Sains notesnota, bab 6

Elektrik dan Kemagnetan

Notes made with reference toNota dibuat dengan rujukan kepada TextbookBuku teks Sains Tingkatan 3 (KSSM), pageshalaman 160-207

What this chapter coversMatlamat bab ini

Saya boleh memerihalkan sumber tenaga boleh baharu dan sumber tenaga tidak boleh baharu (6.1.1)
Saya boleh menerangkan dengan contoh proses penjanaan tenaga elektrik daripada pelbagai sumber tenaga, termasuk arus aruhan apabila garis medan magnet dipotong (6.1.2)
Saya boleh membezakan arus terus (a.t.) dengan arus ulang-alik (a.u.) dan menggunakan O.S.K. untuk membaca bentuk graf, arah arus dan voltan (6.1.3)
Saya boleh menyelesaikan masalah berkaitan bekalan tenaga elektrik dalam kehidupan (6.1.4)
Saya boleh membina dan mengkaji transformer injak naik dan injak turun, dan menerangkan fungsinya dalam peralatan elektrik di rumah (6.2.1, 6.2.2)
Saya boleh menyelesaikan masalah transformer dengan rumus Vp/Vs = Np/Ns (6.2.3)
Saya boleh menerangkan fungsi komponen dalam sistem penghantaran dan pengagihan tenaga elektrik (6.3.1)
Saya boleh menerangkan pembekalan elektrik dan sistem pendawaian di rumah, palam 3-pin dan 2-pin, serta kod warna dawai (6.3.2)
Saya boleh membezakan komponen keselamatan seperti fius, dawai bumi, MCB, ELCB dan pengalir kilat, dan berkomunikasi tentang keselamatan elektrik (6.3.3, 6.3.4)
Saya boleh mendefinisikan kecekapan tenaga dan menyenaraikan teknologi yang cekap tenaga (6.4.1, 6.4.2)
Saya boleh menghitung kuasa, arus, tenaga elektrik (kWj) dan kos penggunaan tenaga elektrik (6.4.3, 6.4.4)
Saya boleh berkomunikasi tentang kaedah penjimatan tenaga elektrik dan bangunan hijau (6.4.5, 6.4.6)

6.1Penjanaan tenaga elektrik

Sumber tenaga (6.1.1)

Sumber tenaga boleh baharu
Boleh digantikan secara berterusan dan tidak akan habis.
Tenaga hidro, ombak, solar, pasang surut, angin, biojisim dan geoterma.

Sumber tenaga tidak boleh baharu
Tidak boleh diganti dan akan habis digunakan.
Tenaga nuklear, arang batu, gas asli dan petroleum (diesel).

Malaysia menggunakan kedua-dua kumpulan. Contoh daripada buku teks: stesen hidroelektrik Bakun di Sarawak (tenaga hidro), stesen Tuanku Jaafar di Negeri Sembilan (gas asli), stesen Sultan Azlan Shah di Manjung, Perak (arang batu), stesen Gelugor di Pulau Pinang (diesel), stesen biojisim di Sabah dan stesen hibrid di Pulau Perhentian Kecil, Terengganu (angin, solar dan diesel).

Arus aruhan (6.1.2)

Generator ialah alat yang digunakan untuk menjana tenaga elektrik. Apabila garis medan magnet dipotong oleh dawai atau solenoid, satu arus yang dikenali sebagai arus aruhan dihasilkan. Michael Faraday mengkaji perkara ini pada tahun 1831.

Garis medan magnet dipotong dengan dua cara, dan kedua-duanya memesongkan jarum galvanometer:

Gerakan dawai atau solenoid melalui ruang antara kutub magnet.
Gerakan magnet supaya dawai atau solenoid memotong garis medan magnet.

Empat susunan dengan galvanometer: dawai digerakkan antara kutub magnet berbentuk U, solenoid digerakkan pada magnet bar, magnet berbentuk U digerakkan pada dawai dan magnet bar digerakkan dalam solenoid — Rajah 6.3 hingga 6.6: jarum galvanometer terpesong apabila dawai, solenoid atau magnet bergerak sehingga garis medan magnet dipotong.

Rajah daripada buku teks Sains Tingkatan 3 (KSSM) m.s. 164.

Menyangka magnet dan gegelung yang pegun juga menghasilkan arus. Jika magnet dan gegelung kedua-duanya pegun, garis medan magnet tidak dipotong, maka tiada arus aruhan dan jarum galvanometer kekal pada sifar (Aktiviti 6.1 dan 6.2).

Dalam Aktiviti 6.2, generator a.t. yang ringkas (angker, magnet magnadur, komutator dan berus karbon) menyalakan LED hanya apabila gandar diputarkan. Tenaga kinetik putaran ditukarkan kepada tenaga elektrik.

Sebuah magnet dipegang pegun di dalam gegelung yang disambung kepada galvanometer. Adakah jarum terpesong? Terangkan.

Tunjukkan jawapanSembunyikan jawapan

Tidak. Garis medan magnet tidak dipotong, maka tiada arus aruhan. Jarum terpesong hanya semasa magnet atau gegelung bergerak.

Stesen jana kuasa (6.1.2)

Kebanyakan stesen jana kuasa memutarkan turbin yang disambung kepada penjana. Perbezaannya ialah cara turbin diputarkan.

Stesen jana kuasa	Apa yang memutarkan turbin	Perubahan bentuk tenaga
Terma (diesel, gas asli, arang batu)	Stim daripada air yang dididihkan oleh pembakaran bahan api	Kimia → haba → kinetik → elektrik
Nuklear	Stim daripada air yang dididihkan oleh tindak balas nuklear (uranium)	Nuklear → haba → kinetik → elektrik
Biojisim	Stim daripada air yang dididihkan oleh pembakaran metana yang dihasilkan oleh biojisim	Kimia → haba → kinetik → elektrik
Hidroelektrik	Air mengalir dari aras tinggi (empangan) ke aras rendah	Keupayaan graviti → kinetik → elektrik
Tenaga angin	Angin menggerakkan bilah, bilah memutarkan turbin	Kinetik → elektrik
Solar	Tiada turbin: panel suria menukarkan tenaga cahaya terus kepada tenaga elektrik	Cahaya → elektrik

Stesen jana kuasa terma: bahan api memanaskan dandang, stim memutarkan turbin yang disambung kepada penjana, stim disejukkan dalam kondenser oleh air laut — Stesen jana kuasa terma: dandang, turbin, penjana dan kondenser.

Rajah daripada buku teks Sains Tingkatan 3 (KSSM) m.s. 167 (Rajah 6.8).

Stim, angin dan air mengalir melakukan kerja yang sama: memberi tenaga kinetik kepada turbin. Penjana menukarkannya kepada tenaga elektrik.

Arus terus dan arus ulang-alik (6.1.3)

	Arus terus (a.t.)	Arus ulang-alik (a.u.)
Arah	Mengalir dalam satu arah sahaja	Arah aliran berubah-ubah secara berterusan
Sumber	Sel suria, akumulator, bateri	Penjana di stesen jana kuasa, bekalan sesalur 240 V
Alat	Lampu suluh, kalkulator, kereta mainan	Pembakar roti, pengering rambut, pendingin hawa
Paparan pada O.S.K.	Garis lurus mengufuk (voltan tetap)	Gelombang yang naik dan turun di atas dan di bawah garis sifar

Osiloskop sinar katod (O.S.K.)

O.S.K. ialah alat elektronik yang menunjukkan perbezaan bentuk graf, arah arus dan perubahan voltan bagi a.t. dan a.u. Voltan ditentukan dengan mendarab anjakan dengan nilai gandaan-Y.

Gandaan-Y mengubah magnitud ketinggian tompok cahaya; pesongan-Y dan pesongan-X melaraskan kedudukan tompok secara menegak dan mengufuk.
Dasar-masa mengawal pergerakan tompok cahaya melintasi skrin secara mengufuk.
Tombol keamatan mengawal kecerahan; tombol fokus mengawal ketajaman tompok.
Suis a.t./a.u. dipilih mengikut jenis input.

Tiga skrin O.S.K.: garis lurus di atas pusat bagi sel kering, garis lurus di bawah pusat apabila sel disongsangkan dan gelombang bagi bekalan a.u. — Dengan dasar-masa dihidupkan (Aktiviti 6.4). Menyongsangkan sel a.t. memindahkan garis ke sebelah lain garis sifar; a.u. menghasilkan gelombang.

Contoh: voltan daripada paparan O.S.K.

Sel kering disambung pada input-Y dengan gandaan-Y 0.5 V/bahagian. Garis berada 3 bahagian di atas garis sifar.
Voltan = anjakan × gandaan-Y = 3 × 0.5 = 1.5 V.

Paparan sebuah bekalan ialah garis lurus 2 bahagian di bawah garis sifar dengan gandaan-Y 1 V/bahagian. Apakah jenis arus dan voltannya?

Tunjukkan jawapanSembunyikan jawapan

Garis lurus bermakna arus terus. Voltan = 2 × 1 = 2 V. Berada di bawah garis sifar bermakna terminal disambung secara songsang.

Penyelesaian masalah bekalan elektrik (6.1.4)

Di kawasan pedalaman yang tiada bekalan elektrik, model atau inovasi penjana (Aktiviti 6.5) perlu menggunakan turbin dan penjana tanpa menjejaskan alam sekitar, misalnya sumber boleh baharu seperti air, angin atau cahaya matahari. Contoh inovasi dalam buku teks: atap dengan sel suria dan penghantaran tenaga elektrik tanpa wayar.

6.2Transformer

Transformer ialah alat mengubah voltan bagi arus ulang-alik. Transformer ringkas terdiri daripada satu teras besi lembut berlamina yang dililit oleh dua gegelung dawai bertebat: gegelung primer (input) dan gegelung sekunder (output).

Transformer injak naik dengan lilitan primer yang sedikit dan sekunder yang banyak, dan transformer injak turun dengan lilitan primer yang banyak dan sekunder yang sedikit, beserta simbol — Transformer injak naik dan transformer injak turun.

Rajah daripada buku teks Sains Tingkatan 3 (KSSM) m.s. 178 (Jadual 6.1).

	Transformer injak naik	Transformer injak turun
Voltan	V_p lebih rendah daripada V_s	V_p lebih tinggi daripada V_s
Lilitan	N_p kurang daripada N_s	N_p lebih banyak daripada N_s
Contoh	Di stesen transformer injak naik sebelum penghantaran	Pengecas telefon bimbit, pengecas bateri komputer riba, kotak kawalan kelajuan kipas siling

Eksperimen 6.1 (6.2.1)

Pemboleh ubah dimanipulasikan ialah bilangan lilitan gegelung sekunder, pemboleh ubah bergerak balas ialah kecerahan mentol dan pemboleh ubah dimalarkan ialah bilangan lilitan gegelung primer (30 lilitan). Dengan bekalan a.u. 2 V:

N_p	N_s	Kecerahan mentol S berbanding mentol P	Jenis
30	15	Lebih malap (V_s lebih rendah)	Injak turun
30	60	Lebih cerah (V_s lebih tinggi)	Injak naik

Kesimpulan: jika N_p > N_s, V_p > V_s (injak turun); jika N_p < N_s, V_p < V_s (injak naik). Hipotesis diterima.

Transformer dalam peralatan di rumah (6.2.2)

Bekalan di rumah ialah 240 V a.u., tetapi kebanyakan peralatan elektrik menggunakan transformer. Arus aruhan yang terbentuk dalam teras besi dikenali sebagai arus pusar; arus ini mengurangkan kecekapan transformer. Teras besi berlamina (lapisan besi lembut dan lapisan penebat yang disusun berselang-seli) mengurangkan arus pusar dan meningkatkan kecekapan.

Rumus transformer (6.2.3)

V_p / V_s = N_p / N_s
V_p = voltan primer (input), V_s = voltan sekunder (output), N_p dan N_s = bilangan lilitan gegelung primer dan sekunder.

Contoh daripada buku teks (m.s. 182)

Mentol 40 V disambung ke bekalan 240 V melalui transformer. N_p = 120. Cari N_s.
240 / 40 = 120 / N_s → N_s = 120 × 40 / 240 = 20 lilitan. V_s lebih rendah daripada V_p, maka transformer injak turun.

Contoh: mencari voltan sekunder

N_p = 500, N_s = 2 000 dan V_p = 12 V.
V_s = V_p × N_s / N_p = 12 × 2 000 / 500 = 48 V (injak naik).

Menggunakan transformer dengan bateri (a.t.). Arus terus tidak menghasilkan medan magnet yang berubah dalam teras, maka tiada voltan output pada gegelung sekunder. Transformer hanya berfungsi dengan arus ulang-alik.

Gegelung primer sebuah transformer mempunyai 100 lilitan dan gegelung sekunder 20 lilitan. Voltan primer ialah 10 V. Hitung voltan sekunder.

Tunjukkan jawapanSembunyikan jawapan

V_s = 10 × 20 / 100 = 2 V. Ini transformer injak turun.

6.3Penghantaran dan pengagihan tenaga elektrik

Dari stesen jana kuasa ke rumah (6.3.1)

Carta alir: stesen jana kuasa 11 atau 25 kV, stesen transformer injak naik ke 132, 275 atau 500 kV, Rangkaian Grid Nasional, pencawang masuk utama dengan lapangan suis pada 33 kV, stesen transformer injak turun, pengguna 240 V — Sistem penghantaran dan pengagihan tenaga elektrik.

Berdasarkan Rajah 6.28, buku teks Sains Tingkatan 3 (KSSM) m.s. 184.

Komponen	Fungsi
Stesen jana kuasa	Penjana lazimnya menghasilkan a.u. pada 11 kV atau 25 kV
Stesen transformer injak naik	Menaikkan voltan a.u. kepada 132 kV, 275 kV atau 500 kV
Rangkaian Grid Nasional	Rangkaian kabel penghantaran yang membawa a.u. voltan tinggi dalam jarak jauh
Lapangan suis (di pencawang masuk utama)	Membolehkan tenaga elektrik dihantar ke pencawang bahagian apabila diperlukan dan membolehkan stesen jana kuasa atau grid tertentu ditutup untuk penyelenggaraan tanpa memotong bekalan kepada pengguna
Stesen transformer injak turun (pencawang masuk utama dan pencawang bahagian)	Menurunkan voltan secara beransur-ansur mengikut keperluan pengguna: 33 kV (industri berat), 11 kV (industri ringan) dan 240 V (pejabat, perniagaan dan perumahan); Rajah 6.28 menandakan 415 V bagi pejabat dan hospital

Medan elektromagnet yang kuat dihasilkan oleh a.u. voltan tinggi pada kabel di pilon Rangkaian Grid Nasional dan dapat dikesan berhampiran pilon, misalnya dengan kompas (Aktiviti 6.7). Isu kesannya terhadap kediaman yang berhampiran dan kesihatan penghuni dibincangkan dalam aktiviti itu.

Sistem pendawaian di rumah (6.3.2)

Pendawaian satu fasa: sesuai dan cukup stabil bagi penggunaan tidak melebihi 10 kW atau 50 A, seperti di kawasan perumahan luar bandar.
Pendawaian tiga fasa: lebih stabil dan boleh dipercayai; lazimnya digunakan di kawasan komersial dan industri yang menggunakan lebih daripada 10 kW atau 50 A.

Wayar dari kabel utama terdiri daripada dawai hidup (240 V) dan dawai neutral (0 V). Wayar itu melalui kotak fius utama, meter elektrik (menyukat jumlah unit tenaga yang digunakan) dan unit pengguna: suis utama, ELCB (memutuskan litar apabila arus berlebihan mengalir melaluinya) dan MCB (mengasingkan litar akhir ke litar pencahayaan, litar kuasa, litar pemanas dan litar alat pendingin hawa). Litar pencahayaan terdiri daripada dawai hidup dan dawai neutral; litar kuasa terdiri daripada dawai hidup, dawai neutral dan dawai bumi.

Palam 3-pin dan palam 2-pin

Palam 3-pin dengan dawai bumi belang kuning dan hijau, dawai neutral biru, dawai hidup perang dan fius 13 A — Kod warna antarabangsa dalam pendawaian palam 3-pin.

Rajah daripada buku teks Sains Tingkatan 3 (KSSM) m.s. 190 (Rajah 6.32).

Dawai	Warna
Dawai hidup	Perang
Dawai neutral	Biru
Dawai bumi	Belang kuning dan hijau

Palam 3-pin digunakan oleh cerek elektrik dan seterika. Palam 2-pin digunakan oleh pengering rambut dan berus gigi elektrik.

Komponen keselamatan (6.3.3)

Komponen	Fungsi
Fius	Wayar halus yang pendek, mudah panas dan melebur apabila arus lebih besar daripada nilai fius, lalu memutuskan bekalan arus
Dawai bumi	Menyambungkan bekas logam peralatan ke Bumi. Jika bekas logam menjadi hidup, arus yang besar mengalir ke Bumi melalui dawai bumi, bukan melalui orang yang menyentuhnya, dan meleburkan fius
MCB (Miniature Circuit Breaker)	Pemutus litar yang mengasingkan litar akhir dan memutuskan litar apabila arus terlalu besar
ELCB (Earth Leakage Circuit Breaker)	Pemutus litar yang memutuskan litar apabila arus berlebihan mengalir melaluinya
Pengalir kilat	Membawa kilat ke Bumi supaya bangunan dilindungi
Suis	Membuka dan menutup litar

Struktur fius: wayar fius dalam sarung kaca atau porselin diisi nitrogen atau butiran kuarza, dengan penutup sesentuh logam dan nilai fius — Struktur fius.

Rajah daripada buku teks Sains Tingkatan 3 (KSSM) m.s. 191 (Rajah 6.33).

Nilai fius ialah nilai maksimum arus yang dapat mengalir melalui fius tanpa menyebabkan wayar fiusnya melebur. Nilai lazim: 1 A, 2 A, 3 A, 5 A, 10 A, 13 A, 15 A dan 30 A. Pilih fius yang nilainya lebih tinggi sedikit daripada arus maksimum dalam operasi biasa.

Contoh: memilih fius (m.s. 192)

Cerek elektrik menggunakan arus maksimum 11.34 A. Fius 10 A terlalu rendah (akan melebur pada keadaan biasa). Fius 13 A lebih tinggi sedikit, maka dipasang fius 13 A.

Memilih fius yang jauh lebih besar daripada keperluan. Fius itu tidak melebur apabila arus berbahaya, maka wayar dan peralatan boleh menjadi terlalu panas.

Keselamatan elektrik (6.3.4)

Nisbah kematian terhadap kecederaan dalam kemalangan elektrik adalah tinggi, maka langkah keselamatan perlu diutamakan. Litar pintas berlaku apabila dawai hidup dan dawai neutral bersentuhan sehingga arus menjadi sangat besar. Banyak peralatan pada satu soket juga membebankan litar. Dawai bumi, fius, MCB dan ELCB melindungi pengguna daripada kejutan elektrik (Aktiviti 6.9).

Apakah warna dawai yang disambung ke pin yang berfius dalam palam 3-pin, dan mengapa fius dipasang di situ?

Tunjukkan jawapanSembunyikan jawapan

Dawai hidup (perang). Jika arus terlalu besar, fius melebur dan memutuskan bekalan hidup kepada peralatan.

6.4Pengiraan kos penggunaan elektrik

Kecekapan tenaga (6.4.1, 6.4.2)

Kecekapan tenaga ialah peratus tenaga input yang diubah kepada bentuk tenaga output yang berfaedah.
Kecekapan tenaga = (tenaga output yang berfaedah ÷ tenaga input yang dibekalkan) × 100%

Contoh daripada buku teks (m.s. 195)

Mentol berfilamen dibekalkan 100 J tenaga elektrik dan memberi 8 J tenaga cahaya (92 J dibazirkan sebagai haba).
Kecekapan = 8 / 100 × 100% = 8%.

Alat pencahayaan	Tenaga elektrik maksimum ditukarkan kepada cahaya	Tahan lebih kurang
Lampu berfilamen	≈ 10%	1 000 jam
Lampu jimat tenaga (CFL)	≈ 50%	8 000 jam
Lampu LED	≈ 90%	20 000 hingga 50 000 jam

Suruhanjaya Tenaga (ST) memperkenalkan label cekap tenaga dengan 1 hingga 5 bintang. Lebih banyak bintang, lebih jimat belanja; pilih peralatan yang lebih banyak bintangnya.

Kuasa, arus, voltan dan tenaga (6.4.3)

Kuantiti	Rumus	Unit S.I.
Kuasa elektrik, P	P = E ÷ t (tenaga ÷ masa)	watt, W (1 W = 1 J s⁻¹)
Arus elektrik, I	I = Q ÷ t (cas ÷ masa)	ampere, A (cas dalam coulomb, C)
Voltan, V	V = E ÷ Q (tenaga ÷ cas)	volt, V
Kuasa, voltan dan arus	P = V × I	W = V × A

Contoh: arus dalam jag elektrik (m.s. 199)

Jag elektrik berlabel 2.2 kW, 240 V. I = P ÷ V = 2 200 ÷ 240 = 9.17 A.

Kos tenaga elektrik (6.4.4)

Kilowatt-jam (kWj) ialah tenaga elektrik yang digunakan pada kadar 1 kilowatt (1 000 watt) dalam masa 1 jam. 1 kWj ialah 1 unit.
Tenaga elektrik (kWj) = kuasa (kW) × masa (j)
Kos = bilangan unit × kadar bagi setiap unit

Contoh daripada buku teks (m.s. 200)

Cerek 2 kW mengambil masa 10 minit untuk mendidihkan air. Kadar ialah 21 sen/unit.
Tenaga = 2 × (10 ÷ 60) = 1/3 kWj. Kos = 1/3 × 21 = 7 sen.

Tidak menukar unit. Kuasa mesti dalam kW dan masa dalam jam untuk kWj: 800 W ialah 0.8 kW dan 30 minit ialah 0.5 j.

Menjimatkan tenaga elektrik (6.4.5, 6.4.6)

Audit kos: kumpulkan bil elektrik tiga bulan, kaji polanya, amalkan langkah penjimatan, kemudian banding pola sebelum dan selepas (Aktiviti 6.11).
Pilih peralatan yang lebih banyak bintang dan gunakan lampu LED atau CFL, bukan lampu berfilamen.
Matikan lampu dan peralatan yang tidak digunakan.
Bangunan hijau menjimatkan kos tenaga: sistem pengudaraan yang cekap (kurang pendingin hawa dan kipas), reka bentuk yang memaksimumkan cahaya semula jadi dan panel suria sebagai sumber tenaga boleh baharu.

Lampu 100 W digunakan selama 5 jam. Kadar ialah 30 sen/unit. Berapakah kosnya?

Tunjukkan jawapanSembunyikan jawapan

100 W = 0.1 kW. Tenaga = 0.1 × 5 = 0.5 kWj. Kos = 0.5 × 30 = 15 sen.

Rumusan

Ingat	Fakta penting
Arus aruhan	Dihasilkan apabila garis medan magnet dipotong oleh dawai atau gegelung; pegun bermakna tiada arus
a.t. dan a.u.	a.t. mengalir satu arah (sel, bateri); a.u. sentiasa bertukar arah (penjana stesen jana kuasa); O.S.K.: voltan = anjakan × gandaan-Y
Transformer	Hanya untuk a.u.; V_p/V_s = N_p/N_s; teras berlamina mengurangkan arus pusar
Penghantaran	Stesen jana kuasa → injak naik → Rangkaian Grid Nasional → lapangan suis → injak turun → pengguna
Keselamatan	Hidup perang, neutral biru, bumi belang kuning dan hijau; fius lebih tinggi sedikit daripada arus biasa
Kos	P = VI; kWj = kW × j; kos = unit × kadar; kecekapan = output berfaedah ÷ input × 100%