Nota Sains Tambahan Tingkatan 5 Bab 7: Elektrik
RINGKASAN
Ringkasan Konsep Utama (Nota Sains Tambahan Tingkatan 5 Bab 7: Elektrik)
Bab ini memperkenalkan prinsip-prinsip asas elektrik yang terbahagi kepada tiga bahagian utama: Arus Elektrik dan Beza Keupayaan, Rintangan Elektrik, serta Tenaga Elektrik dan Kuasa Elektrik.
1. Arus Elektrik dan Beza Keupayaan
• Arus Elektrik (I): Didefinisikan sebagai kadar pengaliran cas elektrik (Q) dalam satu konduktor dalam satu tempoh masa (t). Unit S.I. bagi arus ialah ampere (A).
◦ Formula: I = Q / t
• Cas Elektrik (Q): Kuantiti cas elektrik boleh dihitung dengan mendarabkan bilangan elektron (n) dengan cas bagi satu elektron (e = 1.6 × 10⁻¹⁹ C).
◦ Formula: Q = ne
• Beza Keupayaan (V): Didefinisikan sebagai kerja (W) atau tenaga (E) yang dilakukan untuk menggerakkan 1 coulomb cas di antara dua titik dalam medan elektrik. Perbezaan keupayaan ini menyebabkan pengaliran cas (arus) dalam litar. Unit S.I. bagi beza keupayaan ialah volt (V).
◦ Formula: V = W / Q atau V = E / Q
2. Rintangan Elektrik
• Rintangan (R): Sifat suatu konduktor yang menghalang pengaliran elektron. Atom-atom di dalam konduktor menyebabkan halangan ini. Unit S.I. bagi rintangan ialah Ohm (Ω).
• Hukum Ohm: Menyatakan bahawa arus (I) yang mengalir melalui konduktor adalah berkadar langsung dengan beza keupayaan (V) merentasinya, dengan syarat suhu dan keadaan fizikal adalah malar.
◦ Formula: R = V / I
• Konduktor Ohm vs. Bukan Ohm:
◦ Konduktor Ohm (cth: kuprum, nikrom) mematuhi Hukum Ohm, di mana graf V melawan I adalah satu garis lurus yang melalui asalan.
◦ Konduktor Bukan Ohm (cth: diod, mentol) tidak mematuhi Hukum Ohm, dan graf V melawan I bukan garis lurus.
• Faktor-faktor yang Mempengaruhi Rintangan:
1. Panjang Konduktor (l): Rintangan berkadar langsung dengan panjang (R ∝ l).
2. Diameter Konduktor (d): Rintangan berkadar songsang dengan diameter. Wayar yang lebih tebal (diameter lebih besar) mempunyai rintangan yang lebih rendah.
3. Suhu Konduktor (θ): Bagi kebanyakan konduktor, rintangan meningkat apabila suhu meningkat (R ∝ θ).
4. Jenis Bahan Konduktor: Bahan yang berbeza mempunyai rintangan yang berbeza. Contohnya, nikrom mempunyai rintangan yang lebih tinggi daripada kuprum.
3. Tenaga Elektrik dan Kuasa Elektrik
• Tenaga Elektrik (E): Keupayaan arus elektrik untuk melakukan kerja. Unitnya ialah joule (J). Tenaga elektrik boleh ditukar kepada bentuk lain seperti haba dan cahaya.
◦ Formula: E = VIt
• Kuasa Elektrik (P): Kadar perubahan tenaga elektrik atau kadar tenaga elektrik digunakan. Unit S.I. bagi kuasa ialah watt (W).
◦ Formula Asas: P = E / t
◦ Formula Terbitan: P = VI, P = I²R, dan P = V² / R
• Elemen Pemanas: Komponen dalam peralatan seperti cerek elektrik dan pembakar roti yang menukarkan tenaga elektrik kepada tenaga haba. Ciri-cirinya termasuk:
◦ Rintangan tinggi (cth: bahan nikrom)
◦ Takat lebur yang tinggi
◦ Wayar yang panjang dan nipis, selalunya dalam bentuk gegelung.
• Fius: Komponen keselamatan yang melindungi peralatan daripada arus berlebihan. Ia adalah dawai halus yang akan lebur dan memutuskan litar jika arus yang mengalir melebihi nilainya. Nilai fius yang dipilih mestilah sedikit lebih tinggi daripada arus operasi normal peralatan.
GLOSARI
| Istilah | Definisi |
| Arus elektrik | Kadar pengaliran cas elektrik dalam satu konduktor. Unitnya ialah ampere (A). |
| Beza keupayaan | Kerja yang dilakukan apabila 1 coulomb cas bergerak di antara dua titik dalam medan elektrik. Unitnya ialah volt (V). |
| Cas elektrik | Kuantiti asas dalam elektrik, dibawa oleh zarah seperti elektron. Unitnya ialah coulomb (C). |
| Elemen pemanas | Komponen dalam peralatan elektrik yang mempunyai rintangan tinggi untuk menukarkan tenaga elektrik kepada tenaga haba atau cahaya. |
| Fius | Dawai konduktor yang halus dan pendek yang akan melebur dan memutuskan litar apabila arus yang mengalir melaluinya lebih besar daripada nilai yang ditetapkan. |
| Konduktor | Bahan yang membenarkan cas elektrik mengalir melaluinya dengan mudah. |
| Konduktor bukan ohm | Konduktor yang tidak mematuhi Hukum Ohm (contoh: diod, termistor, mentol). |
| Konduktor ohm | Konduktor elektrik yang mematuhi Hukum Ohm (contoh: konstantan, kuprum, perak). |
| Kuasa (elektrik) | Kadar perubahan tenaga elektrik. Unit S.I. ialah watt (W). |
| Hukum Ohm | Menyatakan arus yang mengalir melalui konduktor berkadar langsung dengan beza keupayaan jika suhu dan keadaan fizikal malar. |
| Ohm (Ω) | Unit S.I. bagi rintangan elektrik. 1 Ohm ialah rintangan apabila 1 Volt menghasilkan arus 1 Ampere. |
| Rintangan | Nisbah beza keupayaan merentasi konduktor terhadap arus yang mengalir melaluinya. Ia menghalang pengaliran elektron. |
| Tenaga elektrik | Keupayaan arus elektrik untuk melakukan kerja. Unit S.I. ialah joule (J). |
| Volt (V) | Unit S.I. bagi beza keupayaan. 1 volt bermaksud 1 joule kerja dilakukan untuk menggerakkan 1 coulomb cas. |
| Watt (W) | Unit S.I. bagi kuasa, bersamaan dengan satu joule per saat (J s⁻¹). |
CONTOH SOALAN KBAT
Soalan dan Jawapan KBAT (Kemahiran Berfikir Aras Tinggi)
Soalan 1: Elemen pemanas dalam cerek elektrik (Gambar foto 7.3) selalunya dibentuk menjadi gegelung dan tidak dibiarkan lurus. Berdasarkan pengetahuan anda tentang faktor-faktor yang mempengaruhi rintangan, jelaskan mengapa reka bentuk gegelung ini lebih berkesan untuk memanaskan air dengan cepat.
Jawapan: Reka bentuk gegelung membolehkan wayar konduktor yang lebih panjang dimuatkan dalam ruang yang padat. Menurut prinsip rintangan, rintangan (R) adalah berkadar langsung dengan panjang (l) konduktor. Dengan menggunakan wayar yang lebih panjang, rintangan elemen pemanas akan menjadi lebih tinggi. Apabila rintangan tinggi, lebih banyak tenaga elektrik dapat ditukarkan kepada tenaga haba (berdasarkan formula P = I²R atau P = V²/R), menyebabkan air mendidih dengan lebih cepat dan menjadikan cerek lebih efisien.
——————————————————————————–
Soalan 2: Sebuah perkakas elektrik dilabelkan dengan spesifikasi “1500 W, 240 V”. Juruteknik mencadangkan penggunaan fius bernilai 7 A. Wajarkan sama ada cadangan juruteknik ini sesuai dan selamat untuk perkakas tersebut dengan melakukan pengiraan dan menerangkan fungsi fius.
Jawapan: Pertama, kita perlu mengira arus maksimum yang mengalir melalui perkakas tersebut menggunakan formula kuasa, P = VI. Arus, I = Kuasa, P / Beza Keupayaan, V I = 1500 W / 240 V I = 6.25 A
Fungsi fius adalah untuk melindungi peralatan elektrik daripada arus yang berlebihan. Nilai fius yang sesuai mestilah sedikit lebih tinggi daripada arus maksimum yang mengalir dalam litar untuk membenarkan perkakas berfungsi secara normal tetapi cukup rendah untuk melebur dan memutuskan litar jika berlaku lonjakan arus atau litar pintas.
Cadangan juruteknik untuk menggunakan fius 7 A adalah sesuai dan selamat. Nilai 7 A lebih tinggi daripada arus operasi normal (6.25 A), jadi fius tidak akan melebur semasa penggunaan biasa. Namun, ia cukup hampir dengan 6.25 A untuk memberikan perlindungan yang berkesan sekiranya berlaku arus berlebihan.
——————————————————————————–
Soalan 3: Mesin defibrilator (Gambar foto 7.2) menggunakan beza keupayaan yang tinggi (200 V hingga 1000 V) untuk menghantar kejutan elektrik sebanyak 300 J tenaga kepada jantung pesakit. Jelaskan mengapa voltan yang tinggi diperlukan untuk mencapai kesan perubatan ini dalam tempoh masa yang sangat singkat.
Jawapan: Tindakan defibrilasi perlu dilakukan dengan pantas untuk memulihkan degupan jantung yang normal. Kuasa (P) ditakrifkan sebagai kadar perubahan tenaga (E) per unit masa (t), iaitu P = E/t. Untuk menghantar sejumlah besar tenaga (E = 300 J) dalam masa yang sangat singkat (t ≈ 0), kuasa (P) yang sangat tinggi diperlukan.
Hubungan antara kuasa, beza keupayaan (V) dan arus (I) ialah P = VI. Dengan menggunakan beza keupayaan yang tinggi, arus yang besar dapat dialirkan ke jantung pesakit. Hasil darab voltan tinggi dan arus tinggi ini akan menghasilkan kuasa elektrik yang sangat tinggi, yang membolehkan 300 J tenaga dipindahkan hampir serta-merta, memberikan kejutan yang diperlukan untuk membetulkan ritma jantung.
——————————————————————————–
Soalan 4: Dalam Eksperimen 7.1 yang mengkaji hubungan antara arus dan beza keupayaan, seorang pelajar mendapati graf V melawan I yang diplotnya sedikit melengkung ke atas dan tidak melalui asalan, walaupun dia menggunakan wayar konstantan. Apakah kemungkinan punca kepada keputusan yang tidak tepat ini dan apakah langkah berjaga-jaga yang mungkin telah diabaikan?
Jawapan: Hukum Ohm menyatakan bahawa beza keupayaan (V) adalah berkadar langsung dengan arus (I) hanya jika suhu dan keadaan fizikal konduktor adalah malar. Wayar konstantan ialah konduktor ohm, jadi graf V melawan I sepatutnya lurus dan melalui asalan.
Graf yang melengkung menunjukkan rintangan wayar tidak lagi malar. Punca yang paling mungkin ialah peningkatan suhu pada wayar konstantan. Apabila arus dibiarkan mengalir terlalu lama semasa mengambil bacaan, wayar menjadi panas. Peningkatan suhu akan meningkatkan rintangan konduktor. Langkah berjaga-jaga yang mungkin diabaikan ialah mematikan suis sejurus selepas setiap bacaan diambil untuk mengelakkan pemanasan wayar konduktor. Ini memastikan suhu wayar kekal malar sepanjang eksperimen, membolehkan Hukum Ohm dipatuhi.
——————————————————————————–
Soalan 5: Rajah 7.8 menunjukkan dua gerai dengan kecerahan mentol yang berbeza disebabkan oleh panjang wayar konduktor yang berlainan. Jika kedua-dua gerai menggunakan bateri dan mentol yang sama, gerai yang manakah menggunakan tenaga bateri dengan lebih cepat? Jelaskan jawapan anda menggunakan konsep rintangan, arus dan kuasa.
Jawapan: Gerai dengan wayar konduktor yang lebih pendek (mentol lebih cerah) akan menggunakan tenaga bateri dengan lebih cepat.
Penjelasannya adalah seperti berikut:
1. Rintangan: Rintangan (R) adalah berkadar langsung dengan panjang konduktor. Oleh itu, wayar yang lebih pendek mempunyai rintangan yang lebih rendah.
2. Arus: Menurut Hukum Ohm (V=IR), untuk beza keupayaan (V) bateri yang sama, rintangan yang lebih rendah akan membenarkan arus (I) yang lebih besar mengalir dalam litar. Inilah sebabnya mentol pada gerai dengan wayar pendek lebih cerah.
3. Kuasa: Kuasa elektrik (P) yang digunakan oleh litar diberikan oleh formula P = VI. Oleh kerana voltan (V) adalah malar (dari bateri yang sama) dan arus (I) lebih besar dalam litar berwayar pendek, maka litar tersebut akan menghasilkan kuasa yang lebih tinggi.
4. Penggunaan Tenaga: Tenaga (E) yang digunakan ialah hasil darab kuasa dan masa (E = Pt). Kerana litar berwayar pendek mempunyai kuasa yang lebih tinggi, ia akan menggunakan jumlah tenaga yang sama dalam masa yang lebih singkat, atau dengan kata lain, ia menggunakan tenaga bateri pada kadar yang lebih cepat.