FIZIK (TINGKATAN 5)BAB 3 KEELEKTROMAGNETAN3.1 Analisis Kesan Magnet Ke Atas Konduktor yang Membawa Arus3.2 Analisis Memahami Daya Saling Tindakan di Antara Konduktor Berarus dengan Medan Magnet3.3 Analisis Aruhan Elektromagnet3.4 Analisis Transformer3.5 Memahami Penjanaan dan Penghantaran Arus Elektrik

3.1 Analisis Kesan Magnet Ke Atas Konduktor yang Membawa Arus

Medan magnet

- kawasan di sekitar satu magnet atau satu konduktor yang membawa arus di mana satu daya magnet akan bertindak pada suatu bahan magnet.

-Terdiri daripada garis magnet atau fluks magnet.

Arah medan magnet

- arah daya magnet yang bertindak pada kutub utara yang bergerak dalam medan magnet itu.

Elektromagnet

-magnet yang terhasil apabila satu teras besi lembut dililitkan dengan gegelung dawai bertebat dan arus mengalir melalui gegelung dawai bertebat tersebut.

Mengkaji corak dan arah medan magnet

(a) Corak dan arah medan magnet pada dawai lurus

(b) Corak dan arah medan magnet pada gegelung bulat

Aplikasi Elektromagnet

3.1 Analisis Kesan Magnet Ke Atas Konduktor yang Membawa Arus

1. Di pusat atom, terdapat nukleus yang terdiri daripada proton dan neutron.

2. Zarah-zarah yang mengelilingi nukleus ialah elektron.

3. Proton bercas positif.4. Elektron bercas negatif.5. Neutron adalah tidak bercas.

UNIT CAS ELEKTRIK1.Cas elektrik diwakili simbol Q.2.Unit cas elektrik ialah coulomb, C.3.Cas bagi 1 elektron = -1.6 x 10 C4.Cas bagi 1 proton = 1.6 x 10 C

• Atom adalah neutral (bilangan cas positif = bilangan cas negatif)• Atom bercas positif (bilangan cas positif > bilangan cas negatif)• Atom bercas negatif (bilangan cas positif < bilangan cas negatif)

- Objek yang mempunyai cas yang sama akan saling menolak.

- Objek yang mempunyai cas yang berlainan akan saling menarik.

Arus elektrik didefinisikan sebagai kadar pengaliran cas elektrik

I = arus (A)Q = cas elektrik (C)t = masa (s)

MEDAN ELEKTRIK1.Medan elektrik – kawasan yang mana cas elektrik ditindakkan oleh satu daya cas elektrik.2.Rajah di bawah menunjukkan medan elektrik yang mengelilingi cas positif dan cas negatif berbentuk sfera.

3. Garisan medan daya atau daya elektrik menunjukkan arah dan magnitud medan elektrik tersebut.

4. Arah daya elektrik ditunjukkan oleh arah daya elektrik yang bertindak pada satu cas penguji positif yang mendekati sfera bercas.

5. Cas penguji positif mendekati sfera bercas positif, cas ditolak.

6. Cas penguji positif mendekati sfera bercas negatif, cas ditarik.

7. Kekuatan medan elektrik – ditunjukkan oleh ketumpatan garis medan elektrik yang mengelilingi cas tersebut.

Rajah di bawah menunjukkan susunan radas yang digunakan untuk menunjukkan corak medan elektrik yang disebabkan bentuk objek bercas dan sebaran cas.

Minyak masak digunakan kerana minyak ialah penebat elektrik, beza keupayaan yang tinggi dikekalkan semasa merentasi elektrod.

Biji benih tidak mengalami daya geseran apabila bergerak di dalam minyak.

Rajah-rajah di bawah menunjukkan medan elektrik yang berlainan dengan menggunakan elektrod yang berlainan bentuk.

Garis medan elektrik mempunyai ciri-ciri berikut:• Garis medan berasal dari satu objek yang bercas positif dan berakhir pada objek bercas negatif.

• Garis medan tidak bersilang dengan garis yang lain.

• Garis medan bertemu pada permukaan objek bercas pada sudut serenjang.

• Garis medan mempunyai ketumpatan paling tinggi di tempat yang mempunyai keamatan cas yang tinggi.

Kesan Medan Elektrik pada Satu Cas

Sebiji bola ping pong bersalut cas logam

- Sebiji bola ping pong bersalut logam digantung di tengah-tengah dua plat logam yang disambungkan kepada terminal positif dan negatif bekalan V.L.T.

- Daya elektrik bertindak pada bola ping pong mengimbangi antara satu sama lain. Bola ping pong kekal di tengah-tengah.

Nyalaan lilin dalam medan elektrik

1. Rajah menunjukkan sebatang lilin yang sedang menyala diletakkan di tengah-tengah 2 plat logam yang disambung kepada V.L.T.

2. Apabila bekalan V.L.T. dihidupkan, nyalaan lilin disebarkan ke 2 arah yang berlawanan. Sebahagian besar api terpesong ke plat negatif, sebahagian kecil api terpesong ke plat positif.

3. Tenaga haba dari nyalaan lilin mengionkan molekul-molekul udara sekeliling menjadi ion positif dan negatif.

4. Ion positif lebih berat dan bergerak lebih perlahan. Bahagian nyalaan yang lebih besar ditarik ke plat negatif.

5. Ion negatif jauh lebih ringan, kecil dan lebih cepat bergerak ke plat positif, maka sebahagian nyalaan yang lebih kecil ditarik ke plat positif.

6. Nyalaan api tersebar tanpa simetri.

2.2 Analisis Hubungkait antara Arus Elektrik dan Beza Keupayaan

• Semasa bateri disambungkan kepada litar, medan elektrik dihasilkan.

• Terminal positif P mempunyai keupayaan elektrik yang lebih tinggi berbanding terminal negatif Q.

• Beza keupayaan antara dua terminal menyebabkan cas elektrik mengalir dalam litar dan menyalakan mentol.

Beza keupayaan (V) antara dua titik ditakrifkan sebagai kerja yang dilakukan (W) atau tenaga (E) untuk menggerakkan satu unit cas (Q) daripada satu titik ke titik yang lain dalam medan elektrik. Unit SI ialah Volt (V).

Contoh 1:Dalam suatu litar tertutup, 6V bateri digunakan untuk mengalirkan 40 C cas elektrik melalui sebiji mentol. Berapakah kerja yang dilakukan untuk mengalirkan cas elektrik melalui mentol tersebut?

Contoh 2:Jika 72 J tenaga diperlukan untuk mengalirkan 6 C cas elektrik melalui dua plat logam yang selari, apakah beza keupayaan merentasi dua plat logam tersebut?

Perhubungan antara arus elektrik dan beza keupayaan

1. Semakin besar beza keupayaan atau voltan, semakin besar arus elektrik.

2. Semasa beza keupayaan antara dua titik dalam litar bertambah, arus yang mengalir melaluinya bertambah.

3. Semasa beza keupayaan (V) antara dua titik berkurang, arus (I) berkurang.

4. Beza keupayaan adalah berkadar terus dengan arus yang mengalir melaluinya.

Hukum Ohm

• Arus elektrik (I) yang mengalir melalui konduktor berkadar terus dengan beza keupayaan (V) yang merentasi konduktor itu jika suhu dan sifat fizikal yang lain dimalarkan.

atau = pemalar

• Graf V melawan I ialah garis lurus melalui titik asalan.

• Kecerunan graf ialah pemalar.

Rintangan

• Rintangan (R) bagi satu konduktor ialah nisbah beza keupayaan (V) merentasi konduktor kepada arus elektrik (I) yang mengalir melalui konduktor itu.

• Unit bagi rintangan ialah Ohm (Ω) atau volt per ampere.

• Konduktor mempunyai rintangan 1 Ω jika arus elektrik 1 A mengalir melalui konduktor apabila beza keupayaan yang merentasinya ialah 1 V.

Konduktor Ohm – konduktor yang mematuhi Hukum Ohm. Contoh: wayar konstantan.

Konduktor Bukan Ohm – konduktor yang tidak mematuhi Hukum Ohm. Contoh: mentol.

Faktor-faktor yang Mempengaruhi Rintangan Merentasi Satu Konduktor

1. Panjang konduktor

• Untuk konduktor yang sama bahan dan keratan rentas, rintangan R adalah berkadar terus dengan panjang konduktor (l).

• Semakin bertambah panjang konduktor, semakin bertambah rintangan.

2. Luas keratas rentas dawai

• Untuk konduktor yang sama bahan dan panjang, rintangan R adalah berkadar songsang kepada luas keratan rentas A.

• Semakin bertambah luas keratan rentas dawai, semakin berkurang rintangan.

3. Suhu

• Untuk konduktor yang sama bahan, panjang dan keratan rentas, rintangan R bertambah dengan suhunya.

4. Jenis bahan dawai

• Apabila panjang, keratan rentas dan suhu dawai dimalarkan, bahan yang berbeza mempunyai rintangan yang berbeza.

Masalah melibatkan beza keupayaan, arus dan rintangan

Contoh:Suatu arus 0.5A mengalir melalui wayar dengan beza keupayaan 12 V. (a)Berapakah rintangan wayar tersebut?(b)Berapakah arus yang melalui wayar jika beza keupayaan ditingkatkan kepada 15 V?

Superkonduktor

• Sesetengah bahan menjadi superkonduktor dengan rintangan sifar apabila bahan itu disejukkan di bawah suhu tertentu.

• Suhu di mana bahan menjadi superkonduktor ialah suhu genting.

• Suhu genting biasanya menghampiri sifar mutlak.

• Superkonduktor akan mengkonduksi arus elektrik tanpa sebarang rintangan. Arus elektrik boleh terus mengalir tanpa bekalan kuasa.

Rajah menunjukkan perubahan rintangan dengan suhu bagi suatu superkonduktor.

Contoh Aplikasi Superkonduktor

1.Gegelung dawai superkonduktor pada elektromagnet menghasilkan medan magnet yang sangat kuat dengan pemanasan minimum. Arus elektrik yang amat tinggi dialirkan dan sangat berguna dalam keretapi apungan-magnetik.

2. Superkonduktor digunakan dalam alat diagnostik seperti pengimejan resonans magnetik (MRI).

3. Kabel penghantaran kuasa elektrik yang diperbuat daripada superkonduktor mengalirkan kuasa elektrik dengan pembebasan haba yang minimum.

Pengimejan Resonans Magnetik Kabel penghantaran kuasa elektrik

2.3 Analisis Litar Siri dan Litar Selari

Perbandingan antara Litar Siri dan Litar Selari

Rintangan Berkesan bagi Perintang yang Disambung Secara Sesiri dan Selari

Contoh 1:

Contoh 2: (SPM 2008)

2.4 Analisis Daya Gerak Elektrik dan Rintangan Dalaman

Daya Gerak Elektrik (d.g.e)

Sel kering membekalkan tenaga untuk menggerakkan elektron dari terminal negatif ke terminal positif.

Kerja yang dilakukan oleh bekalan kuasa untuk menggerakkan elektron mengelilingi litar

Daya gerak elektrik (d.g.e) suatu sumber ditakrifkan sebagai kerja yang dilakukan oleh sumber untuk menggerakkan satu unit cas mengelilingi satu litar lengkap.

Rintangan Dalaman

Bacaan voltmeter menurun apabila suis ditutup (litar dihidupkan) disebabkan rintangan dalaman.

Rintangan dalaman ialah rintangan yang disebabkan oleh elektrolit dalam sumber elektrik.

Hubungkait antara d.g.e., E dan Rintangan Dalaman, r

• Beza keupayaan untuk menggerakkan elektron mengelilingi perintang dalaman, r adalah bersamaan dengan beza antara E dan V.

E – V = IrE = V + Ir

• Jika R ialah rintangan luaran,E = IR + IrE = I(R+r)

Cuba selesaikan soalan berikutnya:

1.Satu sel kering membekalkan arus sebanyak 0.20A apabila disambungkan kepada satu perintang 10Ω. Jika satu lagi perintang 12Ω disambungkan secara sesiri dengan perintang yang pertama, sel kering tersebut hanya dapat membekalkan arus sebanyak 0.10A. Hitungkan

(a) d.g.e.(b) rintangan dalaman sel kering.

2.5 Analisis Tenaga Elektrik dan Kuasa

Tenaga Elektrik Tenaga elektrik adalah tenaga yang dibawa oleh cas elektrik. Tenaga elektrik boleh diubah kepada bentuk tenaga berlainan.

Contoh:Rajah 2.25 menunjukkan tiga perintang yang disambung secara selari dengan satu bateri yang mempunyai d.g.e. 12V dan rintangan dalaman 2Ω. Hitung tenaga yang digunakan oleh perintang 3Ω dalam masa 5 minit.

Kadar Kuasa dan Penggunaan Tenaga oleh Alat Elektrik

kadar kuasa alat elektrik menunjukkan kadar penggunaan tenaga elektrik. Suatu alat elektrik dengan kadar kuasa 1500 W menggunakan kuasa 1500 J tenaga elektrik per saat. Sebuah komputer riba berlabel 65 W, 240 V menggunakan 65 J tenaga elektrik setiap saat apabila ia disambungkan kepada bekalan kuasa 240 V. Lebih banyak tenaga digunakan jika nilai kadar kuasa lebih tinggi dan masa penggunaan lebih lama. Unit yang digunakan dalam bil elektrik untuk menghitung tenaga elektrik ialah kilowatt-jam (kWj). 1 unit tenaga elektrik bersamaan dengan 1 kWj.

1 kWj = 1 kW x 1 jam= 1000 W x (60 x 60)s= 3600000 J

Keberkesanan Alat Elektrik

Apabila tenaga elektrik digunakan oleh alat elektrik, hanya sebahagian tenaga diubah kepada tenaga yang berguna untuk melakukan kerja. Tenaga yang selebihnya hilang sebagai tenaga haba ke persekitaran.

Kecekapan alat elektrik diberi oleh:

Contoh:

Sebuah pemanas rendam berlabel 240 V, 300 W membekalkan tenaga haba 70 J per saat. (a)Apakah keberkesanan bagi pemanas rendam tersebut?(b)Berapakah kehilangan tenaga dalam masa satu jam?