NOTA FIZIK TINGKATAN 5 BAB 4

Ringkasan Konsep Utama (Nota Fizik Tingkatan 5 Bab 4: Keelektromagnetan)

Dokumen ini merangkumkan prinsip-prinsip asas keelektromagnetan, meliputi daya magnet, aruhan elektromagnet, dan aplikasi transformer. Konsep-konsep ini adalah penting dalam pelbagai teknologi harian, daripada motor elektrik kepada sistem penjanaan dan penghantaran kuasa.

4.1 Daya ke atas Konduktor Pembawa Arus dalam Medan Magnet

Apabila konduktor yang membawa arus diletakkan di dalam medan magnet, ia akan mengalami satu daya. Daya ini wujud hasil daripada interaksi antara dua medan magnet: medan magnet yang dihasilkan oleh arus dalam konduktor dan medan magnet daripada magnet kekal (contohnya, magnet Magnadur). Gabungan kedua-dua medan ini menghasilkan medan magnet paduan yang dikenali sebagai medan lastik.

• Prinsip Medan Lastik: Kawasan di mana garis-garis medan magnet daripada kedua-dua sumber berada dalam arah yang sama akan menjadi medan magnet yang kuat. Sebaliknya, kawasan di mana garis-garis medan bertentangan arah akan menjadi medan magnet yang lemah. Perbezaan kekuatan medan ini menghasilkan satu daya paduan yang menolak konduktor dari kawasan medan kuat ke kawasan medan lemah.

• Petua Tangan Kiri Fleming: Arah daya yang bertindak ke atas konduktor boleh ditentukan menggunakan Petua Tangan Kiri Fleming:

    ◦ Ibu Jari: Menunjukkan arah Daya (atau gerakan).

    ◦ Jari Telunjuk: Menunjukkan arah Medan Magnet (dari kutub utara ke selatan).

    ◦ Jari Tengah: Menunjukkan arah Arus elektrik.

• Faktor-faktor yang Mempengaruhi Magnitud Daya: Magnitud daya yang terhasil bergantung kepada:

    1. Magnitud Arus (I): Semakin besar arus yang mengalir, semakin besar daya yang dihasilkan.

    2. Kekuatan Medan Magnet (B): Medan magnet yang lebih kuat akan menghasilkan daya yang lebih besar.

Aplikasi: Motor Arus Terus (a.t.)

Prinsip daya ke atas konduktor pembawa arus digunakan dalam motor arus terus, yang menukarkan tenaga elektrik kepada tenaga kinetik (tenaga putaran).

• Struktur Asas: Sebuah motor a.t. ringkas terdiri daripada gegelung pembawa arus yang diletakkan di antara kutub-kutub magnet kekal. Hujung gegelung disambungkan kepada komutator, iaitu sebentuk gelang terbelah dua. Berus karbon yang pegun bersentuhan dengan komutator untuk menyalurkan arus dari bekalan kuasa ke gegelung.

• Prinsip Kerja:

    1. Apabila arus mengalir melalui gegelung, sisi-sisi gegelung (cth: AB dan CD) yang berada dalam medan magnet akan mengalami daya dalam arah yang bertentangan (satu ke atas, satu ke bawah).

    2. Pasangan daya ini menghasilkan putaran pada gegelung.

    3. Selepas separuh putaran, setiap bahagian komutator akan bersentuhan dengan berus karbon yang berlainan. Ini menyebabkan arah arus dalam gegelung disongsangkan.

    4. Penyongsangan arus ini memastikan daya pada setiap sisi gegelung sentiasa bertindak dalam arah yang sama, membolehkan gegelung terus berputar dalam satu arah.

• Faktor-faktor Mempengaruhi Kelajuan Putaran Motor: Kelajuan putaran boleh ditingkatkan dengan:

    1. Menambah magnitud arus dalam gegelung.

    2. Menggunakan medan magnet yang lebih kuat.

    3. Menambah bilangan lilitan pada gegelung.

• Motor Tanpa Berus (Brushless Motor): Versi moden motor yang tidak menggunakan berus karbon dan komutator. Dalam motor ini, gegelung adalah pegun manakala magnet berputar. Kelebihannya termasuk kurang geseran, tiada percikan bunga api, operasi yang lebih senyap, dan kurang kehausan.

4.2 Aruhan Elektromagnet

Aruhan elektromagnet ialah fenomena penghasilan daya gerak elektrik (d.g.e.) aruhan merentasi suatu konduktor apabila terdapat gerakan relatif antara konduktor dengan medan magnet, atau apabila konduktor berada dalam medan magnet yang berubah-ubah. Jika konduktor disambungkan kepada litar lengkap, d.g.e. aruhan ini akan menghasilkan arus aruhan.

• Hukum Faraday: Menyatakan bahawa magnitud d.g.e. aruhan adalah berkadar terus dengan kadar pemotongan fluks magnet. Ini bermakna d.g.e. aruhan akan bertambah jika:

    1. Laju gerakan relatif antara konduktor dan magnet bertambah.

    2. Kekuatan medan magnet bertambah.

    3. Bilangan lilitan gegelung (untuk solenoid) bertambah.

• Menentukan Arah Arus Aruhan:

    ◦ Petua Tangan Kanan Fleming (untuk dawai lurus):

        ▪ Ibu Jari: Arah Gerakan konduktor.

        ▪ Jari Telunjuk: Arah Medan Magnet.

        ▪ Jari Tengah: Arah Arus Aruhan.

    ◦ Hukum Lenz (untuk solenoid): Menyatakan bahawa arus aruhan sentiasa mengalir pada arah yang menentang perubahan fluks magnet yang menyebabkannya. Contohnya, jika kutub utara magnet ditolak ke dalam solenoid, hujung solenoid itu akan menjadi kutub utara untuk menolak magnet tersebut.

Aplikasi: Penjana Arus

Penjana menukarkan tenaga kinetik kepada tenaga elektrik melalui aruhan elektromagnet. Terdapat dua jenis utama:

• Penjana Arus Terus (a.t.): Menggunakan komutator gelang terbelah untuk menyongsangkan sambungan kepada litar luar setiap separuh putaran. Ini memastikan arus output mengalir dalam satu arah sahaja.

• Penjana Arus Ulang-alik (a.u.): Menggunakan dua gelang gelincir. Setiap hujung gegelung disambung secara tetap kepada satu gelang. Ini menyebabkan arah arus output berubah setiap separuh putaran, menghasilkan arus ulang-alik.

4.3 Transformer

Transformer ialah alat yang digunakan untuk mengubah voltan bagi bekalan arus ulang-alik (a.u.) melalui prinsip aruhan elektromagnet. Ia tidak berfungsi dengan bekalan arus terus (a.t.) kerana medan magnet yang tetap tidak dapat mengaruhkan d.g.e. dalam gegelung sekunder.

• Struktur Asas: Terdiri daripada dua gegelung dawai yang dililit pada satu teras besi lembut berlamina.

    ◦ Gegelung Primer: Disambung kepada bekalan kuasa input (voltan primer, Vp).

    ◦ Gegelung Sekunder: Disambung kepada litar output (voltan sekunder, Vs).

• Prinsip Kerja:

    1. Arus ulang-alik yang mengalir melalui gegelung primer menghasilkan medan magnet yang sentiasa berubah-ubah dari segi magnitud dan arah.

    2. Teras besi lembut memautkan fluks magnet yang berubah-ubah ini kepada gegelung sekunder.

    3. Perubahan fluks magnet ini memotong gegelung sekunder dan mengaruhkan satu voltan ulang-alik (d.g.e. aruhan) merentasinya.

• Jenis-jenis Transformer:

    ◦ Transformer Injak Naik (Step-up): Bilangan lilitan sekunder (Ns) lebih banyak daripada bilangan lilitan primer (Np). Voltan output lebih tinggi daripada voltan input (Vs > Vp).

    ◦ Transformer Injak Turun (Step-down): Bilangan lilitan sekunder (Ns) lebih sedikit daripada bilangan lilitan primer (Np). Voltan output lebih rendah daripada voltan input (Vs < Vp).

• Persamaan Transformer: Hubungan antara voltan dan bilangan lilitan ialah: Vₛ / Vₚ = Nₛ / Nₚ

Kecekapan Transformer

• Transformer Unggul: Transformer yang ideal tanpa kehilangan tenaga (kecekapan 100%). Bagi transformer unggul, kuasa input sama dengan kuasa output: Kuasa Input = Kuasa Output VₚIₚ = VₛIₛ

• Kehilangan Tenaga: Dalam transformer sebenar, tenaga hilang terutamanya sebagai haba disebabkan oleh:

    1. Rintangan Gegelung: Pemanasan dawai kuprum. Dikurangkan dengan menggunakan dawai yang lebih tebal.

    2. Arus Pusar: Arus teraruh dalam teras besi. Dikurangkan dengan menggunakan teras besi berlamina.

    3. Histerisis: Tenaga diperlukan untuk memagnetkan dan menyahmagnetkan teras besi secara berterusan. Dikurangkan dengan menggunakan teras daripada besi lembut.

    4. Kebocoran Fluks Magnet: Tidak semua fluks magnet dari primer dipautkan ke sekunder. Dikurangkan dengan melilit gegelung sekunder di atas gegelung primer.

• Kecekapan (η): Didefinisikan sebagai: η = (Kuasa Output / Kuasa Input) × 100%

• Aplikasi: Transformer amat penting dalam sistem penghantaran dan pengagihan tenaga elektrik. Transformer injak naik digunakan di stesen janakuasa untuk menaikkan voltan (dan menurunkan arus) bagi mengurangkan kehilangan kuasa semasa penghantaran. Transformer injak turun digunakan di pencawang untuk menurunkan voltan secara berperingkat kepada nilai yang selamat untuk pengguna industri dan kediaman.

Soalan dan Jawapan KBAT (Kemahiran Berfikir Aras Tinggi)

Soalan 1: Bandingkan dan bezakan prinsip kerja motor arus terus dengan penjana arus terus. Jelaskan bagaimana sebuah motor boleh diubah suai untuk berfungsi sebagai penjana, berdasarkan struktur dan komponen yang diterangkan dalam konteks sumber.

Jawapan: Motor arus terus dan penjana arus terus beroperasi berdasarkan prinsip yang berkait rapat tetapi berbeza.

• Prinsip Kerja: Motor arus terus menukarkan tenaga elektrik kepada tenaga kinetik. Ia menggunakan kesan putaran gegelung pembawa arus dalam medan magnet. Sebaliknya, penjana arus terus menukarkan tenaga kinetik (putaran oleh daya luar) kepada tenaga elektrik melalui prinsip aruhan elektromagnet, di mana gegelung yang berputar memotong fluks magnet untuk mengaruhkan d.g.e.

• Struktur: Kedua-duanya mempunyai struktur asas yang serupa, iaitu terdiri daripada gegelung, magnet kekal, berus karbon, dan komutator jenis gelang terbelah.

• Perbezaan Fungsi Komponen: Dalam motor, bekalan kuasa a.t. membekalkan arus kepada gegelung melalui berus karbon dan komutator, menghasilkan daya yang menyebabkan putaran. Dalam penjana, daya luar memutarkan gegelung. Putaran ini menyebabkan pemotongan fluks magnet, dan d.g.e. aruhan yang terhasil disalurkan keluar melalui komutator dan berus karbon sebagai arus terus.

• Pengubahsuaian: Sebuah motor arus terus boleh diubah suai menjadi penjana (dinamo) dengan menyambungkan terminal outputnya kepada galvanometer (atau mentol) dan memutarkan gandar gegelungnya menggunakan daya luar. Apabila gegelung diputarkan secara mekanikal dalam medan magnet, ia akan memotong fluks magnet dan menjana arus aruhan, yang boleh dikesan oleh galvanometer.

——————————————————————————–

Soalan 2: Berdasarkan konsep pembrekan elektromagnet yang digunakan pada menara jatuh (drop tower), reka bentuk satu sistem pembrekan kecemasan ringkas untuk sebuah lif. Terangkan bagaimana sistem anda akan berfungsi sekiranya berlaku kegagalan kuasa, dengan mengaplikasikan Hukum Faraday dan Hukum Lenz.

Jawapan: Sistem pembrekan kecemasan elektromagnet untuk lif boleh direka bentuk berdasarkan prinsip yang sama seperti menara jatuh.

1. Reka Bentuk: Pasang satu siri magnet kekal yang sangat kuat pada bahagian bawah kabin lif. Pada bahagian bawah aci lif, pasang jalur-jalur konduktor tebal (seperti kuprum atau aluminium) secara menegak.

2. Prinsip Kerja (Kegagalan Kuasa): Jika kuasa gagal, lif akan mula jatuh bebas di bawah tarikan graviti. Apabila kabin lif yang mempunyai magnet kekal bergerak melepasi jalur konduktor dengan laju, berlaku gerakan relatif antara magnet dan konduktor.

3. Aplikasi Hukum Faraday: Menurut Hukum Faraday, gerakan relatif yang laju ini menyebabkan pemotongan fluks magnet yang pantas oleh jalur konduktor. Ini akan mengaruhkan d.g.e. (dan seterusnya arus aruhan atau arus pusar) yang besar di dalam jalur konduktor.

4. Aplikasi Hukum Lenz: Menurut Hukum Lenz, arus aruhan yang terhasil akan mengalir pada arah yang menentang perubahan fluks magnet yang menyebabkannya. Ini bermakna medan magnet yang dihasilkan oleh arus aruhan akan menentang gerakan lif yang sedang jatuh itu. Daya tolakan akan terhasil antara medan magnet aruhan dan magnet kekal pada lif, mewujudkan daya pembrekan yang kuat untuk memperlahankan dan akhirnya menghentikan lif dengan selamat tanpa memerlukan bekalan kuasa luar.

——————————————————————————–

Soalan 3: Sebuah transformer unggul disambungkan kepada bekalan kuasa 240 V. Ia direka untuk membekalkan kuasa 48 W pada voltan 12 V. Jika transformer ini digunakan secara tidak sengaja untuk membekalkan kuasa kepada sebuah alat yang memerlukan voltan 24 V, jelaskan mengapa alat tersebut tidak akan berfungsi secara optimum dan bincangkan risiko yang mungkin berlaku pada litar sekunder dan alat itu sendiri.

Jawapan: Transformer tersebut ialah transformer injak turun yang direka untuk menurunkan voltan dari 240 V ke 12 V.

• Ketidakfungsian Optimum: Alat yang memerlukan 24 V tidak akan berfungsi secara optimum kerana ia hanya menerima 12 V, iaitu separuh daripada voltan yang diperlukan. Ini akan menyebabkan alat itu beroperasi pada kuasa yang jauh lebih rendah, mungkin tidak dapat dihidupkan langsung atau berfungsi dengan sangat perlahan dan tidak cekap.

• Risiko pada Litar: Walaupun voltan output (12 V) lebih rendah daripada yang diperlukan (24 V), risiko wujud jika alat tersebut cuba menarik lebih banyak arus untuk mencapai kuasa yang diperlukan (P = VI). Jika rintangan dalaman alat rendah, ia mungkin menarik arus yang lebih tinggi daripada yang mampu dibekalkan oleh gegelung sekunder transformer.

• Implikasi: Arus yang berlebihan dalam litar sekunder boleh menyebabkan dawai gegelung sekunder menjadi terlalu panas akibat kesan pemanasan (rintangan gegelung). Ini boleh merosakkan penebat dawai, menyebabkan litar pintas, atau membakar gegelung sekunder transformer itu sendiri. Walaupun risiko kerosakan pada alat 24 V akibat voltan rendah adalah kecil, risiko utama adalah pada transformer yang dipaksa beroperasi di luar spesifikasinya.

——————————————————————————–

Soalan 4: Sistem penghantaran dan pengagihan tenaga elektrik menggunakan transformer injak naik di stesen kuasa dan transformer injak turun di pencawang. Terangkan dari segi fizikal dan kuantitatif mengapa langkah ini penting untuk meminimumkan kehilangan kuasa semasa penghantaran. Gunakan hubungan P = VI dan P = I²R.

Jawapan: Langkah menaikkan dan menurunkan voltan adalah kritikal untuk kecekapan sistem penghantaran elektrik.

1. Di Stesen Kuasa (Injak Naik): Tenaga elektrik dijana pada voltan yang agak rendah (cth: 20 kV). Transformer injak naik digunakan untuk meningkatkan voltan ini ke tahap yang sangat tinggi (cth: 132 kV atau 275 kV).

2. Kesan kepada Arus: Berdasarkan prinsip transformer unggul, kuasa input hampir sama dengan kuasa output (P_input ≈ P_output). Menggunakan formula kuasa P = VI, apabila voltan (V) dinaikkan dengan sangat tinggi, arus (I) dalam kabel penghantaran akan menjadi sangat kecil untuk memindahkan jumlah kuasa yang sama.

3. Meminimumkan Kehilangan Kuasa: Kabel penghantaran mempunyai rintangan dalaman (R) yang tetap. Kehilangan kuasa dalam kabel ini berlaku dalam bentuk haba dan diberikan oleh formula P_hilang = I²R. Oleh kerana kehilangan kuasa berkadar terus dengan kuasa dua arus (I²), mengurangkan arus secara signifikan akan mengurangkan kehilangan kuasa dengan amat ketara. Contohnya, jika arus dikurangkan 10 kali, kehilangan kuasa akan berkurang 100 kali.

4. Di Pencawang (Injak Turun): Sebelum tenaga elektrik diagihkan kepada pengguna industri atau kediaman, transformer injak turun digunakan untuk menurunkan voltan tinggi secara berperingkat kepada nilai yang lebih selamat dan sesuai (cth: 33 kV, 11 kV, dan akhirnya 230 V untuk kediaman). Ini memastikan pengguna menerima voltan yang betul untuk peralatan mereka. Kesimpulannya, penggunaan transformer injak naik dan injak turun membolehkan penghantaran kuasa pada voltan tinggi dan arus rendah, yang secara drastik mengurangkan kehilangan tenaga sebagai haba dalam kabel kuasa.