Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5 Tahun 2013

Transkripsi

1 BAB 3 KEELEKTROMAGETA 3.1 Kesan medan magnet pada suatu konduktor pembawa arus Istilah-istilah Medan magnet ialah kawasan di sekitar satu magnet atau satu konduktor yang membawa arus di mana satu daya magnet akan bertindak pada suatu bahan magnet. Medan magnet terdiri daripada garis magnet atau fluks magnet. Arah medan magnet adalah arah daya magnet yang bertindak pada kutub utara yang bergerak dalam medan magnet itu. Besi lembut Elektromagnet Teras besi lembut ialah teras besi tulen. Elektromagnet adalah magnet yang terhasil apabila satu teras besi lembut dililitkan dengan gegelung dawai bertebat dan arus mengalir melalui gegelung dawai bertebat tersebut. Gegelung dawai Teras besi lembut Arus Arus Aktiviti: Mengkaji corak dan arah medan magnet Apabila arus mengalir melalui suatu konduktor, suatu medan magnet dihasilkan di sekeliling konduktor itu. Corak medan magnet yang terhasil bergantung kepada bentuk konduktor. Corak medan magnet diwakili oleh garis medan magnet. emakin rapat garis-garis medan magnet menunjukkan semakin tinggi kekuatan medan magnet yang diterbentuk. Arah medan magnet bergantung kepada arah arus yang mengalir dalam konduktor itu. Arah medan magnet yang terhasil ini dapat ditunjukkan oleh arah pesongan jarum kompas yang diletakkan di sekitar konduktor itu. Bagi konduktor dawai lurus, arah medan magnet ditentukan menggunakan Petua genggaman tangan kanan. Arah arus Arah medan magnet Petua genggaman tangan kanan Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 1

2 (a) Corak dan arah medan magnet pada dawai lurus Arah medan magnet, B Pandangan atas corak medan magnet pada dawai lurus Dawai lurus membawa arus Corak medan magnet yang terhasil pada dawai lurus yang membawa arus ialah bulatan-bulatan sepusat. Arah medan magnet yang terhasil bergantung kepada arah arus yang mengalir. Jika arah arus disongsangkan, maka arah medan magnet juga disongsangkan. B Lukis garis medan magnet dan arah pesongan jarum kompas yang diletakkan di sekeliling dawai membawa arus di bawah. imbol bermaksud konduktor mengalirkan arus... satah kertas. imbol bermaksud konduktor yang mengalirkan arus... daripada satah kertas. Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 2

3 (b) Corak dan arah medan magnet pada gegelung bulat Corak dan arah medan magnet gegelung bulat ditunjukkan pada rajah di bawah. Garis medan magnet di bahagian tengah-tengah gegelung merupakan laris lurus. Gegelung membulat Garis medan magnet Pandangan atas corak medan magnet pada gegelung bulat Lukis garis medan magnet dan arah medan magnet yang terhasil pada gegelung bulat membawa arus. (c) Corak dan arah medan magnet pada solenoid Garis medan magnet Corak medan magnet pada solenoid olenoid ialah satu gegelung dawai yang dililitkan pada arah yang sama dalam bentuk silinder. Corak medan magnet yang dihasilkan oleh solenoid serupa dengan corak medan magnet bar. Kekutuban medan yang dihasilkan oleh solenoid dapat ditentukan dengan mengenggam solenoid dengan tangan kanan supaya jari-jari melengkung mengikut arah pengaliran arus. Arah ibu jari menuju ke kutub utara solenoid. Arah kutub utara () solenoid Arah arus Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 3

4 Faktor-faktor yang mempengaruhi kekuatan medan magnet bagi suatu elektromagnet Bilangan lilitan solenoid emakin bertambah bilangan lilitan solenoid, semakin bertambah kekuatan medan magnet yang dihasilkan. Magnitud arus yang mengalir emakin bertambah magnitud arus yang mengalir, semakin bertambah kekuatan medan magnet yang dihasilkan. Ketebalan dawai emakin bertambah ketebalan dawai solenoid, semakin bertambah kekuatan medan magnet yang dihasilkan. Bentuk teras besi Menggunakan teras besi lembut berbentuk U. Menggunakan teras besi lembut Kekuatan medan magnet yang dihasilkan akan bertambah apabila solenoid dililitkan pada suatu teras besi lembut. Eksperimen: Mengkaji faktor yang mempengaruhi kekuatan elektromagnet Inferens :... Hipotesis:... Tujuan :... Pemboleh ubah: (i) Yang dimanipulasikan :... (ii) Yang bergerak balas :... (iii) Yang dimalarkan :... enarai radas dan bahan : usunan radas: Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 4

5 Prosedur: Penjadualan data: Analisis data: Kesimpulan: Langkah berjaga-jaga semasa eksperimen: Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 5

6 Aplikasi elektromagnet (1) Loceng elektrik Apabila suis ditekan, litar dilengkapkan. uis Arus mengalir dalam solenoid dan Bateri teras besi lembut... Angker besi lembut... Elektromagnet Loceng kru pelaras Angker besi lembut Pemukul oleh teras besi lembut yang menjadi... Pemukul ditarik bersama kemudian... loceng dan menghasilkan... entuhan dengan skru pelaras terbuka dan litar... Apabila litar..., teras besi hilang... Kepingan spring menarik angker besi kembali, litar... semula. Proses ini berulang dan menghasilkan bunyi loceng tanpa henti. (2) Geganti Magnetik Geganti magnet bertindak sebagai esentuh Angker besi lembut Litar luar satu suis yang menggunakan arus kecil untuk menghidup atau mematikan satu litar lain yang menggunakan arus yang besar. Apabila suis 1 ditekan, arus... melalui gegelung Elektromagnet Litar input uis 1 solenoid dalam litar input. Teras besi lembut... dan angker besi lembut... menyebabkan sesentuh... Litar luar dilengkapkan dan alatan elektrik pada litar luar dihidupkan. Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 6

7 Cuping Telinga Telefon Teras besi lembut Magnet kekal Diafragma besi lembut Kesan magnet yang terhasil sentiasa menarik diafragma besi lembut yang dipasang dihadapan teras besi lembut itu. Apabila seseorang bercakap melalui mikrofon telefon, tenaga bunyi ditukarkan kepada arus elektrik yang berubah-ubah. Apabila arus berubah-ubah itu... melalui solenoid, arus ini akan menghasilkan... yang berubah-ubah kekuatannya. Diafragma akan... akibat tarikan yang berubah-ubah oleh medan mangnet dengan mengikut frekuensi bunyi tertentu. Getaran diafragma menyebabkan zarah-zarah udara dihadapan... dan... dan menghasilkan bunyi. (4) Alat pemutus litar (5) Kren elektromagnet Butang reset Angker besi lembut Elektromagnet esentuh Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 7

8 3.2 Daya ke atas konduktor pembawa arus dalam suatu medan magnet. Apa yang berlaku kepada suatu konduktor pembawa arus dalam suatu medan magnet? uatu konduktor pembawa arus elektrik menghasilkan medan magnet di sekelilingnya. Jika konduktor pembawa arus elektrik berada dalam satu medan magnet yang lain, suatu daya akan bertindak ke atas konduktor tersebut. Arah daya yang bertindak boleh ditentukan dengan Petua Tangan Kiri Fleming. Dawai bergerak ke atas Petua Tangan Kiri Fleming F B Arah daya, F Arah medan magnet, B I Arah arus, I Aktiviti 3.2: Mengkaji daya ke atas konduktor pembawa arus dalam suatu medan magnet Bateri uis Rod kuprum Prosedur: 1. Hidupkan suis dan perhatikan apa yang berlaku kepada rod kuprum pendek. 2. Terbalikkan terminal bateri dan perhatikan apa yang berlaku kepada rod kuprum pendek. 3. Terbalikkan arah medan magnet dan perhatikan apa yang berlaku kepada rod kuprum. Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 8

9 Pemerhatian: Tentukan arah arus mengalir pada rod kuprum pendek, arah medan magnet dan arah daya yang bertindak. Kesimpulan: Bagaimana konduktor pembawa arus dalam medan magnet mengalami daya? Magnet kekal mempunyai medan magnet yang seragam dan selari. (a) Medan magnet pada magnet kekal Konduktor membawa arus menghasilkan medan magnet di sekelilingnya. (b) Medan magnet pada konduktor membawa arus elektrik Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 9

10 Kedua-dua medan magnet ini berinteraksi dan menghasilkan satu medan magnet paduan yang dinamakan medan lastik (catapult field). Daya tolakan (a) Medan magnet konduktor berada dalam medan magnet kekal (b) Medan lastik (catapult field) Di bahagian atas konduktor, garis-garis medan magnet kekal dan medan magnet konduktor adalah dalam arah yang sama. Ini menyebabkan medan magnet di bahagian atas konduktor menjadi lebih kuat. Di bahagian bawah konduktor, garis-garis medan magnet kekal dan medan magnet konduktor dalam arah yang bertentangan. Ini menyebabkan medan magnet di bahagian bawah konduktor menjadi lebih lemah. Perbezaan kekuatan medan magnet di bahagian atas dan bawah ini menyebabkan satu daya paduan dihasilkan. Daya paduan ini akan menyebabkan konduktor ditolak dari kawasan medan magnet yang kuat ke kawasan medan magnet yang lebih lemah. Lukiskan medan lastik dan tentukan arah daya tolakan yang dihasilkan dalam rajah di bawah. (1) (2) (3) (4) Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 10

11 Faktor-faktor yang mempengaruhi magnitud daya yang bertindak ke atas konduktor membawa arus dalam suatu medan magnet. Magnitud daya yang bertindak ke atas konduktor membawa arus dalam medan magnet bergantung kepada: (a) Magnitud arus yang mengalir melalui konduktor. (b) Kekuatan medan magnet kekal. emakin besar arus melalui konduktor dalam medan magnet kekal, semakin besar daya yang bertindak ke atasnya. emakin kuat medan magnet kekal, semakin besar daya yang bertindak ke atas konduktor membawa arus yang berada di dalam medan magnet itu. Faktor lain yang mempengaruhi magnitud daya yang bertindak ke atas konduktor membawa arus dalam medan magnet ialah luas keratan rentas konduktor itu. emakin besar luas keratan rentas konduktor, semakin besar daya yang bertindak ke atasnya. Ini adalah kerana konduktor dengan luas keratan rentas yang besar mempunyai rintangan yang kecil, dan dengan itu menyebabkan arus yang lebih besar mengalir melaluinya. Bagaimana gegelung membawa arus dalam medan magnet mengalami daya putaran? C B D Komutator A Berus karbon Apabila arus terus mengalir melalui gegelung seperti rajah di atas, satu daya bertindak ke bawah pada sisi AB, dan satu daya bertindak ke atas pada sisi CD. Arah daya-daya yang bertindak ini boleh ditentukan dengan Petua tangan kiri Fleming. Kesan daripada kedua-dua daya yang bertindak menghasilkan daya putaran yang menyebabkan gegelung berputar arah jam. Contoh: Lukiskan garis-garis medan lastik dan seterusnya tentukan arah putaran gegelung dalam rajah di bawah. Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 11

12 Prinsip cara kerja Motor arus terus Apabila arus terus mengalir melalui gegelung, daya ke atas bertindak pada sisi AB dan satu daya ke bawah bertindak pada sisi CD. Daya putaran menyebabkan gegelung itu berputar mengikut arah jam. A B D C Apabila gegelung segiempat itu berputar ke kedudukan menegak, pengaliran arus melaluinya akan terputus seketika. Ini kerana pada kedudukan menegak, berus karbon tidak menyentuh komutator. Gegelung terus berputar mengikut arah jam kerana inersianya. A D B C Putaran gegelung berterusan menyebabkan kedudukan komutator tertukar, lalu menukar arah arus yang mengalir melalui gegelung. Dengan arah arus disongsangkan, arah daya yang bertindak ke atas sisi AB dan CD turut disongsangkan. Ini membolehkan gegelung terus berputar dalam arah yang sama iaitu mengikut arah jam. D C A B Apabila gegelung segiempat itu berputar ke kedudukan menegak semula, pengaliran arus melaluinya akan terputus tetapi gegelung terus berputar mengikut arah jam kerana inersianya. etiap kali gegelung melalui kedudukan menegak, arah arus melalui gegelung disongsangkan oleh saling pertukaran sentuhan antara komutator dengan berus karbon membolehkan gegelung sentiasa berputar pada arah yang sama. D A C B Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 12

13 Faktor-faktor yang mempengaruhi kelajuan putaran motor elektrik Faktor-faktor Menggunakan arus yang lebih besar Kelajuan putaran motor elektrik Menggunakan magnet yang lebih kuat Meningkatkan bilangan gegelung dawai Meningkatkan diameter dawai gegelung a Latihan 3.2: Daya ke atas konduktor pembawa arus dalam suatu medan magnet. (1) Rajah menunjukkan susunan radas yang digunakan untuk mengkaji kesan medan magnet terhadap rod kuprum yang membawa arus elektrik. (a) Pada rajah, tanda dan labelkan dengan B arah medan magnet. (b) Apabila suis dihidupkan, rod kuprum itu diperhatikan bergolek di atas landasan kuprum. Pada rajah (i) Tanda dan labelkan dengan I arah aliran arus dalam rod kuprum itu. (ii) Tanda dan label dengan F arah gerakan rod kuprum itu. (c) Terangkan bagaimana gerakan rod kuprum itu dihasilkan (2) Apakah yang dimaksudkan dengan medan lastik. Dengan bantuan gambar rajah terangkan bagaimanakah medan lastik terhasil? Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 13

14 3.3 Aruhan elektromagnet Apakah itu aruhan elektromagnet? Aruhan elektromagnet adalah penghasilan daya gerak elektrik (d.g.e) aruhan dalam satu konduktor apabila terdapat perubahan fluks magnet kesan daripada gerakan relatif antara konduktor dan medan magnet. Daya gerak elektrik (d.g.e) aruhan yang terhasil akan mewujudkan arus aruhan yang mengalir dalam konduktor tersebut. Aktiviti : Mengkaji bagaimana aruhan elektromagnet dihasilkan. Aruhan elektromagnet dihasilkan dengan melakukan gerakan relatif antara konduktor dan medan magnet. Gerakan relatif suatu konduktor merentasi satu medan magnet dilakukan dengan: (1) Mengerakkan dengan cepat satu konduktor lurus ke dalam satu medan magnet atau sebaliknya. Galvanometer Wayar penyambung Rod kuprum Magnadur magnet Pemerhatian:... antara rod kuprum dan magnet kekal secara berserenjang menyebabkan jarum galvanometer itu... Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 14

15 (2) Mengerakkan magnet kekal ke dalam suatu solenoid atau sebaliknya. Galvanometer Galvanometer Pemerhatian: Apabila magnet bar digerakkan ke... suatu solenoid, jarum galvanometer terpesong ke satu sisi. Apabila magnet bar... di dalam solenoid, jarum galvanometer kembali ke kedudukan asal. Apabila magnet bar digerakkan ke... dari solenoid itu, jarum galvanometer terpesong ke sisi yang satu lagi. Kesimpulan: Aruhan elektromagnet akan terhasil apabila terdapat... antara konduktor elektrik dan magnet kekal. Bagaimanakah menentukan arah pengaliran arus aruhan? (1) Arah arus aruhan dalam suatu konduktor lurus yang digerakkan secara tegak kepada suatu medan magnet dapat ditentukan dengan menggunakan Petua Tangan Kanan Fleming. Arah medan magnet U Arah arus aruhan Arah gerakan Arah arus aruhan Arah Gerakan Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 15

16 (2) Arah arus aruhan dalam suatu solenoid yang disebabkan oleh gerakan relatif dengan suatu magnet bar dapat ditentukan dengan menggunakan Hukum Lenz. Hukum Lenz: Menyatakan bahawa arus aruhan yang terhasil sentiasa mengalir pada arah yang menentang perubahan fluks magnet yang menghasilkannya. Apabila kutub utara magnet digerakkan ke dalam solenoid, arus aruhan yang terhasil dalam solenoid mengubahkan gegelung itu menjadi sebuah elektromagnet dengan kutub utara solenoid menghadapi kutub utara magnet, dan dengan itu menentang perubahan fluks magnet yang menghasilkannya. Galvanometer Apabila kutub utara magnet ditarik keluar daripada solenoid, arus aruhan yang terhasil dalam solenoid mengubahkan solenoid itu menjadi sebuah elektromagnet dengan kutub selatan solenoid menghadapi kutub utara magnet, dan dengan itu menentang perubahan fluks magnet yang menghasilkannya. Galvanometer Arah arus teraruh yang mengalir melalui solenoid dapat ditentukan dengan menggunakan petua genggaman tangan kanan setelah kekutuban hujung solenoid ditentukan dengan menggunakan hukum Lenz. Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 16

17 Langkah penentuan arah arus aruhan dalam satu solenoid (gegelung): Langkah 1 : Tentukan kutub solenoid yang terhasil daripada arah gerakan relatif yang dilakukan. Langkah 2 : Tentukan arah arus aruhan yang mengalir dalam gegelung dengan menggunakan tangan kanan seperti ini: (Kutub solenoid) Arus Arus Tentukan arah arus aruhan yang mengalir dalam gegelung dan arah pesongan jarum galvanometer. (1) (2) 0 0 (3) (4) 0 0 Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 17

18 Faktor-faktor yang mempengaruhi magnitud arus aruhan Hukum Faraday: Menyatakan bahawa magnitud d.g.e aruhan yang mengalir dalam suatu konduktor adalah berkadar secara langsung dengan kadar perubahan fluks magnet. Apabila d.g.e aruhan dalam suatu konduktor bertambah, arus aruhan yang mengalir melalui konduktor juga akan bertambah. Menurut hukum Faraday: (a) emakin bertambah bilangan lilitan pada gegelung, semakin bertambah arus aruhan yang mengalir dalam konduktor itu. Galvanometer lilitan 2400 lilitan Magnet bar dilepaskan pada ketinggian yang sama. Bilangan lilitan gegelung yang lebih banyak menyebabkan kadar perubahan fluks magnet bertambah, maka magnitud arus aruhan yang terhasil turut bertambah. Pesongan jarum galvanometer bertambah menunjukkan arus aruhan yang terhasil bertambah. Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 18

19 (b) emakin bertambah laju gerakan relatif antara konduktor dan medan magnet, semakin bertambah arus aruhan yang mengalir dalam konduktor itu. Galvanometer lilitan 1200 lilitan Bilangan lilitan dalam kedua-dua gegelung adalah sama. Ketinggian magnet bar yang berbeza sebelum dilepaskan ke dalam gegelung menyebabkan kelajuan magnet bar semasa memasuki gegelung turut berbeza. Ketinggian magnet bar yang dilepaskan pada ketinggian yang lebih tinggi menghasilkan magnitud laju gerakan relatif antara magnet bar dan gegelung bertambah. Pesongan jarum galvanometer bertambah menunjukkan arus aruhan yang terhasil bertambah. Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 19

20 (c) emakin bertambah kekuatan medan magnet, semakin bertambah arus aruhan yang mengalir dalam konduktor itu. Galvanometer lilitan 1200 lilitan Ketinggian magnet bar dan bilangan lilitan adalah sama. Mangnet bar yang lebih kuat menyebabkan perubahan fluks magnet bertambah, maka magnitud arus aruhan yang terhasil turut bertambah. Pesongan jarum galvanometer bertambah menunjukkan arus aruhan yang terhasil bertambah. Penjana arus terus (a.t) Direct current generator (DC) Aplikasi aruhan elektromagnet Penjana arus ulang alik (a.u) Alternating current generator (AC) Gegelung Gegelung Berus karbon Gelang gelincir Berus karbon Komutator Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 20

21 Prinsip kerja penjana arus terus (d.c generator) Pada kedudukan menegak, gegelung bergerak selari dengan medan magnet dan tidak memotong fluks magnet. Oleh itu d.g.e dan arus aruhan adalah sifar. Arus 0 udut putaran Arus Apabila gegelung berputar dari kedudukan menegak ke kedudukan mengufuk, d,g,e dan arus aruhan dalam gegelung bertambah dari sifar ke nilai maksimum udut putaran Apabila gegelung berputar ke kedudukan menegak semula, nilai d.g.e dan arus aruhan berubah dari nilai maksimum ke sifar. Pada kedudukan ini, arus yang melalui gegelung adalah sifar. Arus udut putaran Apabila gegelung melalui kedudukan mengufuk, arus aruhan dalam gegelung mengalir dalam arah yang bertentangan. Kedudukan komutator bertukar dan dengan itu arus dalam litar luar akan sentiasa mengalir dalam arah yang sama. Arus udut putaran Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 21

22 Arus Prinsip kerja penjana arus ulang-alik (a.c generator) Pada kedudukan menegak, gegelung bergerak selari dengan medan dan dengan itu tidak memotong fluks magnet. D.g.e dan arus aruhan adalah sifar. 0 udut putaran Apabila gegelung berputar dari kedudukan menegak ke kedudukan mengufuk, d.g.e dan arus aruhan dalam gegelung bertambah dari sifar ke nilai maksimum. Arus 0 90 udut putaran Apabila gegelung berputar ke kedudukan menegak semula, nilai d.g.e dan arus aruhan berubah dari nilai maksimum ke sifar. Maka, pada kedudukan ini, arus yang melalui gegelung adalah sifar. Arus udut putaran Apabila gegelung melalui kedudukan mengufuknya, arus aruhan dalam gegelung akan mengalir dalam arah yang bertentangan. Arus dalam litar luar mengalir dalam arah yang bertentang. Arus udut putaran Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 22

23 Perbandingan antara arus terus dan arus ulang alik Arus terus (a.t) Arus ulang alik (a.u) umber arus terus OK umber arus ulang alik OK Lukiskan corak arus yang diperhatikan menggunakan Osiloskop inar Katod (OK) Arah arus terus adalah tetap Arah arus ulang alik berubah-ubah Arus terus tidak boleh melalui kapasitor. umber arus terus Arus ulang alik boleh melalui kapasitor. umber arus ulang - alik Kapasitor Kapasitor Perintang Perintang Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 23

24 Latihan 3.3 Aruhan electromagnet. 1. Rajah menunjukkan sebuah dinamo basikal. Dinamo terdiri daripada sebuah magnet kekal yang berputar, teras besi lembut dan satu gegelung tetap. Apabila magnet berputar, arus aruhan dihasilkan. Gegelung Magnet Teras besi lembut (a) Apakah yang dimaksudkan dengan aruhan elektromagnet? Rajah (i) Rajah (ii) (b) Rajah (i) dan Rajah (ii) menunjukkan satu magnet bar dijatuhkan dari satu ketinggian tertentu seterusnya melalui satu gegelung. Gerakan relatif antara magnet dan gegelung menghasilkan satu arus aruhan yang disebabkan perubahan medan magnet berlaku. Bandingkan; (i) Gerakan relatif antara magnet dengan gegelung. (ii) Bilangan lilitan gegelung. (iii) Arus aruhan yang dihasilkan. Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 24

25 (c) yatakan hubungan antara bilangan lilitan gegelung dengan, (i) Magnitud perubahan medan magnet... (ii) Magnitud arus aruhan.... (d) Rajah menunjukkan sebuah penjana a.t. Gegelung berputar G (i) Terangkan bagaimana sebuah penjana a.t berfungsi untuk menghasilkan arus terus (ii) Lukiskan graf arus-masa untuk menerangkan jawapan anda. Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 25

26 3.4 Transformer Transformer ialah alat yang digunakan untuk menaikkan dan menurunkan voltan arus ulang-alik. Transformer digunakan Transformer yang dalam peralatan elektrik digunakan oleh TB truktur sebuah transformer Transformer digunakan dalam sebuah adapter imbol transformer Voltan input Teras besi lembut Voltan output 240 V a.u 12V Gegelung primer Gegelung sekunder truktur transformer ringkas terdiri daripada dua gegelung dawai yang dililit pada teras besi lembut. Gegelung yang disambung kepada bekalan kuasa arus ulang-alik disebut gegelung primer (primary coil). Gegelung yang disambungkan kepada beban disebut gegelung sekunder (secondary coil). Teras besi lembut berfungsi memindahkan fluks magnet yang berubah-ubah dari gegelung primer kepada gegelung sekunder. Prinsip kerja sebuah transformer Prinsip kerja sebuah transformer adalah melibatkan kelektromagnetan dan prinsip aruhan elektromagnet. Apabila arus ulang-alik dengan voltan input, V p dialirkan melalui gegelung primer, suatu medan magnet yang berubah-ubah dihasilkan di sekeliling gegelung primer. Teras besi lembut dimagnetkan dan memindahkan medan magnet yang berubahubah ini kepada gegelung sekunder. Fluks magnet yang berubah-ubah ini dipotong oleh gegelung sekunder, dengan itu menghasilkan d.g.e aruhan dalam gegelung sekunder. D.ge aruhan yang terhasil dalam gegelung sekunder membolehkan satu arus ulang alik dengan voltan output, V s mengalir melalui beban yang disambung merentasi gegelung sekunder. Magnitud voltan output, V s bergantung kepada nisbah bilangan gegelung primer dan bilangan gegelung sekunder. Transformer bekerja menggunakan arus ulang-alik (a.u). Jika arus terus (a.t) digunakan, medan magnet yang terhasil pada gegelung primer adalah tetap. Maka tiada aruhan elektromagnet berlaku pada gegelung sekunder. Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 26

27 Jenis-jenis transformer Transformer injak naik Transformer injak turun Transformer injak naik digunakan untuk menaikkan nilai voltan. Transformer injak turun digunakan untuk menurunkan nilai voltan. V p p s V s V p p s V s Bilangan lilitan gegelung sekunder lebih besar daripada bilangan lilitan gegelung primer. ( s > p ). Bilangan lilitan gegelung sekunder lebih kecil daripada bilangan lilitan gegelung primer. ( s < p ). Voltan output, V s lebih besar daripada voltan input, V p. (V s > V p ). Arus output, I s lebih kecil daripada arus input, I p. (I s < I p ). Voltan output, V s lebih kecil daripada voltan input, V p. (V s < V p ). Arus output, I s lebih besar daripada arus input, I p. (I s > I p ). Aktiviti 3.4: Membina transformer ringkas Prosedur: (1) Lilitkan gegelung primer dan gegelung sekunder masing-masing dengan 50 lilitan dan 25 lilitan dengan dawai bertebat. (2) Hidupkan bekalan arus ulang-alik 1 V dan perhatikan kecerahan mentol X dan Y. (3) Ulangi aktiviti dengan menukarkan kedudukan teras besi itu supaya gegelung primer dan gegelung sekunder masing-masing mempunyai 25 lilitan dan 50 lilitan dawai bertebat. Pemerhatian: Jenis transformer Transformer injak naik Transformer injak turun a Bilangan lilitan Gegelung primer Gegelung sekunder Kecerahan mentol X Y Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 27

28 Hubungan antara bilangan lilitan gegelung primer ( p ), bilangan lilitan gegelung sekunder ( s ), voltan primer (V p ) dan voltan sekunder (V s ). Bilangan lilitan gegelung sekunder Bilangan lilitan gegelung primer Voltan output Voltan input s p V V s p Contoh 1: Tentukan voltan output. Contoh 2: Tentukan voltan output. Penyelesaian: Penyelesaian: Hubungan antara kuasa output dan kuasa input dalam suatu transformer unggul ebuah transformer memindahkan tenaga elektrik dari gegelung primer kepada gegelung sekunder. Kuasa input yang diterima dari bekalan kuasa arus ulang-alik akan dipindahkan dari gegelung primer kepada gegelung sekunder. Bekalan kuasa a.u Kuasa input Kuasa output Peralatan elektrik Dalam suatu transformer unggul, tiada kehilangan tenaga berlaku. ebuah transformer adalah 100 % cekap jika kuasa output transformer itu sama dengan kuasa inputnya. Kuasa input = Kuasa output V p I p = V s I s Kehilangan tenaga dalam suatu transformer Bagi suatu transformer secara praktikalnya akan mengalami kehilangan sebahagian kecil tenaga terutamanya dalam bentuk tenaga haba. Kuasa output akan lebih rendah berbanding kuasa input. Maka, kecekapan transformer kurang daripada 100%. Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 28

29 Kecekapan sebuah transformer Kuasa input Kuasa Output Kuasa hilang Kuasa output Kecekapan transformer = 100 % Kuasa input Vs Is = 100 % Vp Ip Punca kehilangan tenaga dalam transformer (1) Kesan pemanasan arus dalam gegelung Tenaga haba dihasilkan dalam gegelung semasa arus mengalir melaluinya. (2) Kesan pemanasan arus pusar yang teraruh dalam teras besi Arus pusar (eddy current) diaruhkan dalam teras besi apabila berlaku pemotongan fluks medan magnet oleh konduktor. Arus pusar menyebabkan teras besi menjadi panas. (3) Kemagnetan teras besi Tenaga digunakan untuk memagnetkan dan menyahmagnetkan teras besi setiap kali arus ulang alik bertukar arahnya. (4) Kebocoran fluks magnet ebahagian fluks magnet yang dihasilkan dalam gegelung primer tidak dipautkan dengan gegelung sekunder. Kebocoran fluks magnet menggurangkan d.g.e aruhan dalam gegelung sekunder. Cara meningkatkan kecekapan transformer Menggunakan dawai berintangan rendah sebagai gegelung primer dan sekunder. Dawai kuprum biasanya digunakan. Dawai kuprum dapat menggurangkan penghasilkan tenaga haba dalam gegelung. Menggunakan teras besi berlamina (berlapis). Menggurangkan penjanaan arus pusar. Maka tenaga haba yang dihasilkan dapat dikurangkan. Menggunakan teras diperbuat daripada teras besi lembut Besi lembut digunakan kerana besi lembut mudah dimagnetkan dan dinyahmagnetkan. Menggunakan bentuk teras besi yang direka khas. Reka bentuk teras besi tertentu membolehkan fluks magnet yang maksimum dipautkan antara gegelung primer dan sekunder. Melilitkan gegelung primer dan gegelung sekunder lebih rapat antara satu sama lain Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 29

30 Latihan 3.4 : Transformer (1) ebuah transformer mempunyai bilangan lilitan gegelung primer dan sekunder masing-masing ialah 50 lilitan dan 250 lilitan. Jika voltan input ialah 12 V a.u., berapakah voltan outputnya? (2) ebuah transformer yang unggul mempunyai bilangan lilitan gegelung primer dan sekunder masing-masing 2400 lilitan dan 100 lilitan. Jika arus yang mengalir dalam gegelung sekunder ialah 5.0 A dan voltan input 240 V, Berapakah (a) Voltan output? (b) Arus primer? (3) ebuah transformer mengubahkan beza keupayaan suatu arus ulang-alik daripada 240 V kepada 6 V. Jika bilangan lilitan gegelung sekunder ialah 160, berapakah bilangan lilitan gegelung primer? (4) Voltan input dan voltan output sebuah transformer unggul adalah 240 V a.u. dan 12 V a.u. masing-masing. Jika arus primer transformer adalah 5A, berapakah arus sekundernya? (5) ebuah transformer unggul dapat mengurangkan arus yang mengalir dari 1.1 A kepada 0.3 A. Jika voltan input adalah 240 V a.u. berapakah voltan output? (6) Voltan pada gegelung primer sebuah transformer adalah 220 V. Arus primernya ialah 5A manakala arus sekundernya adalah 2A. Jika transformer itu cekap 80%, berapakah voltan output pada gegelung sekundernya? Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 30

31 (7) Gegelung primer sebuah transformer dikenakan beza keupayaan 240 V a.u. dan didapati voltan outputnya ialah 12 V a.u. (a) Jika bilangan lilitan gegelung sekunder ialah 200 lilitan, berapakah bilangan lilitan gegelung primer? (b) Jika sebuah mentol 12V, 48 W disambung merentasi gegelung sekunder, berapakah arus mengalir melalui mentol. (c) Jika arus mengalir melalui gegelung primer ialah 0.3 A, berapakah kecekapan transformer. (8) Jika bilangan lilitan gegelung primer dan gegelung sekunder adalah 2000 dan 100 masing-masing dan voltan input adalah 240 V a.u, tentukan kuasa yang terhasil pada perintang 6? [anggapkan kecekapan transformer adalah 100%] (9) Bekalan 240 V a.u. dari sesalur diturunkan menjadi 12 V a.u. dengan sebuah transformer. Output ini digunakan untuk menghidupkan lima lampu 12V, 24W yang disambungkan selari. Jika arus melalui gegelung primer adalah adalah 0.6 A, berapakah kecekapan transformer itu. (10) ebuah transformer mempunyai kecekapan 80%. Gegelung primer transfomer itu disambungkan ke bekalan 240V. Jika kuasa outputnya adalah 480 W, berapakah nilai arus input? Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 31

32 3.5 Penjanaan dan penghantaran elektrik Tenaga elektrik dijana di stesen-stesen janakuasa elektrik dan dihantar melalui rangkaian kabel yang panjang ke seluruh negara untuk diagihkan kepada pengguna akhir. Penjanaan tenaga elektrik Transformer injak naik Transformer injak turun tesen janakuasa Kabel penghantaran Penghantaran tenaga elektrik Pengagihan tenaga elektrik umber tenaga yang digunakan untuk menjana elektrik umber tenaga yang digunakan untuk menjana tenaga elektrik ialah seperti: umber tenaga yang tidak boleh diperbaharui umber tenaga yang boleh diperbaharui A Kepentingan sumber tenaga yang boleh diperbaharui. Bahan api fosil seperti minyak petroleum mentah, arang batu, gas asli masih merupakan sumber tenaga utama dalam proses penjanaan elektrik. Bahan api fosil tidak kekal selamanya. Apabila habis digunakan, bahan api fosil tidak dapat digantikan atau diperbaharui. Bahan api nuklear juga merupakan sumber tenaga yang tidak boleh diperbaharui. Walau bagaimanapun, bahan api nuklear dapat kekal lebih lama berbanding bahan api fosil. Untuk mengelak krisis tenaga, sumber tenaga yang boleh diperbaharui perlu dieksplotasi sebaik mungkin dengan menjalankan proses penyelidikan dan pembangunan (R&D) seterusnya dikomesialkan. Antara sumber tenaga yang boleh diperbaharui yang kini digunakan ialah kuasa hidro, tenaga solar, kuasa geoterma, kuasa angin dan biojisim. Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 32

33 Penjanaan tenaga elektrik Tenaga elektrik dijana dengan menggunakan penjana elektrik atau dinamo yang besar. Rotor dinamo (magnet) diputarkan oleh turbin stim atau turbin air yang disambung kepadanya. Apabila magnet besar berputar dalam kawasan gegelung dawai pada sebuah penjana, maka terhasil aruhan elektromagnet. Loji-loji penjanaan tenaga elektrik di Malaysia ialah loji kuasa stim dan logi kuasa hidro (air). Loji kuasa stim Dalam loji kuasa stim, bahan api seperti diesel, arang batu, gas asli atau biojisim dibakar untuk mendidihkan air yang seterusnya menghasilkan stim bertekanan tinggi. tim bertekanan tinggi itu kemudiannya digunakan untuk memutarkan turbin yang disambung kepada rotor sebuah penjana. Contoh-contoh sumber tenaga yang digunakan dalam logi kuasa stim: umber tenaga arang batu Arang batu aluran stim Turbin Penjana Kabel penghantaran Dandang Transformer injak naik umber tenaga geoterma Kondenser tim Turbin Penjana Kabel penghantaran Air Geoterma bumi Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 33

34 Logi kuasa hidro Empangan yang dibina bagi menakung air dalam kuantiti yang banyak. Air yang mengalir dengan kelajuan yang sangat tinggi pada aras yang rendah digunakan untuk memutarkan turbin air yang disambung kepada sebuah penjana. Apabila magnet dalam penjana berputar dalam kawasan gegelung, maka aruhan elektromagnet terhasil. umber tenaga hidro Empangan Penjana Transformer Turbin Logi kuasa nuklear Dalam logi kuasa nuklear, tenaga haba yang dihasilkan daripada proses pembelahan nukleus uranium digunakan untuk memanaskan air supaya dapat menghasilkan stim pada tekanan yang amat tinggi. tim bertekanan tinggi itu digunakan untuk memutarkan turbin yang disambung dengan sebuah penjana. Apabila magnet dalam penjana berputar dalam kawasan gegelung dawai, maka aruhan elektromagnet terhasil. umber tenaga nuklear aluran stim umber uranium Turbin Penjana Reaktor nuklear Air Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 34

35 Penghantaran tenaga elektrik Kabel penghantaran Bekalan kuasa a.u Transformer injak naik Transformer injak turun Model penghantaran tenaga elektrik Apabila bekalan kuasa dihidupkan, lampu pada stesen kuasa akan menyala dengan terang manakala lampu pada pengguna menyala dengan malap. Pemerhatian dari model ini menunjukkan wujud kehilangan tenaga dalam kuantiti yang kecil dalam bentuk tenaga haba semasa proses penghantaran. Kehilangan tenaga semasa penghantaran adalah disebabkan oleh rintangan elektrik dalam kabel penghantaran. Jika arus, I mengalir melalui kabel berintangan R semasa t saat, kehilangan tenaga, E yang disebabkan rintangan dalam kabel diukur dengan menggunakan formula berikut: Tenaga hilang, E I Pengukuran kehilangan kuasa, P diukur menggunakan formula : Kuasa hilang, P I 2 Persamaan E I Rt menunjukkan bahawa tenaga elektrik yang hilang semasa penghantaran adalah: (a) Berkadar langsung dengan kuasa dua arus yang mengalir melalui kabel. (b) Berkadar terus dengan rintangan kabel. (c) Berkadar terus dengan tempoh pengaliran arus melalui kabel. 2 2 Rt R Kehilangan tenaga semasa penghantaran tenaga elektrik dapat dikurangkan dengan: (a) Mengurangkan arus yang mengalir melalui kabel. (b) Menggunakan kabel berintangan rendah seperti aluminium dan kuprum. (c) Menghantar tenaga elektrik pada voltan yang tinggi bagi mengurangkan nilai arus mengalir melalui kabel. Peningkatan nilai voltan di stesen janakuasa elektrik dilakukan dengan menggunakan transformer injak naik dan penurunan voltan pada proses pengagihan tenaga elektrik dilakukan dengan menggunakan transformer injak turun. Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 35

36 Contoh 1: Kuasa elektrik dari sebuah stesen kuasa dihantar ke sebuah bandar melalui kabel kuasa berintangan 50. Jika stesen kuasa itu menjanakan 8 MW kuasa, hitungkan kehilangan kuasa dalam kabel jika kuasa dihantar dengan (a) Voltan 80 kv (b) Voltan 400 kv Contoh 2: Cari nilai kehilangan kuasa dalam suatu kabel penghantaran apabila 20 kw kuasa elektrik dihantar melalui kabel berintangan 1.5 apabila (a) 200 V (b) 10 kv Rumah Rangkaian Grid asional Taman perumahan Pejabat/ bangunan komersial Industri ringan 11 kv - 33 kv 240 V 450 V Industri berat 11 kv tesen kuasa 33 kv Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 36

37 Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5 Tahun 2013 Rangkaian grid nasional ialah satu sistem kabel elektrik yang menyambungkan stesen-stesen kuasa di seluruh negara untuk membekalkan tenaga elektrik kepada pengguna di seluruh negara. ITEM GRID AIOAL DI EMEAJUG MALAYIA Di Malaysia, tenaga elektrik dijanakan pada voltan 11 kv hingga 33 kv. Voltan tenaga elektrik yang dijanakan itu kemudiannya dinaikkan dengan menggunakan transformer injak naik sehingga 132 kv sebelum ia dihantar melalui kabel grid. Voltan yang amat tinggi dari kabel grid akan diturunkan secara berperingkatperingkat di substesen-substesen transformer injak turun untuk pengagihan tenaga elektrik ke kawasan-kawasan tertentu. Kepentingan rangkaian grid nasional (a) Menjamin bekalan kuasa elektrik yang berterusan dan mencukupi. Rangkaian grid nasional menjamin bekalan kuasa elektrik berterusan dan mencukupi apabila penjana elektrik atau kabel penghantaran sesuatu kawasan mengalami kerosakan. Kawasan yang mengalami kerosakan penjana atau kabel penghantaran mampu ditanggung oleh penjana lain melalui kabel penghantaran lain dalam sistem grid. (b) Kos penghasilan kuasa elektrik dapat dioptimumkan. Penjanaan kuasa elektrik dapat dikawal dan diselaraskan mengikut keperluan pada waktu-waktu tertentu. emasa waktu keperluan rendah, misalnya pada waktu tengah malam, sesetengah penjana boleh dihentikan untuk menjimatkan kos bahan api dan dengan itu ia dapat mengurangkan kos penjanaan secara keseluruhannya. Cikgu Khairul Anuar, MK eri Mahkota, Kuantan 37