatkan isyarat elektrik. Arus tapak (IB) yang sangat kecil boleh mengawal pengaliran arus pengumpul (IC) yang jauh lebih besar. Nisbah IC kepada IB dikenali sebagai faktor penggandaan (β).

• Sebagai Suis Automatik: Oleh kerana arus pengumpul hanya mengalir apabila terdapat arus tapak, transistor boleh digunakan sebagai suis elektronik. Dengan mengawal arus tapak yang kecil, kita boleh menghidupkan atau mematikan litar pengumpul yang membawa arus yang lebih besar.

    ◦ Suis Kawalan Cahaya: Menggunakan Perintang Peka Cahaya (LDR). Dalam gelap, rintangan LDR tinggi, yang membenarkan arus tapak mengalir dan menghidupkan transistor (contohnya, menyalakan lampu jalan). Dalam terang, rintangan LDR rendah, tiada arus tapak, dan litar dimatikan.

    ◦ Suis Kawalan Suhu: Menggunakan Termistor. Apabila suhu meningkat (seperti dalam kebakaran), rintangan termistor menurun. Ini menyebabkan voltan tapak meningkat, menghidupkan transistor dan seterusnya mengaktifkan penggera.

Soalan Kemahiran Berfikir Aras Tinggi (KBAT)

Berikut adalah lima soalan yang memerlukan analisis dan aplikasi mendalam tentang prinsip-prinsip elektronik yang dibincangkan dalam sumber.

1. Soalan: Rajah 5.18 menunjukkan litar suis kawalan cahaya di mana mentol menyala dalam keadaan gelap. Bagaimanakah litar ini boleh diubah suai supaya mentol menyala dalam keadaan cerah dan padam dalam keadaan gelap? Berikan justifikasi untuk pengubahsuaian anda berdasarkan konsep pembahagi voltan.

Jawapan: Untuk mengubah suai litar agar mentol menyala dalam keadaan cerah, kedudukan Perintang Peka Cahaya (LDR) dan perintang tetap (R) dalam litar pembahagi voltan perlu ditukar. LDR diletakkan di tempat perintang R, dan perintang R diletakkan di tempat LDR.

• Justifikasi:

    ◦ Dalam keadaan cerah, rintangan LDR adalah sangat rendah. Apabila LDR berada di kedudukan bawah dalam pembahagi voltan, voltan merentasinya (V_LDR) akan menjadi sangat rendah, manakala voltan merentasi perintang tetap R di atas (V_R) akan menjadi tinggi.

    ◦ Voltan tapak-pengeluar (V_BE) adalah bersamaan dengan voltan merentasi LDR. Jika kedudukan ditukar, V_BE akan bersamaan dengan voltan merentasi perintang tetap R.

    ◦ Dengan susunan baharu, dalam keadaan cerah, rintangan LDR rendah, menyebabkan voltan merentasi R (V_R) menjadi tinggi. Apabila V_R ini melebihi voltan minimum yang diperlukan (cth: 0.7 V untuk transistor silikon), arus tapak (I_B) akan mengalir.

    ◦ Pengaliran I_B akan menghidupkan transistor, membenarkan arus pengumpul (I_C) yang besar mengalir dan menyalakan mentol. Sebaliknya, dalam keadaan gelap, rintangan LDR tinggi, V_R menjadi rendah, transistor tidak dihidupkan, dan mentol padam.

2. Soalan: Merujuk kepada litar rektifikasi gelombang penuh dalam Rajah 2 (Praktis Sumatif), ramalkan dan lakarkan bentuk gelombang output yang akan dipaparkan pada skrin osiloskop sinar katod jika sambungan diod D1 disongsangkan secara tidak sengaja. Terangkan mengapa bentuk gelombang tersebut terhasil.

Jawapan: Jika diod D1 disongsangkan, litar tersebut akan berfungsi sebagai rektifier gelombang separuh.

• Lakaran Bentuk Gelombang Output: Bentuk gelombang akan menunjukkan hanya separuh kitar negatif yang direktifikasikan (puncak ke atas), manakala separuh kitar positif akan terhalang. Akan terdapat ruang kosong di mana puncak bagi separuh kitar positif sepatutnya berada.

• Penerangan:

    ◦ Semasa Separuh Kitar Positif: Arus sepatutnya mengalir melalui D1 dan D2. Oleh kerana D1 kini dipasang secara songsang, ia akan menghalang pengaliran arus. Akibatnya, tiada arus dapat mengalir melalui litar semasa separuh kitar positif.

    ◦ Semasa Separuh Kitar Negatif: Arus akan mengalir melalui diod D3 dan D4 seperti biasa. Laluan ini tidak terjejas. Arus akan mengalir melalui perintang R pada arah yang sama seperti sebelumnya.

    ◦ Kesannya, hanya separuh daripada kitaran arus ulang-alik (separuh kitar negatif) yang berjaya melalui litar dan direktifikasikan, menghasilkan output yang serupa dengan rektifikasi gelombang separuh.

3. Soalan: Penciptaan diod semikonduktor dan transistor telah membawa kepada Revolusi Digital. Berdasarkan maklumat dalam teks, bandingkan komponen-komponen ini dengan teknologi tiub vakum yang lebih awal (seperti tiub sinar katod) dan justifikasikan mengapa komponen semikonduktor menjadi asas kepada peralatan elektronik moden.

Jawapan: Komponen semikonduktor seperti diod dan transistor mempunyai beberapa kelebihan ketara berbanding teknologi tiub vakum.

• Saiz: Teks menyatakan bahawa “Kebanyakan cip elektronik pada hari ini direka dengan saiz yang semakin kecil.” Diod dan transistor boleh dikecilkan menjadi mikrocip, manakala tiub vakum (seperti tiub sinar katod) adalah besar dan memakan ruang, seperti yang digambarkan oleh saiz televisyen lama.

• Kecekapan dan Penggunaan Kuasa: Saiz yang kecil “bukan sahaja dapat menjimatkan ruang dan penggunaan kuasa elektrik malah dapat meningkatkan kecekapan keseluruhan sistem tersebut.” Tiub vakum memerlukan filamen yang dipanaskan (pancaran termion) yang menggunakan banyak tenaga dan menghasilkan haba, menjadikannya kurang cekap.

• Ketahanan dan Kos: Walaupun tidak dinyatakan secara eksplisit, implikasinya ialah komponen keadaan pepejal (semikonduktor) lebih tahan lasak dan lebih murah untuk dihasilkan secara besar-besaran berbanding tiub kaca yang rapuh dan kompleks.

• Kesimpulan: Kelebihan dari segi saiz, penggunaan kuasa yang rendah, dan kecekapan yang tinggi menjadikan diod semikonduktor dan transistor sebagai komponen utama dalam hampir semua peralatan elektronik moden, daripada telefon pintar kepada komputer, membolehkan penciptaan peranti yang lebih kecil, lebih berkuasa, dan lebih cekap tenaga.

4. Soalan: Dalam litar penggera kawalan suhu (Rajah 5.19), mentol sepatutnya menyala apabila suhu meningkat. Jika mentol gagal menyala walaupun termistor dipanaskan secukupnya, cadangkan dua kemungkinan punca kegagalan litar tersebut berfungsi dan terangkan bagaimana setiap punca itu menghalang mentol daripada menyala.

Jawapan: Dua kemungkinan punca kegagalan adalah:

1. Voltan Tapak (V_R) Tidak Mencapai Nilai Minimum:

    ◦ Penerangan: Transistor memerlukan beza keupayaan minimum merentasi tapak dan pengeluar (V_BE) untuk dihidupkan (contohnya, 0.7 V untuk transistor silikon). Voltan ini dibekalkan oleh voltan merentasi perintang R (V_R) dalam litar pembahagi voltan. Walaupun termistor dipanaskan dan rintangannya menurun, mungkin nilai perintang R tidak cukup besar berbanding rintangan termistor yang telah menurun. Ini menyebabkan V_R yang terhasil masih di bawah paras minimum. Tanpa V_BE yang mencukupi, arus tapak (I_B) tidak dapat mengalir, transistor kekal ‘padam’, dan tiada arus pengumpul (I_C) yang mengalir untuk menyalakan mentol.

2. Transistor Rosak atau Terbakar:

    ◦ Penerangan: Transistor itu sendiri mungkin telah rosak akibat arus tapak yang berlebihan pada penggunaan sebelumnya atau disebabkan kecacatan pengilangan. Jika transistor rosak, ia tidak lagi boleh berfungsi sebagai amplifier atau suis. Walaupun V_BE yang mencukupi dibekalkan ke tapak, litar dalaman transistor mungkin terputus, menghalang pengaliran arus pengumpul (I_C) dari pengumpul ke pengeluar. Akibatnya, litar pengumpul kekal terbuka dan mentol tidak akan menyala.

5. Soalan: Berdasarkan prinsip keabadian tenaga yang dinyatakan oleh formula eV = 1/2 mv²_maks, jika beza keupayaan (V) dalam tiub sinar katod digandakan sebanyak empat kali, apakah kesannya terhadap halaju maksimum (v_maks) elektron? Tunjukkan jalan pengiraan anda secara kualitatif.

Jawapan: Halaju maksimum (v_maks) elektron akan menjadi dua kali ganda daripada halaju asal.

• Penerangan dan Pengiraan Kualitatif:

    ◦ Formula menunjukkan hubungan antara tenaga keupayaan elektrik (eV) dan tenaga kinetik maksimum (1/2 mv²_maks).

    ◦ Daripada formula, kita boleh menyusun semula untuk v_maks: v_maks = √(2eV/m)

    ◦ Dari hubungan ini, kita dapat lihat bahawa v_maks adalah berkadar terus dengan punca kuasa dua beza keupayaan, V (v_maks ∝ √V).

    ◦ Jika beza keupayaan, V, digandakan sebanyak empat kali (menjadi 4V), maka halaju maksimum baharu (v’_maks) ialah: v'_maks ∝ √(4V) v'_maks ∝ √4 * √V v'_maks ∝ 2 * √V

    ◦ Oleh kerana v_maks ∝ √V, maka v'_maks ∝ 2 * v_maks.

    ◦ Ini menunjukkan bahawa menggandakan beza keupayaan sebanyak empat kali akan menyebabkan halaju maksimum elektron meningkat sebanyak dua kali ganda.