Nota Fizik Tingkatan 5 Bab 3: Elektrik
BAB 3: ELEKTRIK
Penerokaan interaktif bagi konsep arus, beza keupayaan, rintangan, daya gerak elektrik (d.g.e.), rintangan dalam, serta kuasa & tenaga elektrik.
Arus Elektrik
Arus elektrik, I ditakrifkan sebagai kadar pengaliran cas elektrik melalui suatu konduktor. Arus mengalir dari terminal positif ke terminal negatif (arah konvensional), manakala elektron sebenarnya mengalir dari terminal negatif ke terminal positif.
– I = Arus Elektrik (Ampere, \text{A})
– Q = Jumlah Cas Elektrik (Coulomb, \text{C})
– t = Masa (Saat, \text{s})
Beza Keupayaan
Beza keupayaan, V antara dua titik ialah kerja yang dilakukan atau tenaga yang dipindahkan untuk menggerakkan satu unit cas (1\text{ C}) dari satu titik ke titik yang lain dalam medan elektrik.
– V = Beza Keupayaan (Volt, \text{V})
– W = Kerja yang dilakukan / E = Tenaga (Joule, \text{J})
– Q = Jumlah Cas Elektrik (Coulomb, \text{C})
Simulasi Aliran Cas Elektrik
Kaji bagaimana perubahan beza keupayaan (Voltan) mempengaruhi kelajuan aliran elektron dan nilai arus elektrik.
Kesan Medan Elektrik terhadap Cas
Terokai fenomena fizikal apabila lilin diletakkan atau bola polistirena bersalut karbon diuji dalam medan elektrik bervoltan tinggi (EHT).
Bagaimanakah ia berfungsi?
Apabila EHT dihidupkan: Haba lilin mengionkan molekul udara kepada ion positif dan ion negatif.
• Ion Positif ditarik ke plat negatif (-).
• Ion Negatif / Elektron ditarik ke plat positif (+).
Mengapa nyalaan ke plat negatif lebih besar? Kerana jisim ion positif adalah lebih besar berbanding ion negatif/elektron!
Galeri Corak Medan Elektrik
Medan elektrik digambarkan dengan garis daya elektrik. Pilih jenis cas di bawah untuk melihat lakaran corak medan elektrik.
Hukum Ohm & Rintangan
Hukum Ohm menyatakan bahawa arus yang mengalir melalui suatu konduktor logam adalah berkadar terus dengan beza keupayaan yang merentasi konduktor itu, dengan syarat suhu dan keadaan fizikal lain adalah malar.
Di mana R ialah Rintangan konduktor dalam unit Ohm (\Omega).
Konduktor Ohm vs Bukan Ohm
- Konduktor Ohm: Dawai konstantan, dawai kuprum (graf V-I berupa garis lurus melintasi asalan).
- Konduktor Bukan Ohm: Mentol berfilamen (rintangan meningkat seiring peningkatan suhu filamen, graf V-I melengkung ke atas).
Uji Grafik Konduktor
Faktor yang Mempengaruhi Rintangan Dawai
Rintangan suatu dawai konduktor bergantung kepada panjang (l), luas keratan rentas (A), kerintangan bahan (\rho), dan suhu konduktor.
Parameter Konduktor
R berkadar terus dengan panjang (R \propto l)
R berkadar songsang dengan luas keratan rentas (R \propto 1/A)
Konduktor yang mempunyai panjang yang tinggi, luas keratan rentas kecil, dan kerintangan tinggi akan menghasilkan rintangan yang maksima.
Superkonduktor & Suhu Genting (T_c)
Superkonduktor ialah bahan konduktor yang mempunyai rintangan sifar (0\ \Omega) apabila diturunkan suhunya sehingga mencapai suhu genting, T_c. Kehilangan rintangan membolehkan arus mengalir tanpa sebarang kehilangan tenaga haba, sangat berguna dalam pembuatan kereta api Maglev dan mesin MRI.
Daya Gerak Elektrik (\mathcal{E}) & r
• Daya Gerak Elektrik (d.g.e.), \mathcal{E}: Tenaga yang dibekalkan oleh satu sumber elektrik (seperti sel kering) kepada setiap coulomb cas yang mengalir dalam satu litar lengkap. Diukur semasa litar terbuka (arus I = 0).
• Rintangan Dalam, r: Rintangan yang dialami oleh cas elektrik di dalam sel kering disebabkan elektrolit/bahan kimia. Menyebabkan kehilangan voltan (jatuh voltan, Ir) apabila arus mengalir.
Di mana:
– \mathcal{E} = Daya Gerak Elektrik (\text{V})
– V = Beza keupayaan terminal (\text{V})
– Ir = Jatuh Voltan (\text{V})
Perbezaan d.g.e. vs Beza Keupayaan Terminal, V
| Ciri | D.G.E. (\mathcal{E}) | Beza Keupayaan terminal (V) |
|---|---|---|
| Keadaan Litar | Litar Terbuka (Suis dibuka) | Litar Tertutup (Suis ditutup) |
| Nilai Arus, I | I = 0 | I > 0 |
| Bacaan Voltmeter | Maksimum (Sama dengan d.g.e.) | Lebih rendah daripada d.g.e. (V < \mathcal{E}) |
| Punca Perbezaan | – | Sebahagian tenaga hilang sebagai haba disebabkan oleh rintangan dalam (Ir) |
Eksperimen Maya: Menentukan d.g.e. & r
Lakukan simulasi amalan makmal. Laraskan rheostat, catat mata graf, dan plotkan graf secara automatik untuk menganalisis keputusan eksperimen.
Hanya boleh dilaraskan apabila suis ditutup!
| No. | Arus, I (A) | Voltan, V (V) |
|---|---|---|
| Tiada data dirakam. Tutup suis dan klik ‘Catat Titik Data’ | ||
Sambungan Sel Kering: Siri vs Selari
Penyambungan beberapa sel kering akan mempengaruhi nilai d.g.e keseluruhan dan juga jumlah rintangan dalam dalam litar.
Jumlah d.g.e. dan rintangan dalam meningkat
Apabila sel-sel kering disambung secara bersiri (hujung ke pangkal), jumlah d.g.e bertambah kerana voltan setiap sel bertambah manakala rintangan dalam terkumpul.
d.g.e. tidak berubah, Rintangan dalam berkurang
Apabila beberapa sel kering disambung secara selari (sebelah-menyebelah), jumlah d.g.e kekal sama dengan d.g.e satu sel, tetapi jumlah rintangan dalam berkurang. Sel kering dapat membekalkan arus dalam jangka hayat yang lebih lama.
Tenaga & Kuasa Elektrik
• Tenaga Elektrik, E: Keupayaan arus elektrik untuk melakukan kerja. Unit SI ialah Joule (\text{J}).
• Kuasa Elektrik, P: Kadar tenaga elektrik yang dipindahkan atau ditukarkan kepada bentuk tenaga lain. Unit SI ialah Watt (\text{W}) yang bersamaan dengan 1\text{ J s}^{-1}.
E = VIt
E = I^2Rt
E = \frac{V^2}{R}t
P = VI
P = I^2R
P = \frac{V^2}{R}
Kecekapan Tenaga
Kecekapan tenaga ialah peratusan tenaga elektrik input yang ditukarkan kepada bentuk tenaga output yang berfaedah (contohnya tenaga cahaya bagi mentol). Sebahagian tenaga selebihnya hilang sebagai haba atau bunyi.
Kalkulator Penggunaan & Kos Bil Elektrik TNB
Ketahui cara pengiraan bil elektrik rumah anda berdasarkan blok tarif TNB Malaysia (Domestik/Kediaman) yang terkini.
Pilih Perkakas Elektrik
Pecahan Blok Tarif TNB Terpakai (Kediaman):
Tips Penjimatan Hijau: Menukarkan lampu filamen biasa (60\text{ W}) kepada lampu LED yang cekap (12\text{ W}) mengekalkan kecerahan yang serupa tetapi mengurangkan kos tenaga sehingga 80%!
Rumus Ringkas Bab 3
Gunakan kad rujukan pantas ini untuk menghafal formula penting sebelum menduduki peperiksaan.
Penyelesai Formula Fizik Automatik
Pilih formula, masukkan pembolehubah yang anda tahu, dan sistem akan mengira pembolehubah tidak diketahui beserta jalan pengiraannya!
Koleksi Latihan
| 1 | 2 |
| 3 | 4 |
| 5 | 6 |
GLOSARI DIGITAL: ELEKTRIK (BAB 3)
Arus (I)
Kadar pengaliran cas, Q, dalam satu konduktor.
Beza Keupayaan (V)
Kerja, W, yang dilakukan untuk menggerakkan satu coulomb cas di antara dua titik.
Rintangan (R)
Nisbah beza keupayaan merentasi konduktor kepada arus yang mengalir melaluinya.
Medan Elektrik
Kawasan di mana cas elektrik akan mengalami daya elektrik.
Kekuatan Medan (E)
Daya elektrik yang bertindak ke atas seunit cas positif pada satu titik.
Kerintangan Dawai (ρ)
Ukuran keupayaan konduktor untuk menentang pengaliran arus elektrik secara intrinsik.
Superkonduktor
Bahan yang mengkonduksikan elektrik tanpa rintangan pada suhu yang sangat rendah.
Suhu Genting (T꜀)
Suhu apabila kerintangan suatu superkonduktor menjadi sifar.
Konduktor Ohm
Konduktor yang mematuhi hukum Ohm; rintangan malar pada suhu tetap.
Konduktor Bukan Ohm
Konduktor yang rintangannya berubah dengan perubahan arus atau suhu (cth: filamen lampu).
Daya Gerak Elektrik (Ԑ)
Tenaga dibekalkan oleh sumber untuk menggerakkan seunit cas dalam litar lengkap.
Rintangan Dalam (r)
Rintangan disebabkan oleh bahan elektrolit di dalam sumber elektrik.
Susutan Voltan (Ir)
Perbezaan antara d.g.e. dengan beza keupayaan terminal apabila arus mengalir.
Tenaga Elektrik (E)
Jumlah tenaga yang dipindahkan oleh litar elektrik dalam masa tertentu.
Kuasa Elektrik (P)
Kadar tenaga elektrik yang digunakan atau dibekalkan.
Unit Elektrik (kWj)
Unit penyukatan tenaga bagi tujuan pengebilan (1 unit = 1 kWj).
Meter Pintar
Peranti rekod data elektrik masa nyata yang boleh dipantau melalui aplikasi.
CONTOH SOALAN KBAT
Latihan Kemahiran Berfikir Aras Tinggi
CONTOH SOALAN KBAT
Latihan Kemahiran Berfikir Aras Tinggi
TNB melaburkan RM1.2 bilion untuk pemasangan meter pintar. Jelaskan bagaimana inovasi ini memberi manfaat kepada pengguna dan TNB berdasarkan konsep kecekapan tenaga.
Manfaat Pengguna
Data harian dipantau melalui aplikasi. Pengguna boleh menganalisis corak penggunaan setiap jam dan mengambil langkah proaktif untuk menjimatkan tenaga.
Manfaat TNB
Data dihantar melalui Frekuensi Radio (RF) ke pusat kawalan. Menghapuskan keperluan bacaan manual, mengurangkan kos operasi, dan meningkatkan kecekapan bekalan.
Terangkan perbezaan reka bentuk antara elemen pemanas (panas) dan wayar penyambung (sejuk) menggunakan prinsip rintangan $R = \frac{\rho l}{A}$.
Elemen Pemanas: Memerlukan $R$ yang sangat tinggi untuk haba maksima. Menggunakan bahan kerintangan ($\rho$) tinggi (nikrom), dawai yang sangat panjang ($l$), dan luas keratan rentas ($A$) yang kecil (nipis).
Wayar Penyambung: Memerlukan $R$ yang sangat rendah. Menggunakan bahan kerintangan ($\rho$) rendah (kuprum) dan luas keratan rentas ($A$) yang besar (tebal).
Mengapa bacaan voltmeter menurun daripada 1.5 V (litar terbuka) kepada 1.4 V apabila mentol dinyalakan? Jelaskan menggunakan konsep d.g.e. dan rintangan dalam.
1. Daya Gerak Elektrik (Ԑ): Bacaan 1.5 V ialah tenaga bekalan per unit cas dalam litar terbuka.
2. Rintangan Dalam (r): Elektrolit di dalam sel menghalang pengaliran cas.
3. Susutan Voltan (Ir): Apabila arus mengalir, sebahagian tenaga digunakan untuk mengatasi rintangan dalam ($V_{drop} = Ir$).
Terangkan mengapa graf V-I dawai konstantan adalah garis lurus manakala graf mentol berfilamen adalah melengkung.
Konduktor Ohm (Konstantan)
Beza keupayaan berkadar terus dengan arus. Rintangan malar kerana suhu dawai tidak banyak berubah.
Konduktor Bukan Ohm (Filamen)
Peningkatan arus menyebabkan suhu filamen meningkat mendadak, lantas meningkatkan rintangan ($R$). Graf melengkung ke atas.
Kereta elektrik (E.V.) memerlukan voltan tinggi (300V-800V). Adakah anda menyambungkan sel 1.5V secara bersiri atau selari? Wajarkan.
Jawapan: Secara BERSIRI.
Wajaran: Dalam sambungan bersiri, jumlah daya gerak elektrik adalah hasil tambah setiap sel ($\varepsilon_{total} = \varepsilon_1 + \varepsilon_2 + \dots$). Ini membolehkan voltan pek bateri ditingkatkan untuk memenuhi keperluan kuasa tinggi enjin E.V.