Fizik notesnota, bab 4

Keelektromagnetan

Notes made with reference toNota dibuat dengan rujukan kepada TextbookBuku teks Fizik Tingkatan 5 Kurikulum Standard Sekolah Menengah (KSSM), pageshalaman 134–171

What this chapter coversMatlamat bab ini

Saya boleh menerangkan daya ke atas konduktor pembawa arus dalam medan magnet, dan menjelaskan medan lastik (4.1.1)
Saya boleh menentukan arah daya dengan petua tangan kiri Fleming (4.1.2)
Saya boleh menerangkan faktor yang mempengaruhi magnitud daya ke atas konduktor pembawa arus dalam medan magnet (4.1.3)
Saya boleh menerangkan kesan gegelung pembawa arus dalam medan magnet, iaitu pasangan daya dan putaran (4.1.4)
Saya boleh menerangkan prinsip kerja motor arus terus (4.1.5)
Saya boleh menerangkan faktor yang mempengaruhi kelajuan putaran motor elektrik, dan membandingkan motor tanpa berus dengan motor berberus (4.1.6)
Saya boleh menerangkan aruhan elektromagnet dalam dawai lurus dan solenoid (4.2.1)
Saya boleh menerangkan faktor yang mempengaruhi magnitud d.g.e. aruhan dan menyatakan hukum Faraday (4.2.2)
Saya boleh menentukan arah arus aruhan dengan petua tangan kanan Fleming dan hukum Lenz (4.2.3)
Saya boleh membandingkan penjana arus terus dengan penjana arus ulang-alik (4.2.4)
Saya boleh menerangkan prinsip kerja transformer ringkas (4.3.1)
Saya boleh menyelesaikan masalah transformer unggul dan kecekapan transformer (4.3.2)
Saya boleh menerangkan punca kehilangan tenaga dalam transformer dan cara mengurangkannya (4.3.3)
Saya boleh menerangkan kegunaan transformer dalam kehidupan harian serta sistem penghantaran dan pengagihan tenaga elektrik (4.3.4)

4.1Daya ke atas konduktor pembawa arus dalam suatu medan magnet

Apabila konduktor pembawa arus diletakkan dalam medan magnet, konduktor itu mengalami daya. Arah daya bergantung pada arah arus dalam konduktor dan arah medan magnet. Kesan ini ialah asas kerja motor elektrik.

Medan lastik (4.1.1)

Medan lastik ialah medan magnet paduan yang dihasilkan oleh interaksi antara medan magnet daripada konduktor pembawa arus dengan medan magnet daripada magnet kekal. Medan lastik mengenakan satu daya paduan ke atas konduktor itu.

Medan magnet kekal dan medan magnet konduktor pembawa arus bergabung menjadi medan lastik, dengan daya ke atas konduktor — Pembentukan medan lastik. Garis medan bertentangan (lemah) di satu sisi konduktor dan sama arah (kuat) di sisi yang lain; konduktor ditolak ke arah medan yang lemah. (Rajah 4.3, m.s. 138)

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 (KSSM), Rajah 4.3, m.s. 138.

Garis medan bertentangan menghasilkan medan magnet lemah; garis medan sama arah menghasilkan medan magnet kuat. Konduktor bergerak daripada kawasan kuat ke kawasan lemah.

Petua tangan kiri Fleming (4.1.2)

Jari	Menunjukkan
Jari telunjuk	Arah medan magnet daripada magnet kekal (dari utara ke selatan)
Jari tengah	Arah arus elektrik
Ibu jari	Arah daya yang bertindak pada konduktor; konduktor bergerak mengikut arah daya itu

Tangan kiri dengan jari telunjuk untuk medan magnet, jari tengah untuk arus dan ibu jari untuk daya — Petua tangan kiri Fleming untuk menentukan arah daya. (Rajah 4.4, m.s. 139)

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 (KSSM), Rajah 4.4, m.s. 139.

Contoh

Dawai lurus berada antara kutub utara (kiri) dan kutub selatan (kanan) sebuah magnet. Arus mengalir ke dalam satah kertas. Tentukan arah daya.

Jari telunjuk ke kanan (utara ke selatan), jari tengah ke dalam kertas. Ibu jari menunjuk ke bawah, maka daya bertindak ke bawah. Jika arus disongsangkan (keluar daripada kertas), daya bertindak ke atas.

Faktor yang mempengaruhi magnitud daya (4.1.3)

Dalam Aktiviti 4.3, daya diukur melalui bacaan neraca elektronik. Magnitud daya bertambah apabila:

arus dalam konduktor bertambah (voltan bekalan kuasa lebih tinggi);
kekuatan medan magnet bertambah (menggunakan magnet lebih kuat atau lebih banyak pasang magnet, atau merapatkan kutub-kutub magnet).

Menyongsangkan arus hanya menyongsangkan arah daya. Magnitud daya tidak berubah.

Gegelung pembawa arus dalam medan magnet (4.1.4)

Dalam gegelung segi empat tepat ABCD, arus pada sisi AB dan sisi CD mengalir dalam arah yang bertentangan. Maka daya pada kedua-dua sisi itu sama magnitud tetapi bertentangan arah. Pasangan daya ini memutarkan gegelung pada paksi putaran. Kesan putaran gegelung pembawa arus dalam medan magnet ialah prinsip kerja motor arus terus.

Medan magnet di sekeliling sisi AB dan CD, dan medan lastik yang terhasil dengan daya ke atas dan ke bawah — Medan magnet di sekeliling sisi AB dan CD, serta medan lastik yang terhasil. (Rajah 4.11 dan 4.12, m.s. 143)

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 (KSSM), Rajah 4.11 dan 4.12, m.s. 143.

Motor arus terus (4.1.5)

Motor arus terus menukarkan tenaga elektrik kepada tenaga kinetik menggunakan kesan putaran gegelung pembawa arus dalam medan magnet.

Komponen penting ialah komutator (gelang terbelah dua) yang berputar bersama gelung segi empat tepat. Berus karbon yang bersentuhan dengan komutator adalah tetap pada kedudukannya.

Motor arus terus pada separuh putaran pertama dan separuh putaran kedua — Prinsip kerja motor arus terus. (Rajah 4.13, m.s. 144)

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 (KSSM), Rajah 4.13, m.s. 144.

	Separuh putaran pertama	Separuh putaran kedua
Arus dalam gegelung	A → B → C → D	D → C → B → A
Berus karbon X menyentuh	separuh komutator merah	separuh komutator biru
Daya pada sisi AB / CD	ke bawah / ke atas	ke atas / ke bawah
Arah putaran	Sama pada kedua-dua separuh putaran

Komutator menyongsangkan arah arus dalam gegelung setiap separuh putaran, supaya gegelung terus berputar dalam satu arah.

Kelajuan putaran motor elektrik dan motor tanpa berus (4.1.6)

Kelajuan putaran motor elektrik bertambah apabila (Aktiviti 4.6):

arus dalam gegelung bertambah (voltan bekalan kuasa ditambah);
kekuatan medan magnet bertambah;
gegelung dengan lebih banyak lilitan digunakan.

	Motor tanpa berus	Motor berberus
Persamaan	Ada magnet dan gegelung; menggunakan daya magnet untuk menghasilkan putaran
Bahagian yang berputar	Gegelung pegun, magnet berputar	Magnet pegun, gegelung berputar
Berus karbon dan komutator	Tiada berus karbon, maka tiada geseran dengan komutator	Berus karbon bergeser dengan komutator dan mengalami kehausan
Percikan bunga api	Tiada	Ada pada komutator
Bunyi semasa beroperasi	Lemah	Kuat

Motor homopolar (Aktiviti 4.9) ialah motor ringkas yang dibina daripada magnet neodimium, sel kering dan dawai kuprum.

Komutator tidak menukar arus ulang-alik kepada arus terus dalam motor. Bekalan sudah arus terus; komutator menyongsangkan arus dalam gegelung setiap separuh putaran.

Sebuah motor berputar terlalu perlahan. Nyatakan dua perubahan yang menjadikannya berputar lebih laju.

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Menambah arus (voltan lebih tinggi); menggunakan magnet yang lebih kuat; menambah bilangan lilitan gegelung (mana-mana dua).

4.2Aruhan elektromagnet

Aruhan elektromagnet ialah penghasilan d.g.e. aruhan merentasi suatu konduktor apabila terdapat gerakan relatif antara konduktor itu dengan suatu medan magnet, atau apabila konduktor itu berada dalam medan magnet yang berubah. Jika litar lengkap, arus aruhan mengalir dan jarum galvanometer terpesong.

Aruhan dalam dawai lurus dan solenoid (4.2.1)

Konduktor mesti memotong garis medan magnet (fluks magnet). Galvanometer terpesong hanya semasa ada gerakan relatif. Jika magnet dan konduktor kedua-duanya pegun, atau bergerak dengan laju yang sama dalam arah yang sama, tiada gerakan relatif dan tiada d.g.e. aruhan.

Dawai bergerak ke atas memotong fluks magnet, d.g.e. diaruh dan arus mengalir melalui galvanometer — Magnet pegun dan konduktor bergerak: d.g.e. diaruh dalam dawai. (Rajah 4.18, m.s. 152)

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 (KSSM), Rajah 4.18, m.s. 152.

Bagi solenoid, apabila magnet bar digerakkan mendekati atau menjauhi solenoid, lilitan solenoid memotong garis medan magnet dan d.g.e. diaruh merentasi solenoid. Magnet yang pegun di dalam solenoid tidak menghasilkan arus aruhan.

Faktor yang mempengaruhi magnitud d.g.e. aruhan (4.2.2)

Gerakan relatif antara	d.g.e. aruhan bertambah apabila
Dawai lurus dengan magnet	laju gerakan relatif bertambah; kekuatan medan magnet bertambah
Solenoid dengan magnet	laju gerakan relatif bertambah; bilangan lilitan solenoid bertambah; kekuatan medan magnet bertambah

Hukum Faraday menyatakan bahawa magnitud d.g.e. aruhan adalah berkadar terus dengan kadar pemotongan fluks magnet.

Lebih banyak garis medan magnet dipotong dalam suatu masa tertentu, lebih besar d.g.e. aruhan.

Arah arus aruhan (4.2.3)

Dawai lurus: petua tangan kanan Fleming. Ibu jari menunjukkan arah gerakan dawai, jari telunjuk menunjukkan arah medan magnet dan jari tengah menunjukkan arah arus aruhan. Menggerakkan magnet ke bawah setara dengan menggerakkan dawai ke atas.

Solenoid: hukum Lenz. Arus aruhan sentiasa mengalir pada arah yang menentang perubahan fluks magnet yang menyebabkannya.

Gerakan magnet bar	Kutub aruhan pada hujung solenoid yang berhampiran	Kesan
Kutub utara ditolak mendekati	Utara	Menolak magnet
Kutub utara ditarik menjauhi	Selatan	Menarik magnet
Kutub selatan ditolak mendekati	Selatan	Menolak magnet
Kutub selatan ditarik menjauhi	Utara	Menarik magnet

Empat rajah: kutub aruhan pada solenoid apabila magnet ditolak mendekati atau ditarik menjauhi — Hukum Lenz menentukan arah arus aruhan bagi solenoid. (Rajah 4.28, m.s. 159)

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 (KSSM), Rajah 4.28, m.s. 159.

Hukum Lenz ialah keabadian tenaga. Kerja perlu dilakukan untuk menolak magnet melawan tolakan solenoid, dan kerja itu menjadi tenaga elektrik.

Motor: tangan kiri (arus dan medan diberi, cari daya). Penjana: tangan kanan (gerakan dan medan diberi, cari arus).

Penjana arus terus dan penjana arus ulang-alik (4.2.4)

Penjana arus terus dengan komutator gelang terbelah dan penjana arus ulang-alik dengan dua gelang gelincir — (a) Penjana arus terus (b) penjana arus ulang-alik. (Rajah 4.29, m.s. 160)

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 (KSSM), Rajah 4.29, m.s. 160.

	Penjana arus terus	Penjana arus ulang-alik
Persamaan	Mengaplikasikan aruhan elektromagnet; gegelung diputarkan oleh daya luar; gegelung memotong fluks magnet; d.g.e. teraruh dalam gegelung
Hujung gegelung disambung kepada	komutator gelang terbelah	dua gelang gelincir
Sentuhan dengan berus karbon	Dua bahagian komutator bersentuhan dengan berus karbon yang berbeza pada setiap separuh putaran	Gelang gelincir sentiasa bersentuhan dengan berus karbon yang sama
Output	Arus terus	Arus ulang-alik

Putaran yang lebih laju memotong fluks magnet pada kadar yang lebih tinggi, maka d.g.e. aruhan lebih besar (hukum Faraday).

Kutub utara sebuah magnet bar ditarik menjauhi solenoid. Apakah kutub yang terbentuk pada hujung solenoid yang paling hampir dengan magnet?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Kutub selatan. Mengikut hukum Lenz, hujung itu menarik magnet untuk menentang gerakan menjauhi.

4.3Transformer

Prinsip kerja transformer ringkas (4.3.1)

Transformer mengubah voltan arus ulang-alik input kepada nilai voltan lain. Transformer tidak berfungsi dengan bekalan arus terus kerana hanya arus ulang-alik menghasilkan medan magnet yang berubah-ubah.

Transformer ringkas dengan gegelung primer, gegelung sekunder dan teras besi lembut berlamina — Struktur transformer ringkas. (Rajah 4.32, m.s. 163)

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 (KSSM), Rajah 4.32, m.s. 163.

Prinsip kerja. Bekalan kuasa a.u. menghasilkan arus ulang-alik dalam gegelung primer. Arus ini menghasilkan medan magnet yang berubah-ubah dari segi magnitud dan arah. Fluks magnet itu dipautkan kepada gegelung sekunder melalui teras besi lembut. Medan magnet yang berubah-ubah mengaruhkan voltan ulang-alik merentasi gegelung sekunder.

Persamaan transformer: V_S / V_P = N_S / N_P
Transformer injak naik: N_S > N_P, maka V_S > V_P. Transformer injak turun: N_S < N_P, maka V_S < V_P.

Transformer unggul dan kecekapan (4.3.2)

Kecekapan transformer, η = (kuasa output / kuasa input) × 100% = (V_SI_S / V_PI_P) × 100%. Transformer unggul ialah transformer yang tidak mengalami kehilangan tenaga, iaitu kecekapannya 100%. Maka kuasa input = kuasa output: V_PI_P = V_SI_S.

Contoh 1 (transformer unggul)

Transformer disambung kepada bekalan 240 V membekalkan kuasa 27 W pada 18 V kepada sebuah alat elektronik. N_S = 60. Hitung N_P, I_S dan I_P.

N_P = 240 × 60 / 18 = 800 lilitan. I_S = 27 / 18 = 1.5 A. I_P = 27 / 240 = 0.1125 A. (Contoh 1, m.s. 166)

Contoh 2 (kecekapan)

Transformer: V_P = 120 V, I_P = 0.25 A, V_S = 6 V, I_S = 4.80 A.

Kuasa input = 120 × 0.25 = 30 W. Kuasa output = 6 × 4.80 = 28.8 W. η = 28.8 / 30 × 100% = 96%. Kecekapan kurang daripada 100%, maka transformer itu tidak unggul.

Kehilangan tenaga dan cara mengurangkannya (4.3.3)

Punca kehilangan tenaga	Kesan	Cara mengurangkan
Rintangan gegelung	Dawai panjang menjadi panas apabila arus mengalir; tenaga haba dibebaskan ke sekeliling	Gunakan dawai kuprum yang lebih tebal supaya rintangan lebih kecil
Arus pusar	Medan magnet berubah mengaruhkan arus pusar dalam teras besi, lalu teras menjadi panas	Gunakan teras besi berlamina daripada kepingan besi nipis yang dilekatkan dengan gam penebat
Histerisis	Teras dimagnetkan dan dinyahmagnetkan berterusan; tenaga memanaskan teras	Gunakan besi lembut sebagai teras
Kebocoran fluks magnet	Fluks daripada gegelung primer tidak dipautkan sepenuhnya kepada gegelung sekunder	Lilitkan gegelung sekunder di atas gegelung primer

Arus pusar juga bermanfaat. Dalam dapur aruhan, arus ulang-alik berfrekuensi tinggi dalam gegelung menghasilkan medan magnet berubah-ubah yang mengaruhkan arus pusar pada dasar kuali, lalu dasar kuali menjadi panas.

Gegelung di bawah permukaan seramik menghasilkan medan magnet berubah-ubah dan arus pusar dalam dasar kuali — Arus pusar pada dapur aruhan. (Rajah 4.35, m.s. 165)

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 (KSSM), Rajah 4.35, m.s. 165.

Kegunaan transformer (4.3.4)

Transformer injak turun	Transformer injak naik
Pengecas komputer riba, mesin fotokopi, mesin kimpalan	Ketuhar gelombang mikro, defibrilator, mesin sinar-X

Dalam sistem penghantaran dan pengagihan tenaga elektrik, transformer injak naik di stesen kuasa menaikkan voltan kabel kuasa supaya arus menjadi kecil. Hal ini mengurangkan kehilangan tenaga elektrik sebagai haba dalam kabel (P = I²R). Transformer injak turun di pencawang menurunkan voltan secara berperingkat hingga nilai yang sesuai untuk kegunaan perindustrian dan kediaman.

Sistem penghantaran dan pengagihan tenaga elektrik dari stesen kuasa: 20 kV, 275 kV, 132 kV, 33 kV, 11 kV, 230 V — Sistem penghantaran dan pengagihan tenaga elektrik. N ialah transformer injak naik; T ialah transformer injak turun. (Rajah 4.37, m.s. 167)

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 (KSSM), Rajah 4.37, m.s. 167.

Dalam transformer injak naik, voltan bertambah tetapi arus berkurang. Transformer tidak pernah menambah kuasa.

Sebuah transformer mempunyai 500 lilitan primer dan 50 lilitan sekunder. Voltan input ialah 240 V. Apakah voltan output?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

V_S = 240 × 50 / 500 = 24 V (injak turun).