Nota Fizik Tingkatan 5 Bab 4: Keelektromagnetan
Bab 4: Keelektromagnetan
Daya Magnet, Aruhan & Transformer
4.1 Daya Magnet pada Konduktor
Apabila konduktor yang membawa arus berada di dalam suatu medan magnet, satu daya (F) akan bertindak ke atas konduktor tersebut. Konsep ini digunakan dalam Motor Arus Terus (D.C. Motor).
Petua Tangan Kiri Fleming
Digunakan untuk menentukan arah daya (atau gerakan) bagi motor.
- I Ibu Jari: Daya / Gerakan (F)
- T Jari Telunjuk: Medan Magnet (B)
- H Jari Hantu: Arus Elektrik (I)
Simulasi Motor Arus Terus (D.C)
Arus dan medan magnet menghasilkan daya yang memutarkan gegelung.
4.2 Aruhan Elektromagnet
Aruhan elektromagnet terhasil apabila terdapat pemotongan fluks magnet (perubahan medan magnet) oleh suatu konduktor, menghasilkan Daya Gerak Elektrik (d.g.e) aruhan.
Hukum Faraday
Magnitud d.g.e aruhan berkadar terus dengan kadar pemotongan fluks magnet.
(Makin laju gerak/Makin banyak lilitan = Makin tinggi arus)
Hukum Lenz
Arah arus aruhan yang terhasil sentiasa mengalir pada arah yang menentang perubahan fluks magnet yang menghasilkannya.
Simulasi Aruhan (Solenoid)
Gerakkan magnet masuk dan keluar daripada solenoid untuk memotong fluks magnet.
4.3 Transformer
Transformer ialah alat yang digunakan untuk menaikkan atau menurunkan beza keupayaan (Voltan) arus ulang-alik (a.u) berdasarkan prinsip aruhan elektromagnet.
Persamaan Transformer
Vp
Np
- Vp : Voltan Primer (Input)
- Vs : Voltan Sekunder (Output)
- Np : Bilangan lilitan gegelung Primer
- Ns : Bilangan lilitan gegelung Sekunder
Kalkulator Transformer Dinamik
Koleksi Latihan
| 1 | 2 |
| 3 | 4 |
| 5 | 6 |
GLOSARI DIGITAL ELEKTROMAGNET
Aruhan Elektromagnet
Penghasilan d.g.e. aruhan apabila terdapat gerakan relatif antara konduktor dengan medan magnet.
Hukum Faraday
Magnitud d.g.e. aruhan adalah berkadar terus dengan kadar pemotongan fluks magnet.
Hukum Lenz
Arus aruhan sentiasa mengalir pada arah yang menentang perubahan fluks magnet yang menyebabkannya.
Petua Tangan Fleming
Kanan: Arah arus aruhan (Penjana).
Kiri: Arah daya (Motor).
Medan Lastik
Medan magnet paduan hasil interaksi antara medan magnet konduktor pembawa arus dengan magnet kekal.
Motor Arus Terus
Menukarkan tenaga elektrik kepada kinetik menggunakan prinsip daya ke atas konduktor dalam medan magnet.
Komutator
Gelang logam terbelah untuk menyongsangkan arah arus setiap separuh putaran dalam mesin arus terus.
Penjana (Generator)
Menukarkan tenaga mekanikal kepada elektrik. a.t.: Menggunakan komutator. a.u.: Menggunakan gelang gelincir.
Motor Tanpa Berus
Motor moden di mana gegelung adalah pegun dan magnet berputar; tanpa berus karbon atau komutator.
Transformer
Alat yang mengubah voltan arus ulang-alik menggunakan prinsip aruhan elektromagnet saling.
Injak Naik vs Injak Turun
Injak Naik: $V_s > V_p$ ($N_s > N_p$).
Injak Turun: $V_s < V_p$ ($N_s < N_p$).
Kecekapan ($\eta$)
Nisbah kuasa output kepada kuasa input.
Arus Pusar (Eddy Current)
Arus teraruh dalam teras besi yang menyebabkan kehilangan tenaga dalam bentuk haba.
Transformer Unggul
Transformer hipotetikal dengan kecekapan 100%. Tiada kehilangan tenaga ($P_{in} = P_{out}$).
ZON ANALISIS KBAT: ELEKTROMAGNET
Analisis mendalam mengenai aplikasi prinsip Fizik dalam senario teknikal. Sila fikirkan logik anda sebelum mendedahkan jawapan.
Motor vs Penjana Arus Terus
Bandingkan prinsip kerja motor a.t. dan penjana a.t. Bagaimanakah sebuah motor boleh diubah suai untuk berfungsi sebagai penjana?
Motor A.T.
Elektrik $\rightarrow$ Kinetik. Menggunakan Kesan Putaran gegelung dalam medan magnet.
Penjana A.T.
Kinetik $\rightarrow$ Elektrik. Menggunakan Aruhan Elektromagnet (pemotongan fluks).
Pengubahsuaian: Sambungkan terminal output ke galvanometer dan putarkan gandar secara mekanikal. Gerakan relatif akan menjana arus aruhan melalui pemotongan fluks magnet.
Sistem Brek Kecemasan Lif
Reka satu sistem pembrekan kecemasan lif tanpa bekalan kuasa luar menggunakan Hukum Faraday dan Hukum Lenz.
Rekaan: Pasang magnet kekal kuat pada kabin lif dan jalur konduktor tebal (kuprum) pada aci lif.
Hukum Faraday: Lif jatuh $\rightarrow$ Pemotongan fluks pantas $\rightarrow$ Arus pusar besar teraruh dalam jalur kuprum.
Hukum Lenz: Arus aruhan menghasilkan medan magnet yang menentang gerakan lif, mewujudkan daya pembrekan automatik.
Dilema Voltan Transformer
Jika transformer 12V digunakan untuk alat 24V secara tidak sengaja, apakah risiko pada litar dan alat tersebut?
- Operasi Lemah: Alat hanya menerima separuh voltan, menyebabkan kegagalan fungsi atau kecekapan rendah.
- Risiko Arus Berlebihan: Alat mungkin menarik lebih banyak arus untuk mencapai kuasa $P=VI$.
- Kerosakan Transformer: Pemanasan melampau pada gegelung sekunder boleh membakar penebat dan menyebabkan litar pintas.
Kecekapan Grid Nasional
Mengapa voltan dinaikkan (injak naik) semasa penghantaran kuasa jarak jauh? Buktikan menggunakan hubungan kuasa.
Tujuan utama adalah untuk mengurangkan kehilangan kuasa sebagai haba dalam kabel.
2. $P_{hilang} = I^2 R$
Kesimpulan: Pengurangan arus ($I$) secara kecil mengurangkan kehilangan kuasa secara besar (kuasa dua).
*Contoh: Arus turun 10x, kehilangan haba turun 100x!