Fizik notesnota, bab 3
Elektrik
Notes made with reference toNota dibuat dengan rujukan kepada TextbookBuku teks Fizik Tingkatan 5 Kurikulum Standard Sekolah Menengah (KSSM), pageshalaman 90-133
What this chapter coversMatlamat bab ini
- Saya boleh menerangkan medan elektrik dan menunjukkan corak medan elektrik (3.1.1)
- Saya boleh menentukan kekuatan medan elektrik menggunakan E = F/q dan E = V/d (3.1.2)
- Saya boleh memerihalkan kelakuan zarah bercas di dalam suatu medan elektrik (3.1.3)
- Saya boleh mentakrifkan arus elektrik dan menyelesaikan masalah menggunakan Q = It (3.1.4)
- Saya boleh mentakrifkan beza keupayaan dan menyelesaikan masalah menggunakan V = W/Q (3.1.5)
- Saya boleh membezakan konduktor Ohm daripada konduktor bukan Ohm melalui graf V melawan I (3.2.1)
- Saya boleh menyelesaikan masalah litar bersiri, selari dan kombinasi bersiri dan selari (3.2.2)
- Saya boleh menerangkan faktor yang mempengaruhi rintangan dawai dan kerintangan dawai, serta merumuskan R = ρl/A (3.2.3, 3.2.4)
- Saya boleh memerihalkan aplikasi kerintangan dan membandingkan bukan konduktor, semikonduktor, konduktor dan superkonduktor (3.2.5)
- Saya boleh menyelesaikan masalah yang melibatkan rintangan dawai (3.2.6)
- Saya boleh mentakrifkan daya gerak elektrik (d.g.e.) dan membezakannya daripada beza keupayaan (3.3.1)
- Saya boleh menerangkan rintangan dalam dan susutan voltan (3.3.2)
- Saya boleh menentukan d.g.e. dan rintangan dalam sel kering daripada graf V melawan I (3.3.3)
- Saya boleh menyelesaikan masalah yang melibatkan sambungan sel kering secara bersiri dan selari (3.3.4)
- Saya boleh menggunakan E = VIt, P = E/t, P = VI, P = I²R dan P = V²/R (3.4.1, 3.4.2, 3.4.3)
- Saya boleh mengira kos penggunaan tenaga elektrik dalam kWj dan mencadangkan langkah penjimatan tenaga (3.4.4, 3.4.5)
3.1Arus dan beza keupayaan
Medan elektrik
Medan elektrik ialah kawasan sekitar suatu zarah bercas di mana sebarang cas elektrik yang berada dalam kawasan tersebut akan mengalami daya elektrik.
Contoh medan elektrik dalam kehidupan harian: aliran air paip yang halus menjadi bengkok apabila sikat bercas didekatkan, rambut tertarik oleh belon yang bercas, cebisan kertas tertarik ke sikat plastik yang bercas dan penyedut minuman yang bercas bergerak mendekati jari. Dalam Aktiviti 3.1 (demonstrasi guru), serbuk suji ditaburkan di atas minyak zaitun dan bekalan kuasa voltan lampau tinggi (V.L.T.) dihidupkan. Serbuk suji menyusun diri mengikut corak tertentu yang menunjukkan corak medan elektrik.
Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 KSSM, m.s. 94.
- Garis medan elektrik bermula dengan cas positif dan berakhir dengan cas negatif. Garis medan elektrik tidak bersilang antara satu sama lain.
- Garis di sekeliling zarah bercas positif menghala ke luar, garis di sekeliling zarah bercas negatif menghala ke dalam. Cas berbeza saling menarik, cas sama saling menolak.
- Antara dua plat satah selari yang berlainan cas, garis medan elektrik adalah selari dan sama jarak: medan elektrik seragam.
Kekuatan medan elektrik
Kekuatan medan elektrik, E, pada satu titik ialah daya elektrik yang bertindak ke atas seunit cas positif yang terletak pada titik itu. Arah medan ialah arah daya ke atas cas uji positif.
| Keadaan | Rumus | Unit S.I. |
|---|---|---|
| Cas uji q mengalami daya elektrik F | E = F / q | newton per coulomb (N C−1) |
| Dua plat selari: beza keupayaan V, jarak d | E = V / d | volt per meter (V m−1) |
Unit V m−1 adalah setara dengan N C−1.
Menggunakan E = V / d bagi medan di sekitar satu zarah bercas, atau memasukkan jarak dalam sentimeter. Rumus ini hanya untuk medan seragam antara dua plat selari, dan d mesti dalam meter.
Contoh: kekuatan medan elektrik
(a) Satu cas uji 2.0 × 10−6 C mengalami daya 3.0 × 10−3 N. Cari E.E = F / q = (3.0 × 10−3) ÷ (2.0 × 10−6) = 1500 N C−1.
(b) Beza keupayaan 600 V merentasi dua plat selari yang berjarak 2.0 cm. Cari E.
d = 2.0 cm = 0.020 m, maka E = V / d = 600 ÷ 0.020 = 30 000 V m−1.
Kelakuan zarah bercas di dalam suatu medan elektrik
Cas yang sama saling menolak manakala cas berlainan saling menarik. Dua demonstrasi dalam Aktiviti 3.2:
- Bola polistirena bersalut kerajang aluminium yang tergantung pada benang nilon di antara dua plat logam. Apabila bola menyentuh plat positif, elektron berpindah ke plat itu dan bola menjadi bercas positif; bola ditolak oleh plat positif dan ditarik ke plat negatif. Di plat negatif, bola mendapat elektron dan menjadi bercas negatif, lalu ditolak ke plat positif semula. Bola berayun berulang-alik sambil memindahkan cas sehingga bekalan kuasa dimatikan. Kerajang aluminium diperlukan supaya permukaan bola mengkonduksikan elektrik.
- Nyalaan lilin di antara dua plat bercas. Haba daripada lilin menyebabkan udara menjadi ion positif dan ion negatif. Ion negatif tertarik ke plat positif manakala ion positif tertarik ke plat negatif. Nyalaan lebih tersebar ke arah plat negatif kerana ion positif mempunyai jisim dan saiz yang lebih besar.
Arus elektrik dan beza keupayaan
Arus, I, ialah kadar pengaliran cas, Q, dalam satu konduktor: I = Q / t atau Q = It. Unit S.I.: ampere (A) = coulomb per saat (C s−1).
Beza keupayaan, V, di antara dua titik dalam suatu medan elektrik ialah kerja, W, yang dilakukan untuk menggerakkan satu coulomb cas di antara dua titik itu: V = W / Q (atau V = E / Q, dengan E tenaga). Unit S.I.: joule per coulomb (J C−1) atau volt (V).
Beza keupayaan 1 V bermaksud kerja sebanyak 1 J dilakukan untuk menggerakkan 1 C cas dari satu titik ke titik yang lain.
Cas satu elektron, e = 1.6 × 10−19 C, maka 1 C = 6.25 × 1018 elektron. Bilangan elektron = jumlah cas ÷ (1.6 × 10−19 C).
Contoh: cas dan tenaga
Sebuah mentol berlabel 3.0 V, 0.2 A menyala selama 1 jam. Hitung jumlah cas yang mengalir dan jumlah tenaga yang dijanakan.t = 1 × 3600 = 3600 s, maka Q = It = 0.2 × 3600 = 720 C.
W = VQ = 3.0 × 720 = 2160 J.
Arus 0.50 A mengalir selama 2 minit. Berapakah cas yang mengalir dan berapakah bilangan elektron?
Tunjukkan jawapanSembunyikan jawapan
Q = It = 0.50 × 120 = 60 C. Bilangan elektron = 60 ÷ (1.6 × 10−19) = 3.75 × 1020.
3.2Rintangan
Konduktor Ohm dan konduktor bukan Ohm
Konduktor yang mematuhi hukum Ohm dikenali sebagai konduktor Ohm manakala konduktor yang tidak mematuhi hukum Ohm dikenali sebagai konduktor bukan Ohm. Dalam Eksperimen 3.1, arus I dilaraskan dengan reostat dan beza keupayaan V dibaca pada voltmeter, bagi dawai konstantan (suhu tetap) dan bagi mentol berfilamen.
| Konduktor Ohm | Konduktor bukan Ohm | |
|---|---|---|
| Graf V melawan I | Garis lurus melalui titik asalan | Garis lengkung melalui titik asalan |
| Hubungan antara V dengan I | V berkadar secara terus dengan I | V bertambah dengan I |
| Kadar pertambahan voltan | Tetap | Meningkat |
| Rintangan | Malar | Meningkat |
Dalam mentol berfilamen tungsten, apabila arus bertambah, suhu dawai filamen meningkat dan rintangannya turut meningkat. Jadi filamen ialah konduktor bukan Ohm.
Mengatakan mentol tidak mematuhi hukum Ohm "kerana voltan yang tinggi". Sebabnya ialah suhu filamen tidak tetap, sedangkan hukum Ohm hanya benar pada suhu malar.
Litar bersiri, litar selari dan litar kombinasi
| Litar bersiri | Litar selari | |
|---|---|---|
| Arus | Sama pada setiap perintang: I = I1 = I2 = I3 | Jumlah arus = jumlah arus pada setiap cawangan: I = I1 + I2 + I3 |
| Beza keupayaan | Dikongsi: V = V1 + V2 + V3 | Sama merentasi setiap perintang: V = V1 = V2 = V3 |
| Rintangan berkesan | R = R1 + R2 + R3 | 1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 |
Dalam litar kombinasi, ganti dahulu setiap bahagian selari dengan rintangan berkesannya, tambahkan bahagian bersiri, cari jumlah arus, kemudian kembali ke setiap perintang untuk mendapatkan V dan I.
Contoh: litar kombinasi
(a) Bahagian selari: 1/R = 1/4 + 1/12 = 4/12, maka R = 3 Ω. Rintangan berkesan = 2 + 3 = 5 Ω.
(b) I = V/R = 6 ÷ 5 = 1.2 A. V1 = 1.2 × 2 = 2.4 V.
(c) Beza keupayaan merentasi bahagian selari = 6 − 2.4 = 3.6 V. Arus dalam 4 Ω = 3.6 ÷ 4 = 0.9 A; arus dalam 12 Ω = 3.6 ÷ 12 = 0.3 A (0.9 + 0.3 = 1.2 A).
Contoh: lima perintang
Bateri 5 V disambung kepada dua perintang 4 Ω bersiri dengan bahagian selari yang terdiri daripada (dua perintang 2 Ω bersiri) selari dengan perintang 4 Ω.Cabang atas: 2 + 2 = 4 Ω. Selari dengan 4 Ω: 1/R = 1/4 + 1/4 = 2/4, maka R = 2 Ω.
Rintangan berkesan = 4 + 4 + 2 = 10 Ω. Arus I = 5 ÷ 10 = 0.5 A. VAB = 0.5 × 2 = 1.0 V.
Dua perintang 6 Ω dan 3 Ω disambung secara selari. Berapakah rintangan berkesannya?
Tunjukkan jawapanSembunyikan jawapan
1/R = 1/6 + 1/3 = 3/6, maka R = 2 Ω. (Rintangan berkesan litar selari sentiasa lebih kecil daripada rintangan cawangan yang terkecil.)
Faktor yang mempengaruhi rintangan dawai
Eksperimen 3.2, 3.3 dan 3.4 menyiasat faktor yang mempengaruhi rintangan dawai pada suhu yang tetap.
| Faktor | Kesan pada R | Graf |
|---|---|---|
| Panjang dawai, l | R berkadar secara terus dengan l | R melawan l: garis lurus melalui titik asalan |
| Luas keratan rentas dawai, A | R berkadar songsang dengan A; dawai lebih tebal, rintangan lebih kecil | R melawan A: lengkung menurun; R melawan 1/A: garis lurus melalui titik asalan |
| Kerintangan dawai, ρ (bahan) | R berkadar secara terus dengan ρ |
Kerintangan dawai, ρ, ialah suatu ukuran bagi keupayaan konduktor untuk menentang pengaliran arus elektrik. Unit: ohm meter (Ω m). Nilai kerintangan bergantung pada sifat semula jadi bahan dan suhu bahan tersebut.
Gabungan ketiga-tiga faktor memberikan R = ρl / A, dengan A = πj2 (j = jejari dawai). Dalam Eksperimen 3.4, dawai nikrom (ρ = 100 × 10−8 Ω m) dibandingkan dengan dawai konstantan (ρ = 49 × 10−8 Ω m) yang sama panjang dan diameternya; nikrom mempunyai rintangan lebih besar. Kuprum (ρ = 1.68 × 10−8 Ω m, Jadual 3.9) mempunyai rintangan paling kecil bagi saiz dawai yang sama.
Nilai s.w.g. (standard wire gauge) mewakili diameter dawai. Semakin besar nilai s.w.g., semakin kecil diameter dawai, maka semakin besar rintangannya.
Contoh: rintangan dawai konstantan
Dawai konstantan: panjang 50.0 cm, diameter 0.6 mm, ρ = 49 × 10−8 Ω m.l = 0.5 m; j = 0.6 mm ÷ 2 = 0.3 mm = 3 × 10−4 m.
A = π(3 × 10−4)2 = 2.83 × 10−7 m2.
R = ρl/A = (49 × 10−8 × 0.5) ÷ (2.83 × 10−7) = 0.867 Ω.
Contoh: kerintangan wayar kuprum
Wayar kuprum: panjang 500 m, jejari 0.5 mm, rintangan 10.8 Ω. ρ = RA/l = (10.8 × π × (0.5 × 10−3)2) ÷ 500 = 1.696 × 10−8 Ω m.Menggunakan diameter sebagai jejari, atau membiarkan panjang dalam cm. Tukarkan ke meter dan bahagi diameter dengan dua sebelum dikuasakan dua.
Hitung rintangan wayar kuprum 50.0 m dengan luas keratan rentas 2.5 mm2. (ρ kuprum = 1.72 × 10−8 Ω m)
Tunjukkan jawapanSembunyikan jawapan
A = 2.5 × 10−6 m2. R = (1.72 × 10−8 × 50.0) ÷ (2.5 × 10−6) = 0.344 Ω.
Aplikasi kerintangan dawai
- Elemen pemanas (periuk nasi elektrik, cerek, seterika): bahan konduktor yang mempunyai kerintangan dan takat lebur yang tinggi serta tahan lama, contohnya nikrom. Dawai menjadi sangat panas tetapi tidak melebur atau teroksida dengan cepat.
- Wayar penyambung: dawai kuprum digunakan kerana kerintangan rendah, maka dawai tidak cepat menjadi panas apabila arus mengalir.
- Pendawaian elektrik di rumah (fius): fius ialah dawai nipis dengan takat lebur rendah yang melebur dan memutuskan litar apabila arus terlalu besar.
| Bahan | Ciri | Kerintangan | Contoh |
|---|---|---|---|
| Bukan konduktor | Tidak mengkonduksikan elektrik dan penebat yang baik | Paling tinggi | Plastik, kayu |
| Semikonduktor | Mengkonduksikan elektrik lebih baik daripada penebat tetapi tidak sebaik konduktor | Antara bukan konduktor dengan konduktor | Silikon, germanium |
| Konduktor | Dapat mengkonduksikan elektrik | Rendah | Besi, karbon |
| Superkonduktor | Mengkonduksikan elektrik tanpa sebarang rintangan, jadi tiada tenaga hilang | 0 Ω m pada suhu genting | Cesium pada atau di bawah 1.5 K; lingkaran superkonduktor dalam MRI |
Suhu genting, Tc, ialah suhu apabila kerintangan suatu superkonduktor menjadi sifar.
3.3Daya gerak elektrik (d.g.e.) dan rintangan dalam
Daya gerak elektrik (d.g.e.), ε, ialah tenaga yang dibekalkan atau kerja yang dilakukan oleh satu sumber elektrik untuk menggerakkan satu coulomb cas dalam satu litar lengkap: ε = E / Q. Unit S.I.: volt (V) atau J C−1.
Sumber d.g.e. termasuk penjana elektrik, dinamo, bateri dan akumulator. Sel kering 1.5 V membekalkan 1.5 J tenaga bagi setiap coulomb cas yang mengalir dalam satu litar lengkap.
| D.g.e., ε | Beza keupayaan, V | |
|---|---|---|
| Arus dalam litar | Tiada arus mengalir (litar terbuka) | Ada arus mengalir (litar tertutup) |
| Bacaan voltmeter | Bacaan dalam litar terbuka ialah d.g.e., ε | Bacaan dalam litar tertutup ialah beza keupayaan merentasi mentol, V |
| Kerja | Kerja oleh sumber elektrik untuk menggerakkan satu coulomb cas dalam satu litar lengkap | Kerja untuk menggerakkan satu coulomb cas di antara dua titik |
Rintangan dalam
Dalam Aktiviti 3.7, bacaan voltmeter merentasi sel (suis terbuka) lebih besar daripada bacaan apabila suis ditutup. Perbezaan itu ialah susutan voltan.
Rintangan dalam, r, suatu sel kering ialah rintangan yang disebabkan oleh bahan elektrolit di dalam sel kering itu. Unit S.I.: ohm (Ω). Akibatnya ada kehilangan tenaga (haba) dalam sel dan beza keupayaan merentasi terminal sel kurang daripada d.g.e. apabila arus mengalir dalam litar lengkap.
Susutan voltan, Ir = ε − V. Dengan rintangan luar R: ε = V + Ir = IR + Ir = I(R + r).
Menentukan d.g.e. dan rintangan dalam (Eksperimen 3.5)
Reostat dilaraskan untuk mendapatkan beberapa pasangan I dan V, dan graf V melawan I diplot. Daripada V = −rI + ε (bentuk y = mx + c):
Pintasan pada paksi menegak, c = ε; kecerunan, m = −r. Maka r = −kecerunan. Langkah berjaga-jaga: elakkan ralat paralaks dan matikan suis apabila bacaan tidak diambil supaya sel tidak cepat habis.
Sel dengan d.g.e. 1.5 V memberikan beza keupayaan terminal 1.2 V apabila membekalkan arus 0.6 A. Cari rintangan dalam sel.
Tunjukkan jawapanSembunyikan jawapan
Ir = ε − V = 1.5 − 1.2 = 0.3 V, maka r = 0.3 ÷ 0.6 = 0.5 Ω.
Sambungan sel kering secara bersiri dan selari
| Bilangan sel sama, n (setiap sel ε, r) | Bersiri | Selari |
|---|---|---|
| Jumlah d.g.e. | nε (cth. 4 sel: 4ε) | ε (sama dengan satu sel) |
| Rintangan dalam berkesan, rj | nr (cth. 4r) | r / n (cth. r/4) |
| Kesan | Meningkatkan d.g.e. berkesan | Mengurangkan rintangan dalam berkesan |
Contoh: dua sel kering
Setiap sel: ε = 1.5 V, r = 0.5 Ω, disambung kepada perintang 10 Ω.Bersiri: ε = 3.0 V, rj = 1.0 Ω, I = 3.0 ÷ (10 + 1.0) = 0.27 A.
Selari: ε = 1.5 V, 1/rj = 1/0.5 + 1/0.5, rj = 0.25 Ω, I = 1.5 ÷ (10 + 0.25) = 0.146 A.
Tiga sel selari: rj = 0.167 Ω, I = 1.5 ÷ 10.167 = 0.148 A. Semakin banyak sel selari, semakin kecil rintangan dalam berkesan dan semakin besar arus (sedikit sahaja).
Menambah d.g.e. sel yang disambung secara selari. Susunan selari mempunyai d.g.e. satu sel sahaja; hanya rintangan dalamnya yang berkurang.
Kereta elektrik (E.V.) menggunakan 100% kuasa elektrik daripada bateri boleh dicas (300–800 V), manakala kereta hibrid menggunakan 25–40% kuasa bateri (100–200 V) dan selebihnya bahan api fosil. Sel suria disusun secara bersiri bagi membentuk panel suria, dan susunan sambungan panel di stesen pengecasan menentukan voltan dan arus yang sesuai; ini mengurangkan penggunaan bahan api fosil dan pencemaran udara.
3.4Tenaga dan kuasa elektrik
| Kuantiti | Rumus | Unit S.I. |
|---|---|---|
| Tenaga elektrik | E = VQ = VIt | joule (J) |
| Kuasa elektrik | P = E / t = VI | watt (W) = J s−1 |
| Menggunakan V = IR | P = V2 / R dan P = I2R | watt (W) |
Label pada alat elektrik, contohnya 240 V, 700 W, menunjukkan voltan kerja dan kadar kuasa. Pada 240 V, periuk nasi itu menggunakan 700 J tenaga elektrik dalam satu saat.
Contoh: tenaga elektrik
Bateri 6 V menyalakan sebuah lampu. Arus 0.7 A mengalir selama satu minit. t = 60 s.E = VIt = 6 × 0.7 × 60 = 252 J.
Contoh: lampu pendarfluor
Lampu dilabelkan 240 V, 32 W. Dalam keadaan normal:Rintangan R = V2/P = 2402 ÷ 32 = 1800 Ω.
Arus I = P/V = 32 ÷ 240 = 0.133 A.
Tenaga dalam 3 jam: t = 10 800 s, E = Pt = 32 × 10 800 = 345 600 J = 345.6 kJ.
Kos penggunaan tenaga elektrik
1 kilowatt jam (kWj) ialah tenaga elektrik yang digunakan oleh alat berkuasa 1 kW dalam masa 1 jam, dan sama dengan satu unit elektrik. 1 kWj = 3.6 × 106 J.
Kos = bilangan unit (kWj) × kos seunit, dengan bilangan unit = kuasa dalam kW × masa dalam jam.
Contoh: CFL melawan LED
Lampu CFL 40 W dan LED 12 W memberikan kecerahan yang sama. Kedua-duanya dipasang 12 jam sehari selama 30 hari; kos seunit ialah RM0.218.CFL: 0.040 kW × 12 j = 0.48 unit sehari; kos = 30 × 0.48 × 0.218 = RM3.14.
LED: 0.012 kW × 12 j = 0.144 unit sehari; kos = 30 × 0.144 × 0.218 = RM0.94.
LED lebih cekap dan lebih menjimatkan tenaga.
Memasukkan watt terus ke dalam rumus kos. Tukarkan W kepada kW (bahagi dengan 1000) dan guna jam, bukan saat, apabila bekerja dalam kWj.
Langkah penjimatan penggunaan tenaga elektrik di rumah
- Tutup tingkap dan pintu apabila menggunakan penyaman udara dan pastikan penapis penyaman udara kekal bersih.
- Matikan suis peralatan elektrik jika tidak digunakan.
- Gunakan mesin basuh dengan muatan penuh sahaja.
- Gunakan lampu jimat tenaga (contohnya LED) untuk mengurangkan penggunaan tenaga.
Cerek elektrik berkadar 240 V, 2000 W digunakan selama 15 minit. Cari arus dan tenaga yang digunakan dalam kWj.
Tunjukkan jawapanSembunyikan jawapan
I = P/V = 2000 ÷ 240 = 8.3 A. Tenaga = 2.0 kW × 0.25 j = 0.50 kWj.