NOTA FIZIK TINGKATAN 5 BAB 4

Ringkasan Konsep Utama

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.