Sains notesnota, bab 7

Keelektrikan dan Kemagnetan

Notes made with reference toNota dibuat dengan rujukan kepada TextbookBuku teks Sains Tingkatan 2 (KSSM), pageshalaman 140-165

What this chapter coversMatlamat bab ini

Saya boleh menghuraikan tenaga, bentuk tenaga dan sumber tenaga (7.1.1)
Saya boleh menerangkan kewujudan cas elektrostatik pada bahan dan cara elektroskop mengesannya (7.1.2)
Saya boleh menjelaskan elektrostatik dalam kehidupan harian dengan contoh seperti kilat dan konduktor kilat, serta menyelesaikan masalah harian berkaitan elektrostatik (7.1.3)
Saya boleh merumuskan bahawa cas yang mengalir menghasilkan arus elektrik (7.1.4)
Saya boleh mencirikan arus, voltan dan rintangan serta unitnya, dan alat yang mengukurnya (7.1.5)
Saya boleh merumuskan perkaitan antara arus, voltan dan rintangan dengan Hukum Ohm, V = IR (7.1.6)
Saya boleh menghuraikan pengaliran arus elektrik, voltan dan rintangan dalam litar bersiri dan litar selari, serta menyelesaikan masalah numerikal (7.2.1)
Saya boleh merumuskan ciri magnet, medan magnet dan garisan medan magnet (7.3.1)
Saya boleh menghuraikan elektromagnet serta corak dan arah medan magnet yang dihasilkan oleh arus (7.3.2)
Saya boleh mengkaji faktor yang mempengaruhi kekuatan medan magnet elektromagnet dan menyatakan kegunaan magnet dan elektromagnet dalam kehidupan harian (7.3.3)

7.1Keelektrikan

Tenaga

Tenaga ialah keupayaan untuk melakukan kerja. Unit S.I. tenaga ialah joule (J). Tenaga tidak boleh dicipta atau dimusnahkan, tetapi boleh wujud dalam pelbagai bentuk. (7.1.1)

Bentuk tenaga	Contoh
Tenaga kinetik	Orang berbasikal, kenderaan yang bergerak
Tenaga keupayaan graviti	Buah pisang pada pokok, buku di rak yang tinggi
Tenaga keupayaan elastik	Busur yang ditarik, getah yang diregangkan
Tenaga haba	Api dapur gas
Tenaga cahaya, bunyi, elektrik	Mentol yang menyala, xilofon, seterika
Tenaga kimia	Makanan, bahan api
Tenaga nuklear	Loji kuasa nuklear

Sumber tenaga (Rajah 7.1): Matahari, angin, ombak, air, geoterma, biojisim, bahan api fosil dan bahan radioaktif. Tumbuhan memerlukan tenaga daripada Matahari, manakala kereta memerlukan tenaga daripada bahan api.

Namakan bentuk tenaga dalam (a) air yang mendidih, (b) seekor ayam yang sedang berlari, (c) spring yang dimampatkan.

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

(a) tenaga haba, (b) tenaga kinetik, (c) tenaga keupayaan elastik.

Cas elektrostatik

Cas elektrostatik ialah cas elektrik statik pada permukaan bahan. Cas elektrik terdiri daripada cas positif (proton) dan cas negatif (elektron). Cas-cas yang sama jenis akan saling menolak; cas-cas yang berlainan jenis akan saling menarik. Daya tarikan dan tolakan ini dikenali sebagai daya elektrostatik. (7.1.2)

Apabila dua bahan yang berlainan jenis digosok bersama, hanya elektron yang dipindahkan daripada satu bahan ke bahan yang lain. Proton tidak bergerak.
Bahan yang menerima elektron akan bercas negatif. Bahan yang kehilangan elektron akan bercas positif.
Bahan yang mempunyai bilangan proton dan elektron yang sama ialah neutral.

Tiga bulatan: proton lebih daripada elektron (bercas positif), elektron lebih daripada proton (bercas negatif), proton dan elektron sama (neutral) — Cas bergantung pada bilangan elektron berbanding proton (Rajah 7.3, m.s. 145).

Rajah daripada buku teks Sains Tingkatan 2 (KSSM), Rajah 7.3, m.s. 145.

Mengapa sikat plastik yang digosok menarik cebisan kertas

1. Sikat plastik digosok dengan kain bulu. Sikat menerima elektron daripada kain bulu dan bercas negatif.
2. Cebisan kertas bercas neutral, tetapi ada daya tarikan antara cas negatif pada sikat dengan cas positif pada kertas.
3. Cebisan kertas tertarik kepada sikat. (Rajah 7.4, m.s. 145)

Menulis bahawa "proton berpindah ke sikat". Proton tidak bergerak semasa bahan digosok. Hanya elektron yang dipindahkan.

Sebatang rod politena digosok dengan kain bulu dan menjadi bercas negatif. Adakah rod itu menerima atau kehilangan elektron? Apakah cas pada kain bulu?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Rod menerima elektron. Kain bulu kehilangan elektron, maka kain bulu bercas positif.

Elektroskop

Elektroskop ialah alat yang digunakan untuk mengesan kewujudan cas elektrik pada suatu objek. Bahagiannya: ceper logam, penebat dan kerajang emas. Apabila jalur bercas disentuhkan pada ceper logam, cas mengalir ke kerajang emas dan batang logam. Kedua-duanya mempunyai cas yang sama, maka kerajang emas mencapah kerana cas yang sama saling menolak. Semakin jauh pencapahan, semakin banyak kuantiti cas elektrostatik yang terkumpul. (Elektroskop daun emas pertama dicipta oleh Abraham Bennet pada tahun 1787.)

Rajah daripada buku teks Sains Tingkatan 2 (KSSM), Rajah 7.5, m.s. 146.

Elektrostatik dalam kehidupan harian

Situasi	Penerangan
Kilat	Geseran antara awan dengan udara menyebabkan awan dicas dengan cas elektrik: bahagian atas awan bercas positif dan bahagian bawah bercas negatif. Kilat berlaku kerana daya tarikan antara cas negatif di dalam awan dengan cas positif di permukaan Bumi. Penjana Van de Graaff atau mesin Wimhurst di makmal menunjukkan simulasi kilat.
Konduktor kilat	Dipasang pada bangunan untuk menyediakan satu lintasan bagi cas elektrik daripada kilat masuk ke dalam Bumi (pembumian), supaya bangunan tidak disambar kilat.
Skrin TV cepat berhabuk	Cas negatif pada habuk tertarik kepada cas positif pada skrin TV. Gunakan kain mikro gentian yang merupakan bahan anti-elektrostatik.
Renjatan elektrik pada pemegang pintu	Berlaku akibat pemindahan cas elektrik antara badan dengan pemegang pintu yang mempunyai cas statik.

Awan bercas positif di atas dan negatif di bawah, kilat menuju Bumi yang bercas positif — Kejadian kilat (Rajah 7.6, m.s. 146).

Rajah daripada buku teks Sains Tingkatan 2 (KSSM), Rajah 7.6, m.s. 146.

Aktiviti 7.4 (m.s. 147) meminta anda memilih fabrik untuk cuaca panas dan merancang perlindungan yang selamat semasa ribut petir (konsep Faraday's cage). Penjana Van de Graaff tidak berfungsi baik semasa cuaca lembap kerana wap air yang banyak di udara menghalang pengumpulan cas pada suatu objek (jawapan buku, m.s. 164).

Mengapakah bangunan yang tinggi dipasang konduktor kilat?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Untuk menyediakan lintasan bagi cas elektrik daripada kilat masuk ke dalam Bumi, supaya bangunan tidak disambar kilat.

Arus elektrik, voltan dan rintangan

Cas elektrik diperlukan untuk membolehkan peralatan elektrik berfungsi. Tenaga untuk mengalirkan cas dijana oleh penjana elektrik, sel kering dan sel suria. Dalam Aktiviti 7.5, penunjuk galvanometer terpesong apabila penjana Van de Graaff dihidupkan, menunjukkan ada arus elektrik. (Galvanometer digunakan untuk mengesan arus elektrik yang kecil.)

Arus elektrik ialah kadar pengaliran cas elektrik melalui suatu konduktor. Diukur dengan ammeter; unit S.I. ialah ampere (A). (7.1.4)
Voltan ialah beza upaya antara dua titik. Diukur dengan voltmeter; unit ialah volt (V). (7.1.5)
Rintangan ialah keupayaan suatu konduktor untuk mengehadkan atau menentang aliran arus elektrik melaluinya; unit ialah ohm (Ω). (7.1.6)

Kuantiti	Simbol	Unit	Alat pengukur	Cara sambungan
Arus	I	ampere (A)	Ammeter	Secara bersiri
Voltan	V	volt (V)	Voltmeter	Secara selari dengan komponen (mentol)
Rintangan	R	ohm (Ω)	Dikira: R = V ÷ I	-

Aktiviti 7.6: apabila bilangan sel kering bertambah, voltan bertambah, arus bertambah dan mentol menjadi lebih cerah.
Perintang piawai mempunyai rintangan yang tetap; perintang boleh ubah (reostat) mempunyai rintangan yang boleh diubah.
Eksperimen 7.1A: semakin panjang dawai nikrom, semakin besar rintangan dan semakin kecil arus yang mengalir.
Eksperimen 7.1B: semakin besar voltan, semakin besar arus yang mengalir.

Hukum Ohm: arus elektrik yang mengalir melalui suatu konduktor adalah berkadar terus dengan voltan yang merentasi dua hujung konduktor dengan syarat suhu dan keadaan fizik lain adalah tetap.
V = IR I = V ÷ R R = V ÷ I

Graf arus melawan voltan: garis lurus melalui asalan — Graf garis lurus melalui asalan: arus berkadar terus dengan voltan. Di sini R = 4.5 V ÷ 0.75 A = 6 Ω.

Contoh pengiraan (Latihan Formatif 7.1, soalan 3)

Sebiji lampu kereta mengalirkan arus 0.025 A apabila disambungkan kepada akumulator 12 V.
R = V ÷ I = 12 ÷ 0.025 = 480 Ω.

Contoh lain

Mentol kereta mengalirkan arus 0.5 A daripada bateri 12 V. R = 12 ÷ 0.5 = 24 Ω.
Pada 6 V: I = 6 ÷ 24 = 0.25 A.

Sebuah perintang 15 Ω dialiri arus 0.4 A. Berapakah voltan yang merentasinya?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

V = IR = 0.4 × 15 = 6 V.

7.2Pengaliran arus elektrik dalam litar bersiri dan litar selari

Arus elektrik memerlukan suatu laluan yang lengkap supaya dapat mengalir. Laluan ini dikenali sebagai litar elektrik. Komponen litar diwakili oleh simbol (Jadual 7.1) untuk melukis rajah litar. (7.2.1)

Jadual simbol: suis, sel kering, voltmeter, galvanometer, ammeter, mentol, perintang, fius, perintang boleh ubah — Komponen elektrik dan simbolnya (Jadual 7.1, m.s. 153).

Jadual daripada buku teks Sains Tingkatan 2 (KSSM), Jadual 7.1, m.s. 153.

Litar bersiri terdiri daripada komponen elektrik yang disambung secara bersebelahan bagi membentuk satu laluan tunggal untuk arus mengalir.
Litar selari ialah litar yang dibahagikan kepada lebih daripada satu cabang laluan arus elektrik dan mempunyai komponen elektrik di setiap cabang.

Rajah litar bersiri dengan tiga mentol dan litar selari dengan tiga mentol — Kiri: litar bersiri. Kanan: litar selari (Rajah 7.8 dan 7.9, m.s. 153).

Rajah daripada buku teks Sains Tingkatan 2 (KSSM), Rajah 7.8 dan 7.9, m.s. 153.

	Litar bersiri	Litar selari
Laluan	Satu laluan	Lebih daripada satu laluan
Arus	I = I₁ = I₂	I = I₁ + I₂
Voltan	V = V₁ + V₂	V = V₁ = V₂
Rintangan berkesan	R = R₁ + R₂	1/R = 1/R₁ + 1/R₂
Kelebihan	Setiap komponen menerima kuantiti arus yang sama. Semua komponen dikawal oleh suis yang sama. Penambahan voltan membekalkan arus yang lebih besar.	Setiap alat elektrik boleh dihidupkan atau dimatikan secara berasingan. Penambahan alat elektrik tidak menjejaskan fungsi alat lain dalam litar yang sama.
Kekurangan	Kerosakan pada satu alat menyebabkan alat lain tidak berfungsi. Pemasangan lebih banyak alat menyebabkan rintangan bertambah dan arus berkurang. Alat tidak boleh dipadamkan secara berasingan.	Voltan setiap alat tidak dapat dikawal kerana voltannya sama dengan voltan sumber.

Sistem pendawaian di rumah disambung secara selari, supaya setiap lampu memperoleh voltan yang sama daripada bekalan kuasa utama. Arus daripada bekalan kuasa utama ke litar masing-masing dikawal oleh papan agihan. Dalam litar selari, rintangan berkesan sentiasa lebih kecil daripada rintangan perintang yang terkecil.

Masalah numerikal: litar bersiri

Sel 6 V disambung bersiri dengan dua perintang 2 ohm — Litar bersiri: sel 6 V, R₁ = 2 Ω, R₂ = 2 Ω (seperti Rajah 7.12, m.s. 156).

Langkah penyelesaian

(a) R = R₁ + R₂ = 2 + 2 = 4 Ω
(b) I = V ÷ R = 6 ÷ 4 = 1.5 A
(c) V₁ = IR₁ = 1.5 × 2 = 3 V; V₂ = IR₂ = 1.5 × 2 = 3 V. Semak: 3 + 3 = 6 V.

Masalah numerikal: litar selari

Sel 6 V disambung kepada dua perintang 2 ohm secara selari — Litar selari: sel 6 V, R₁ = 2 Ω, R₂ = 2 Ω (seperti Rajah 7.13, m.s. 157).

Langkah penyelesaian

(a) 1/R = 1/2 + 1/2 = 1, maka R = 1 Ω
(b) Voltan yang merentasi setiap perintang = 6 V
(c) I₁ = 6 ÷ 2 = 3 A; I₂ = 6 ÷ 2 = 3 A; I = I₁ + I₂ = 6 A. Semak: 6 ÷ 1 = 6 A.

Menjumlahkan rintangan dalam litar selari, atau terlupa menyongsangkan 1/R. Selesaikan sehingga R = 1 ÷ (1/R).

Arah aliran: elektron bergerak dari terminal negatif ke terminal positif sumber elektrik. Arah arus pula dari terminal positif ke terminal negatif, iaitu bertentangan dengan arah elektron.

Dua perintang 10 Ω disambung (i) secara bersiri, (ii) secara selari. Hitungkan rintangan berkesan dalam kedua-dua kes.

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

(i) 10 + 10 = 20 Ω. (ii) 1/R = 1/10 + 1/10 = 2/10, maka R = 5 Ω.

7.3Kemagnetan

Magnet menarik bahan magnet (besi, keluli, kobalt dan nikel). Medan magnet ialah kawasan di sekitar magnet yang wujud kesan daya oleh magnet. Magnet semula jadi ialah batu magnet; magnet buatan manusia dibuat daripada besi, keluli, kobalt dan nikel. (7.3.1)

Sifat magnet

Menarik bahan magnet.
Berkutub: kutub utara dan kutub selatan.
Kutub sama jenis menolak, kutub berlainan jenis menarik.
Menunjukkan arah utara-selatan apabila digantung secara bebas.

Garisan medan magnet

Rajah daripada buku teks Sains Tingkatan 2 (KSSM), Rajah 7.16, m.s. 159.

Garisan medan magnet mengarah dari kutub utara ke kutub selatan magnet.
Garisan medan magnet tidak akan bertemu atau bersilang.
Garisan lebih rapat antara satu sama lain di kawasan yang mempunyai medan magnet yang lebih kuat (dekat kutub).
Medan magnet di antara dua kutub yang sama menghasilkan satu titik neutral (X) yang tidak mempunyai sebarang medan magnet.

Aktiviti 7.9: serbuk besi pada kad nipis di atas magnet bar membentuk corak medan magnet. Garisan paling banyak ditemui pada kutub magnet. Kompas diletakkan di sekeliling magnet untuk menunjukkan arah medan.

Elektromagnet

Elektromagnet ialah sejenis magnet yang mempunyai kesan magnet untuk sementara waktu apabila arus elektrik dialirkan melaluinya. Contoh: loceng elektrik. (7.3.2)

Corak medan magnet bagi dawai lurus, dawai gelung dan solenoid — Corak dan arah medan magnet yang dihasilkan oleh konduktor yang membawa arus (Rajah 7.20, m.s. 161).

Rajah daripada buku teks Sains Tingkatan 2 (KSSM), Rajah 7.20, m.s. 161.

Corak medan magnet bergantung pada bentuk konduktor: dawai lurus menghasilkan garisan berbentuk bulatan sepusat; dawai gelung dan solenoid menghasilkan corak yang lain (Rajah 7.20).
Garisan lebih rapat di kawasan yang mempunyai medan magnet lebih kuat. Kekuatan medan berkurang apabila menjauhi pusat konduktor.
Corak tidak dipengaruhi oleh arah arus, tetapi arah medan magnet ditentukan oleh arah arus elektrik. Menyongsangkan arus menyongsangkan arah medan.
Petua genggaman tangan kanan (dawai lurus): ibu jari menunjuk arah arus, jari-jari yang melingkar menunjukkan arah medan magnet.
Solenoid: arus yang mengalir mengikut lawan arah jam ialah kutub utara; arus mengikut arah jam ialah kutub selatan (pada hujung yang dilihat).

Tangan kanan menggenggam dawai lurus, ibu jari menunjuk arah arus — Petua genggaman tangan kanan (Rajah 7.19, m.s. 160).

Rajah daripada buku teks Sains Tingkatan 2 (KSSM), Rajah 7.19, m.s. 160.

Kekutuban solenoid ditentukan oleh arah aliran arus — Kekutuban solenoid (Info Sains, m.s. 161).

Rajah daripada buku teks Sains Tingkatan 2 (KSSM), Info Sains, m.s. 161.

Kekuatan elektromagnet (Eksperimen 7.2)

Pemboleh ubah dimanipulasikan	Pemboleh ubah dimalarkan	Pemboleh ubah bergerak balas	Kesimpulan
Arus (0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5 A)	Bilangan lilitan gegelung (10 lilitan)	Bilangan jarum peniti yang ditarik	Semakin besar arus, semakin kuat medan magnet
Bilangan lilitan (10, 20, 30, 40, 50)	Arus (0.5 A)	Bilangan jarum peniti yang ditarik	Semakin banyak lilitan, semakin kuat medan magnet

Ujian adil: apabila mengubah arus, malarkan bilangan lilitan; apabila mengubah bilangan lilitan, malarkan arus. Reostat digunakan untuk melaraskan arus.

Kegunaan magnet dan elektromagnet dalam kehidupan harian

Jarum kompas menggunakan magnet untuk menunjukkan arah kutub.
Kad kredit dan kad debit mempunyai jalur magnet yang menyimpan maklumat.
Kunci bermagnet pada pintu menggunakan elektromagnet untuk mengunci pintu secara automatik.
Loceng elektrik menggunakan elektromagnet.
Elektromagnet yang kuat (banyak lilitan gegelung) digunakan untuk mengangkat besi buangan (Masteri KBAT 7).

Menganggap bahan yang ditarik oleh magnet pasti ialah magnet. Bahan itu mungkin hanya bahan magnet (besi, keluli, kobalt, nikel). Hanya tolakan membuktikan sesuatu itu magnet.

Namakan dua cara menguatkan elektromagnet.

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Menambah arus yang mengalir (misalnya menambah sel kering) dan menambah bilangan lilitan gegelung.