Nota Pengajian Kejuruteraan Elektrik Dan Elektronik Tingkatan 4 Bab 2: Penghasilan Arus Terus (AT) Dan Arus Ulang-alik (AU) Daripada Penuaian Tenaga Boleh Baharu
RINGKASAN
Ringkasan Mudah (Nota Pengajian Kejuruteraan Elektrik Dan Elektronik Tingkatan 4 Bab 2: Penghasilan Arus Terus (AT) Dan Arus Ulang-alik (AU) Daripada Penuaian Tenaga Boleh Baharu)
Dokumen ini meneroka konsep-konsep asas berkaitan tenaga, elektrik, dan kelestarian alam sekitar. Ia bermula dengan Teknologi Hijau, yang didefinisikan sebagai pembangunan produk dan sistem yang memelihara alam sekitar dan mengurangkan kesan negatif aktiviti manusia. Dasar Teknologi Hijau Negara disokong oleh empat tonggak utama: Tenaga, Alam Sekitar, Ekonomi, dan Sosial.
Seterusnya, ia membincangkan dua jenis sumber tenaga utama: tenaga boleh baharu (seperti solar, hidro, angin) yang tidak akan habis dan lebih mesra alam, dan tenaga tidak boleh baharu (seperti arang batu, petroleum) yang terhad dan mempunyai kesan negatif kepada alam sekitar. Konsep penuaian tenaga dijelaskan sebagai proses menukar tenaga dari sumber semula jadi kepada tenaga elektrik.
Fokus kemudian beralih kepada dua jenis arus elektrik:
1. Arus Terus (AT): Arus yang mengalir dalam satu arah sahaja, biasanya daripada sumber seperti bateri. Ciri utamanya ialah ia tidak mempunyai frekuensi. Litar AT dianalisis menggunakan Hukum Ohm (menghubungkan voltan, arus, dan rintangan) dan Hukum Kirchhoff (Hukum Arus dan Hukum Voltan).
2. Arus Ulang-alik (AU): Arus yang sentiasa berubah arah pengalirannya secara berkala dan mempunyai frekuensi. Ia dijana oleh stesen jana kuasa dan digunakan secara meluas. Gelombang AU mempunyai ciri-ciri seperti voltan puncak, frekuensi, dan tempoh. Litar AU melibatkan komponen seperti perintang (R), pemuat (C), dan pearuh (L), yang menghasilkan rintangan kompleks yang dikenali sebagai galangan (Z).
Secara keseluruhannya, modul ini menyediakan asas yang kukuh dalam memahami bagaimana tenaga elektrik dijana daripada pelbagai sumber, perbezaan antara AT dan AU, serta undang-undang dan komponen asas yang mengawal litar elektrik, semuanya dalam konteks kepentingan Teknologi Hijau.
GLOSARI
| Istilah | Definisi |
| Apakah definisi dan ciri Arus Terus (AT) | Arus yang mempunyai magnitud tetap dan mengalir dalam satu arah sahaja. Ia tidak mempunyai frekuensi. |
| Apakah definisi dan ciri utama Arus Ulang-alik (AU) | Sejenis arus elektrik yang mengalir dalam dua keadaan (positif atau negatif), bermula dari sifar ke maksimum positif, ke sifar, ke maksimum negatif, dan kembali kepada sifar. Ia mempunyai frekuensi. |
| Apakah itu Cas (Q) dan apakah unit ukurannya? | Sifat fizik bagi jirim yang menyebabkannya mengalami daya apabila ditempatkan dalam medan elektromagnet. Unitnya ialah coulomb (C). |
| Apakah tujuan Dasar Teknologi Hijau Negara diwujudkan? | Dasar yang diwujudkan oleh kerajaan untuk menyelaraskan pertumbuhan industri Teknologi Hijau, memastikan pembangunan mapan, dan meningkatkan kesedaran awam. |
| Senaraikan Empat Tonggak Dasar Teknologi Hijau | Asas utama dasar yang merangkumi sektor Tenaga, Alam Sekitar, Ekonomi, dan Sosial. |
| Apakah definisi Faktor Kuasa (kos θ) dalam litar AU? | Nisbah antara kuasa nyata (P) dengan kuasa ketara (S) dalam litar AU. Ia juga boleh dikira sebagai nisbah Rintangan (R) kepada Galangan (Z). |
| Apakah definisi Frekuensi (f) dan unit ukurannya? | Bilangan kitar lengkap gelombang AU dalam satu saat. Unitnya ialah Hertz (Hz). |
| Apakah Galangan (Z) dalam litar Arus Ulang-alik (AU) | Jumlah rintangan dalam litar AU yang merupakan gabungan kesan daripada perintang (R), regangan kearuhan (XL), dan regangan kemuatan (XC). Diukur dalam unit Ohm (Ω). |
| Apakah itu Gas Rumah Hijau (GHG)? | Gas yang menyumbang kepada kesan rumah hijau, seperti karbon dioksida. Teknologi Hijau bertujuan untuk mengurangkan pembebasan gas ini. |
| Apakah yang dinyatakan oleh Hukum Arus Kirchhoff (HAK) | Menyatakan bahawa jumlah algebra arus yang masuk dan keluar pada satu nod (titik pertemuan litar) adalah bersamaan dengan sifar. |
| Nyatakan Hukum Ohm | Menyatakan bahawa arus (I) yang mengalir melalui beban adalah berkadar terus dengan voltan (V) dan berkadar songsang dengan rintangan (R) pada suhu tetap. |
| Apakah prinsip Hukum Voltan Kirchhoff (HVK) | Menyatakan bahawa jumlah algebra voltan susut pada satu gelung tertutup adalah bersamaan dengan sifar. |
| Apakah sifat Kearuhan (L) dalam sesuatu litar? | Sifat penentangan terhadap sebarang perubahan pengaliran arus dalam sesuatu litar. Unitnya ialah Henry (H). |
| Apakah sifat Kemuatan (C) dalam sesuatu litar? | Sifat penentangan terhadap sebarang perubahan nilai beza upaya dalam sesuatu litar, yang membolehkan komponen menyimpan cas elektrik. Unitnya ialah Farad (F). |
| Apakah definisi Kuasa (P) dan unit ukurannya? | Kadar melakukan kerja. Diukur dalam unit Watt (W). |
| Apakah ciri-ciri Litar Siri? | Litar di mana dua atau lebih komponen disambungkan pada satu nod yang sama, membentuk satu laluan tunggal untuk arus. |
| Apakah ciri-ciri Litar Selari? | Litar di mana dua atau lebih komponen disambungkan pada dua nod yang sama, menyediakan beberapa laluan untuk arus. |
| Apakah kegunaan Osiloskop? | Alat pengukuran yang dapat memaparkan bentuk gelombang elektrik, di mana paksi menegak mewakili voltan dan paksi mendatar mewakili masa. |
| Apakah yang dimaksudkan dengan Pembangunan Mapan? | Pembangunan yang dilaksanakan untuk memenuhi keperluan semasa tanpa menjejaskan keperluan generasi masa akan datang. |
| Apakah komponen pasif Pearuh (Inductor)? | Komponen pasif yang terbentuk daripada lilitan dawai pengalir yang mempunyai sifat kearuhan. |
| Apakah fungsi komponen Pemuat (Capacitor)? | Komponen pasif yang mempunyai sifat menyimpan cas elektrik, terdiri daripada dua plat logam yang dipisahkan oleh bahan dielektrik. |
| Apakah fungsi Penjana Fungsi? | Alat yang boleh membekalkan pelbagai bentuk gelombang (seperti sinus, segi empat) kepada osiloskop untuk tujuan pengujian. |
| Apakah fungsi Penuaian Tenaga? | Konsep penting di mana tenaga dari sumber semula jadi (seperti solar, angin, kinetik) dituai atau ditukar kepada tenaga elektrik. |
| Apakah fungsi Perintang (Resistor)? | Peranti yang mengehadkan pengaliran arus melaluinya di dalam sesuatu litar dan menyebabkan susutan voltan berlaku. |
| Apakah itu Regangan (X) dalam litar AU? | Rintangan yang dihasilkan oleh pearuh (Regangan Kearuhan, XL) atau pemuat (Regangan Kemuatan, XC) dalam litar AU. Diukur dalam unit Ohm (Ω). |
| Apakah definisi Rintangan (R) dan unit ukurannya? | Sifat penentangan terhadap pengaliran arus elektrik. Diukur dalam unit Ohm (Ω). |
| Sumber Tenaga Boleh Baharu | Tenaga yang diperoleh daripada alam semula jadi, tidak akan habis, dan lebih mesra alam. Contoh: solar, hidro, angin, biomas. |
| Sumber Tenaga Tidak Boleh Baharu | Tenaga yang terhad, tidak boleh diganti, dan akan kehabisan. Contoh: arang batu, minyak, gas asli, nuklear. |
| Teknologi Hijau | Pembangunan dan aplikasi produk, peralatan, serta sistem untuk memelihara alam sekitar dan alam semula jadi serta meminimumkan kesan negatif daripada aktiviti manusia. |
| Tempoh (T) | Masa yang diperlukan oleh suatu gelombang sinus AU untuk melengkapkan satu kitaran. Unitnya ialah saat (s). |
| Voltan (V) | Beza upaya antara dua titik yang membolehkan arus mengalir dalam litar. Juga dikenali sebagai daya gerak elektrik (dge). Unitnya ialah volt (V). |
| Voltan Punca Min Kuasa Dua (Vpmkd) | Nilai berkesan bagi voltan ulang-alik, yang bersamaan dengan 70.7% daripada nilai puncak voltan (Vp). |
CONTOH SOALAN KBAT
Soalan Kemahiran Berfikir Aras Tinggi (KBAT)
1. Soalan: Mengapakah pengamalan Teknologi Hijau amat penting untuk pembangunan mapan Malaysia, dengan mengambil kira impaknya terhadap tonggak tenaga, ekonomi, sosial, dan alam sekitar?
Jawapan: Pengamalan Teknologi Hijau adalah penting untuk pembangunan mapan Malaysia kerana ia mewujudkan keseimbangan antara kemajuan dan pemuliharaan untuk generasi akan datang.
• Tenaga: Ia meningkatkan kecekapan tenaga dan mengurangkan kebergantungan kepada sumber tidak boleh baharu seperti petroleum yang akan habis.
• Ekonomi: Ia merangsang pertumbuhan industri Teknologi Hijau, mengurangkan kos penjanaan elektrik, dan secara tidak langsung memperlahankan peningkatan kos sara hidup, memacu ekonomi dengan baik.
• Sosial: Dengan kos penjanaan yang lebih rendah, kadar tarif elektrik boleh dikurangkan, sekali gus meningkatkan kualiti hidup masyarakat dan mengurangkan beban kos sara hidup.
• Alam Sekitar: Ia meminimumkan pembebasan Gas Rumah Hijau (GHG), mengurangkan pencemaran, serta membantu menangani isu perubahan iklim dan pemanasan global. Tanpa Teknologi Hijau, alam sekitar akan terus tercemar, memberi kesan negatif kepada semua hidupan.
2. Soalan: Sebuah komuniti di kawasan pedalaman tidak mempunyai akses kepada grid elektrik kebangsaan. Cadangkan satu sistem penuaian tenaga boleh baharu yang paling sesuai untuk komuniti ini. Terangkan komponen utama, proses penjanaan elektrik, dan justifikasi pilihan anda.
Jawapan: Sistem penuaian tenaga solar adalah yang paling sesuai untuk komuniti pedalaman.
• Komponen Utama: Panel fotovolta, pengawal pengecas, bateri, dan penyongsang (inverter).
• Proses Penjanaan:
1. Panel Fotovolta: Menukarkan tenaga cahaya daripada sinaran matahari kepada tenaga elektrik dalam bentuk Arus Terus (AT).
2. Pengawal Pengecas: Mengawal pengaliran arus terus dari panel ke bateri untuk mengelakkan pengecasan berlebihan dan ke beban.
3. Bateri: Menyimpan tenaga elektrik yang dihasilkan untuk digunakan pada waktu malam atau ketika tiada cahaya matahari.
4. Penyongsang: Menukarkan Arus Terus (AT) yang disimpan dalam bateri kepada Arus Ulang-alik (AU) untuk digunakan oleh peralatan elektrik biasa.
• Justifikasi: Sistem solar sesuai kerana ia tidak bergantung pada lokasi geografi yang spesifik seperti hidro atau angin, kos penyelenggaraannya rendah selepas pemasangan, dan ia mesra alam. Panel volta terbukti berkesan untuk menjana elektrik bagi kawasan pedalaman yang belum menerima bekalan elektrik daripada pihak berkuasa.
3. Soalan: Apabila satu mentol dalam litar siri terbakar, semua mentol lain akan padam. Namun, dalam litar selari, mentol lain akan terus berfungsi. Dengan menggunakan prinsip litar siri dan selari, jelaskan mengapa perbezaan ini berlaku.
Jawapan: Perbezaan ini berlaku disebabkan oleh cara arus dan voltan diagihkan dalam kedua-dua litar.
• Litar Siri: Komponen disambungkan dalam satu laluan tunggal. Arus yang sama (IJ = I1 = I2) mengalir melalui setiap mentol. Jika satu mentol terbakar, litar menjadi terbuka (putus), dan pengaliran arus akan terhenti sepenuhnya, menyebabkan semua mentol lain padam. Voltan sumber pula dibahagikan antara mentol (VJ = V1 + V2), menyebabkan kecerahan mentol berkurangan jika lebih banyak mentol ditambah.
• Litar Selari: Komponen disambungkan pada dua nod yang sama, mewujudkan beberapa cabang laluan untuk arus. Jumlah arus dibahagikan antara cabang (IJ = I1 + I2), tetapi setiap mentol menerima voltan penuh yang sama daripada sumber (VJ = V1 = V2). Jika satu mentol terbakar, hanya cabang tersebut yang terputus. Arus masih boleh mengalir melalui cabang-cabang lain, membolehkan mentol lain terus berfungsi tanpa terjejas kecerahannya.
4. Soalan: Dasar Teknologi Hijau Kebangsaan menggariskan penggunaan Teknologi Hijau dalam Sektor Bangunan. Bagaimanakah penerapan Teknologi Hijau dalam pembinaan sesebuah bangunan komersial dapat memberi impak positif kepada empat tonggak dasar tersebut?
Jawapan: Penerapan Teknologi Hijau dalam bangunan komersial memberi impak positif yang menyeluruh:
• Tenaga: Bangunan hijau direka bentuk untuk menjadi cekap tenaga. Contohnya, penggunaan panel solar sebagai sumber elektrik tambahan, sistem pencahayaan LED, dan reka bentuk yang memaksimumkan cahaya semula jadi akan mengurangkan penggunaan tenaga daripada grid.
• Alam Sekitar: Penggunaan bahan binaan mesra alam, sistem pengurusan sisa dan air sisa yang cekap, serta reka bentuk yang mengurangkan jejak karbon akan meminimumkan kesan negatif bangunan tersebut kepada alam sekitar.
• Ekonomi: Walaupun kos pembinaan awal mungkin lebih tinggi, kos operasi jangka panjang akan berkurangan dengan ketara disebabkan penjimatan bil elektrik dan air. Ini memberi pulangan pelaburan yang baik dan meningkatkan nilai hartanah tersebut.
• Sosial: Bangunan hijau menyediakan persekitaran yang lebih sihat dan selesa untuk penghuninya, seperti kualiti udara dalaman yang lebih baik dan persekitaran kerja yang kondusif. Ini dapat meningkatkan produktiviti dan kualiti hidup pekerja.
5. Soalan: Hukum Arus Kirchhoff (HAK) dan Hukum Voltan Kirchhoff (HVK) adalah dua prinsip asas dalam analisis litar elektrik. Jelaskan bagaimana kedua-dua hukum ini diaplikasikan untuk menganalisis litar siri-selari yang kompleks.
Jawapan: Dalam litar siri-selari, kedua-dua hukum digunakan secara gabungan untuk mencari nilai arus dan voltan yang tidak diketahui.
1. Permudahkan Litar: Bahagian litar yang selari diselesaikan terlebih dahulu untuk mendapatkan rintangan setara (contoh: RJ1 = (R2 * R3) / (R2 + R3)). Litar kini menjadi litar siri yang lebih mudah.
2. Aplikasi HVK: Dalam litar siri yang telah dipermudahkan, Hukum Voltan Kirchhoff digunakan. Ia menyatakan jumlah algebra voltan susut pada satu gelung tertutup adalah sifar (VS – V1 – VRJ1 = 0). Ini membolehkan kita mengira jumlah arus (IJ) yang mengalir keluar dari sumber, dan juga voltan susut merentasi setiap komponen siri.
3. Aplikasi HAK: Setelah voltan susut pada bahagian selari (VRJ1) diketahui, kita kembali ke litar asal. Hukum Arus Kirchhoff diaplikasikan pada nod di mana litar bercabang. Ia menyatakan jumlah arus yang masuk ke satu nod sama dengan jumlah arus yang keluar (IJ = I2 + I3). Dengan ini, arus yang mengalir melalui setiap cabang selari (I2 dan I3) dapat dihitung menggunakan formula pembahagi arus atau Hukum Ohm. Dengan gabungan HVK dan HAK, setiap nilai voltan dan arus dalam litar siri-selari yang kompleks dapat ditentukan.
SOALAN LAZIM (FAQ)
Soalan Lazim (FAQ)
1. Apakah definisi Teknologi Hijau? Teknologi Hijau merujuk kepada pembangunan dan aplikasi produk, peralatan serta sistem untuk memelihara alam sekitar dan alam semula jadi serta meminimumkan atau mengurangkan kesan negatif daripada aktiviti manusia. Ia merupakan teknologi rendah karbon, lebih mesra alam, dan selaras dengan konsep pembangunan mapan.
2. Apakah empat tonggak utama Dasar Teknologi Hijau Kebangsaan? Empat tonggak utama Dasar Teknologi Hijau Kebangsaan adalah:
• Tenaga: Mengurangkan kebergantungan tenaga dan mempromosikan kecekapan tenaga.
• Alam Sekitar: Memulihara dan meminimumkan kesan negatif kepada alam sekitar.
• Ekonomi: Meningkatkan pembangunan ekonomi negara melalui penggunaan teknologi mesra alam.
• Sosial: Meningkatkan kualiti hidup untuk semua.
3. Apakah perbezaan utama antara sumber tenaga boleh baharu dan tidak boleh baharu? Sumber tenaga boleh baharu adalah tenaga yang diperoleh daripada alam semula jadi, tidak akan habis, dan sentiasa wujud (contoh: solar, angin, hidro). Sumber tenaga tidak boleh baharu pula adalah tenaga yang terhad, tidak boleh ditambah atau diganti, dan akan kehabisan pada masa akan datang (contoh: arang batu, petroleum, gas asli).
4. Apakah perbezaan antara Arus Terus (AT) dan Arus Ulang-alik (AU)? Arus Terus (AT) ialah arus yang mempunyai magnitud tetap dan mengalir dalam satu arah sahaja, tidak mempunyai frekuensi, dan biasanya digunakan sehingga kapasiti bekalannya habis (contoh: bateri). Arus Ulang-alik (AU) pula mempunyai frekuensi, digunakan untuk aplikasi berkuasa besar dengan bekalan berterusan, dan merupakan jenis arus yang dibekalkan melalui sistem grid elektrik (contoh: bekalan elektrik di rumah).
5. Apakah yang dinyatakan oleh Hukum Ohm? Hukum Ohm menyatakan bahawa arus (I) yang mengalir melalui beban adalah berkadar terus dengan voltan (V) yang merentasi beban dan berkadar songsang dengan rintangan (R) beban tersebut, dengan syarat suhu adalah tetap. Formulanya ialah V = IR.