Nota Fizik Tingkatan 5 Bab 3: Elektrik
Koleksi Latihan
| 1 | 2 |
| 3 | 4 |
| 5 | 6 |
RINGKASAN
Ringkasan Mudah Faham (Nota Fizik Tingkatan 5 Bab 3: Elektrik)
Bab ini meneroka konsep-konsep asas elektrik, bermula daripada medan elektrik sehinggalah kepada penggunaan tenaga dan kuasa dalam kehidupan seharian.
1. Arus dan Beza Keupayaan
• Medan Elektrik: Ia adalah kawasan di sekitar zarah bercas di mana sebarang cas elektrik lain akan mengalami daya elektrik. Garis medan elektrik sentiasa bermula dari cas positif dan berakhir pada cas negatif.
• Kekuatan Medan Elektrik (E): Ia ditakrifkan sebagai daya elektrik yang bertindak ke atas seunit cas positif. Rumusnya ialah E = F/q atau E = V/d untuk plat selari.
• Arus Elektrik (I): Ia adalah kadar pengaliran cas elektrik (Q) dalam satu konduktor. Rumusnya ialah I = Q/t. Unitnya ialah ampere (A).
• Beza Keupayaan (V): Ia adalah kerja (W) yang dilakukan untuk menggerakkan satu coulomb cas di antara dua titik. Rumusnya ialah V = W/Q. Unitnya ialah volt (V).
2. Rintangan
• Konduktor Ohm dan Bukan Ohm: Konduktor Ohm mematuhi Hukum Ohm, di mana graf V melawan I adalah garis lurus melalui asalan (rintangan malar). Konduktor bukan Ohm (seperti filamen mentol) tidak mematuhinya, dan rintangannya berubah dengan suhu.
• Litar Bersiri dan Selari:
◦ Bersiri: Arus sama di setiap perintang (I = I₁ = I₂). Beza keupayaan dijumlahkan (V = V₁ + V₂). Rintangan berkesan dijumlahkan (R = R₁ + R₂).
◦ Selari: Arus dijumlahkan (I = I₁ + I₂). Beza keupayaan sama di setiap cabang (V = V₁ = V₂). Rintangan berkesan dikira menggunakan rumus 1/R = 1/R₁ + 1/R₂.
• Faktor Mempengaruhi Rintangan Dawai:
◦ Panjang (l): Semakin panjang dawai, semakin besar rintangan (R ∝ l).
◦ Luas Keratan Rentas (A): Semakin besar luas keratan rentas, semakin kecil rintangan (R ∝ 1/A).
◦ Kerintangan (ρ): Bergantung pada jenis bahan dawai. Bahan berbeza mempunyai kerintangan berbeza.
◦ Rumus gabungan: R = ρl/A.
• Aplikasi Kerintangan: Dawai dengan kerintangan tinggi (cth: nikrom) digunakan sebagai elemen pemanas. Dawai dengan kerintangan rendah (cth: kuprum) digunakan sebagai wayar penyambung untuk mengurangkan kehilangan tenaga.
3. Daya Gerak Elektrik (d.g.e.) dan Rintangan Dalam
• Daya Gerak Elektrik (d.g.e. atau Ԑ): Ia adalah tenaga yang dibekalkan oleh sumber (seperti bateri) untuk menggerakkan satu coulomb cas dalam litar lengkap. Unitnya ialah volt (V). Ia diukur merentasi terminal bateri dalam litar terbuka (tiada arus mengalir).
• Rintangan Dalam (r): Rintangan yang wujud di dalam sumber elektrik (cth: bahan elektrolit dalam sel kering). Ia menyebabkan kehilangan tenaga (haba) dan mengakibatkan beza keupayaan merentasi terminal (V) lebih rendah daripada d.g.e. (Ԑ) apabila litar ditutup.
• Susutan Voltan (Ir): Kejatuhan voltan disebabkan oleh rintangan dalam. Rumusnya ialah Ir = Ԑ – V, atau boleh disusun menjadi Ԑ = I(R + r).
• Sambungan Sel Kering:
◦ Bersiri: Meningkatkan jumlah d.g.e. berkesan (Ԑ berkesan = Ԑ₁ + Ԑ₂) dan juga jumlah rintangan dalam (r berkesan = r₁ + r₂).
◦ Selari: Jumlah d.g.e. berkesan sama dengan d.g.e. satu sel (Ԑ berkesan = Ԑ). Ia mengurangkan jumlah rintangan dalam berkesan (1/r berkesan = 1/r₁ + 1/r₂).
4. Tenaga dan Kuasa Elektrik
• Tenaga Elektrik (E): Tenaga yang digunakan oleh peralatan elektrik. Rumusnya ialah E = VIt atau E = Pt. Unitnya ialah joule (J).
• Kuasa Elektrik (P): Kadar tenaga elektrik digunakan. Rumusnya ialah P = E/t, P = VI, P = I²R, atau P = V²/R. Unitnya ialah watt (W).
• Kos Penggunaan Tenaga: Syarikat utiliti mengira penggunaan tenaga dalam unit kilowatt-jam (kWj), di mana 1 kWj = 1 unit. Kos dikira dengan mendarabkan jumlah unit yang digunakan dengan kadar seunit.
• Penjimatan Tenaga: Langkah-langkah seperti mematikan suis apabila tidak digunakan, menggunakan peralatan cekap tenaga (seperti lampu LED), dan menggunakan mesin basuh dengan muatan penuh dapat mengurangkan penggunaan tenaga dan menjimatkan kos.
GLOSARI
| Istilah | Definisi |
| Arus (I) | Kadar pengaliran cas, Q, dalam satu konduktor. Rumus: I = Q/t. Unit: ampere (A). |
| Beza Keupayaan (V) | Kerja, W, yang dilakukan untuk menggerakkan satu coulomb cas di antara dua titik dalam suatu medan elektrik. Rumus: V = W/Q. Unit: volt (V). |
| Daya Gerak Elektrik (d.g.e.), Ԑ | Tenaga yang dibekalkan atau kerja yang dilakukan oleh satu sumber elektrik untuk menggerakkan satu coulomb cas dalam satu litar lengkap. Rumus: Ԑ = E/Q. Unit: volt (V). |
| Kekuatan Medan Elektrik (E) | Daya elektrik yang bertindak ke atas seunit cas positif yang terletak pada satu titik dalam medan elektrik. Rumus: E = F/q. Unit: newton per coulomb (N C⁻¹). |
| Kerintangan Dawai (ρ) | Suatu ukuran bagi keupayaan konduktor untuk menentang pengaliran arus elektrik. Unit: ohm-meter (Ω m). |
| Konduktor Bukan Ohm | Konduktor yang tidak mematuhi hukum Ohm. Rintangannya berubah dengan perubahan arus atau suhu. |
| Konduktor Ohm | Konduktor yang mematuhi hukum Ohm. Rintangannya malar pada suhu tetap. |
| Kuasa Elektrik (P) | Kadar tenaga elektrik yang digunakan atau dibekalkan. Rumus: P = E/t. Unit: watt (W). |
| Medan Elektrik | Kawasan sekitar suatu zarah bercas di mana sebarang cas elektrik yang berada dalam kawasan tersebut akan mengalami daya elektrik. |
| Meter Pintar | Peranti yang membolehkan penggunaan elektrik harian direkodkan dan ditukarkan kepada data yang boleh dipantau oleh pengguna melalui aplikasi mudah alih. |
| Rintangan (R) | Nisbah beza keupayaan merentasi suatu konduktor kepada arus yang mengalir melaluinya. Rumus: R = V/I. Unit: ohm (Ω). |
| Rintangan Dalam (r) | Rintangan yang disebabkan oleh bahan elektrolit di dalam suatu sumber elektrik (cth: sel kering). Unit: ohm (Ω). |
| Suhu Genting (Tc) | Suhu apabila kerintangan suatu superkonduktor menjadi sifar. |
| Superkonduktor | Bahan yang mengkonduksikan elektrik tanpa mengalami sebarang rintangan, biasanya pada suhu yang sangat rendah. |
| Susutan Voltan (Ir) | Perbezaan antara d.g.e. (Ԑ) dengan beza keupayaan merentasi terminal (V) apabila arus mengalir, disebabkan oleh rintangan dalam. Rumus: Ir = Ԑ – V. |
| Tenaga Elektrik (E) | Tenaga yang dipindahkan oleh litar elektrik. Rumus: E = VIt. Unit: joule (J). |
| Unit Elektrik (kWj) | Unit yang digunakan untuk menyukat penggunaan tenaga elektrik bagi tujuan pengebilan. 1 kWj = 1 unit. |
| Voltan Kerja | Beza keupayaan yang diperlukan untuk suatu alat elektrik beroperasi dalam keadaan normal. |
CONTOH SOALAN KBAT
Soalan dan Jawapan Kemahiran Berfikir Aras Tinggi (KBAT)
1. Soalan: Tenaga Nasional Berhad (TNB) melaburkan RM1.2 bilion untuk memasang meter pintar di seluruh negara. Berdasarkan konsep kecekapan tenaga dan teknologi maklumat, jelaskan bagaimana inovasi ini memberi manfaat kepada pengguna dan juga kepada TNB sendiri.
Jawapan: Pemasangan meter pintar oleh TNB membawa manfaat kecekapan tenaga yang signifikan melalui beberapa cara:
• Untuk Pengguna: Meter pintar merekodkan penggunaan elektrik harian dan menukarkannya kepada data yang boleh dipantau melalui aplikasi mudah alih. Ini membolehkan pengguna mengumpul dan menganalisis data penggunaan elektrik setiap jam. Dengan maklumat terperinci ini, pengguna boleh memantau corak penggunaan mereka dengan mudah dan mengambil langkah proaktif untuk menjimatkan penggunaan tenaga elektrik di rumah.
• Untuk TNB: Teknologi ini menghantar data penggunaan elektrik ke pusat kawalan melalui frekuensi radio (RF). Ini menghapuskan keperluan tenaga kerja TNB untuk bergerak dari rumah ke rumah bagi merekodkan bacaan meter secara manual. Proses automasi ini bukan sahaja mengurangkan kos operasi tetapi juga meningkatkan kecekapan keseluruhan syarikat. Secara tidak langsung, ia menyumbang kepada peningkatan kecekapan penggunaan tenaga elektrik di peringkat negara.
2. Soalan: Elemen pemanas di dalam cerek elektrik direka untuk menjadi sangat panas, manakala wayar penyambungnya direka untuk kekal sejuk. Dengan menggunakan prinsip kerintangan dawai (ρ), panjang dawai (l), dan luas keratan rentas (A) daripada rumus R = ρl/A, terangkan perbezaan reka bentuk kedua-dua komponen ini.
Jawapan: Perbezaan fungsi antara elemen pemanas dan wayar penyambung adalah hasil reka bentuk yang sengaja memanipulasi faktor-faktor yang mempengaruhi rintangan:
• Elemen Pemanas: Direka untuk mempunyai rintangan yang sangat tinggi bagi menghasilkan haba yang banyak (berdasarkan P = I²R). Ini dicapai dengan menggunakan bahan yang mempunyai kerintangan (ρ) yang tinggi, seperti nikrom. Selain itu, dawai dibuat sangat panjang (l) dan selalunya digelung untuk dimuatkan dalam ruang yang kecil, serta mempunyai luas keratan rentas (A) yang kecil (dawai nipis). Ketiga-tiga faktor ini bergabung untuk memaksimumkan rintangan (R).
• Wayar Penyambung: Direka untuk mempunyai rintangan yang sangat rendah bagi mengelakkan ia menjadi panas dan meminimumkan kehilangan tenaga. Ini dicapai dengan menggunakan bahan yang mempunyai kerintangan (ρ) yang sangat rendah, seperti kuprum. Wayar ini juga direka dengan luas keratan rentas (A) yang besar (dawai tebal) untuk mengurangkan lagi rintangannya.
3. Soalan: Seorang pelajar mengukur voltan sebuah sel kering baharu menggunakan voltmeter dan mendapat bacaan 1.5 V. Apabila sel kering itu disambungkan ke sebuah mentol dalam litar tertutup, bacaan voltmeter merentasi terminal sel kering menurun kepada 1.4 V. Jelaskan fenomena ini menggunakan konsep daya gerak elektrik (d.g.e.), rintangan dalam (r), dan beza keupayaan (V).
Jawapan: Fenomena ini dijelaskan oleh perbezaan antara d.g.e. dan beza keupayaan:
• Daya Gerak Elektrik (d.g.e.), Ԑ: Bacaan 1.5 V yang diambil dalam litar terbuka (apabila tiada arus mengalir) ialah d.g.e. sel kering. D.g.e. ialah jumlah tenaga yang dibekalkan oleh sumber untuk menggerakkan satu coulomb cas dalam satu litar lengkap.
• Rintangan Dalam (r): Setiap sel kering mempunyai rintangan dalam yang disebabkan oleh bahan elektrolit di dalamnya. Apabila arus (I) mengalir dalam litar tertutup, sebahagian tenaga elektrik digunakan untuk mengatasi rintangan dalam ini.
• Susutan Voltan (Ir): Kehilangan tenaga di dalam sel kering ini dikenali sebagai “susutan voltan”. Ia dikira sebagai hasil darab arus (I) dan rintangan dalam (r).
• Beza Keupayaan (V): Bacaan 1.4 V yang diambil dalam litar tertutup ialah beza keupayaan merentasi terminal sel. Ia adalah voltan yang tersedia untuk komponen luaran (mentol). Hubungannya ialah V = Ԑ – Ir. Oleh itu, beza keupayaan (V) sentiasa lebih rendah daripada d.g.e. (Ԑ) apabila arus mengalir disebabkan oleh susutan voltan merentasi rintangan dalam.
4. Soalan: Eksperimen untuk mengkaji hubungan antara voltan (V) dan arus (I) dijalankan ke atas dawai konstantan dan mentol berfilamen. Graf V melawan I bagi dawai konstantan adalah satu garis lurus yang melalui asalan, manakala graf bagi mentol adalah satu garis lengkung. Terangkan mengapa bentuk graf kedua-dua konduktor ini berbeza.
Jawapan: Perbezaan bentuk graf ini adalah kerana satu ialah konduktor Ohm dan satu lagi berkelakuan sebagai konduktor bukan Ohm dalam keadaan tertentu:
• Dawai Konstantan (Konduktor Ohm): Graf V melawan I adalah garis lurus, menunjukkan bahawa beza keupayaan (V) berkadar secara terus dengan arus (I). Ini bermakna rintangannya adalah malar. Dawai konstantan mematuhi Hukum Ohm kerana rintangannya tidak banyak berubah dengan peningkatan suhu yang sedikit semasa eksperimen.
• Mentol Berfilamen (Konduktor Bukan Ohm): Graf V melawan I adalah satu lengkung yang kecerunannya meningkat. Walaupun filamen tungsten adalah konduktor Ohm pada suhu rendah, apabila arus (I) yang mengalir melaluinya bertambah, suhu filamen meningkat dengan mendadak. Peningkatan suhu yang tinggi ini menyebabkan rintangan dawai filamen turut meningkat. Oleh kerana rintangan tidak lagi malar, ia tidak mematuhi Hukum Ohm, dan hubungan antara V dan I tidak lagi linear.
5. Soalan: Sebuah kereta elektrik (E.V.) memerlukan julat voltan bateri antara 300 V hingga 800 V untuk beroperasi. Sekiranya anda perlu membina pek bateri menggunakan sel-sel individu yang mempunyai d.g.e. yang rendah (contohnya 1.5 V setiap satu), adakah anda akan menyambungkan sel-sel ini secara bersiri atau selari untuk mencapai voltan yang tinggi ini? Justifikasikan jawapan anda.
Jawapan: Untuk mencapai voltan yang sangat tinggi, sel-sel bateri individu perlu disambungkan secara bersiri.
• Justifikasi: Apabila sel-sel kering disambungkan secara bersiri, jumlah daya gerak elektrik (d.g.e.) berkesan adalah hasil tambah d.g.e. setiap sel individu (Ԑ_jumlah = Ԑ₁ + Ԑ₂ + … + Ԑₙ). Ini membolehkan voltan keseluruhan pek bateri ditingkatkan secara signifikan untuk memenuhi keperluan voltan tinggi enjin kereta elektrik. Sebaliknya, sambungan secara selari akan mengekalkan d.g.e. pada nilai satu sel tunggal tetapi mengurangkan jumlah rintangan dalam berkesan, yang lebih sesuai untuk aplikasi yang memerlukan arus tahan lebih lama pada voltan yang sama. Oleh itu, sambungan bersiri adalah kaedah yang betul untuk meningkatkan voltan.