Bab 3 Keelektromagnetan Naskah Murid.unlocked

8/18/2019 Bab 3 Keelektromagnetan Naskah Murid.unlocked

1/37

69

BAB 3 KEELEKTROMAGNETAN (ELECTROMAGNETISM)

3.1 Kesan medan magnet pada suatu konduktor pembawa arus

Istilah-istilah

Besi lembut

Medan magnet ialah kawasan di sekitar satu magnet atau satu

konduktor yang membawa arus di mana satu daya magnet akanbertindak pada suatu bahan magnet. Medan magnet terdiridaripada garis magnet atau fluks magnet.

Arah medan magnet adalah arah daya magnet yang bertindakpada kutub utara yang bergerak dalam medan magnet itu.

Teras besi lembut ialah teras besi tulen.

Elektromagnet Elektromagnet adalah magnet yang terhasil apabila satu teras besilembut dililitkan dengan gegelung dawai bertebat dan arusmengalir melalui gegelung dawai bertebat tersebut.

Aktiviti: Mengkaji corak dan arah medan magnet

Apabila arus mengalir melalui suatu konduktor, suatu medan magnet dihasilkan disekeliling konduktor itu.

Corak medan magnet yang terhasil bergantung kepada bentuk konduktor. Corakmedan magnet diwakili oleh garis medan magnet.

Semakin rapat garis-garis medan magnet menunjukkan semakin tinggi kekuatanmedan magnet yang terbentuk.

Arah medan magnet bergantung kepada arah arus yang mengalir dalam konduktor

itu. Arah medan magnet yang terhasil ini dapat ditunjukkan oleh arah pesongan jarum kompas yang diletakkan di sekitar konduktor itu.

Bagi konduktor dawai lurus, arah medan magnet ditentukan menggunakan Petuagenggaman tangan kanan.

Petua genggaman tangan kanan

Arah arus

Arah medan

magnet

Gegelung dawai

Arus Arus

Teras besi

lembut


2/37

70

(a) Corak dan arah medan magnet pada dawai lurus

Pandangan atas corak medanmagnet pada dawai lurus

Dawai lurus membawa arus

Corak medan magnet yang terhasil pada dawai lurus yang membawa arus ialah

bulatan-bulatan sepusat. Arah medan magnet yang terhasil bergantung kepada arah arus yang mengalir.

Jika arah arus disongsangkan, maka arah medan magnet juga disongsangkan.

Lukis garis medan magnet dan arah pesongan jarum kompas yang diletakkan di

sekeliling dawai membawa arus di bawah.

Simbol bermaksud konduktor mengalirkan arus ............................. satah kertas.

Simbol bermaksud konduktor yang mengalirkan arus ................................

daripada satah kertas.

Arah medan

magnet, B

B


3/37

71

(b) Corak dan arah medan magnet pada gegelung bulat

Corak dan arah medan magnet gegelung bulat ditunjukkan pada rajah di bawah. Garis medan magnet di bahagian tengah-tengah gegelung merupakan laris lurus.

Pandangan atas corak medan magnetpada gegelung bulat

Lukis garis medan magnet dan arah medan magnet yang terhasil pada gegelung bulat

membawa arus.

(c) Corak dan arah medan magnet pada solenoid

Corak medan magnet pada solenoid

Solenoid ialah satu gegelung dawai yang dililitkan pada arah yang sama dalambentuk silinder.

Corak medan magnet yang dihasilkan oleh solenoid serupa dengan corak medanmagnet bar.

Kekutuban medan yang dihasilkan oleh solenoid dapat ditentukan denganmengenggam solenoid dengan tangan kanan supaya jari-jari melengkungmengikut arah pengaliran arus. Arah ibu jari menuju ke kutub utara solenoid.

Garis medan magnetGegelung membulat

Garis medan

magnet

Arah arus

Arah kutub utara N solenoid


4/37

72

Faktor-faktor yang mempengaruhi kekuatan medan magnet bagi suatu elektromagnet

Bilangan lilitan solenoidSemakin bertambah bilangan lilitan solenoid, semakin bertambah kekuatanmedan magnet yang dihasilkan.

Magnitud arus yang mengalirSemakin bertambah magnitud arus yang mengalir, semakin bertambah kekuatanmedan magnet yang dihasilkan.

Ketebalan dawaiSemakin bertambah ketebalan dawai solenoid, semakin bertambah kekuatanmedan magnet yang dihasilkan.

Bentuk teras besiMenggunakan teras besi lembut berbentuk U.

Menggunakan teras besi lembut

Kekuatan medan magnet yang dihasilkan akan bertambah apabila solenoiddililitkan pada suatu teras besi lembut.

Eksperimen: Mengkaji faktor yang mempengaruhi kekuatan elektromagnet

Inferens : .................................................................................................................................

Hipotesis: ................................................................................................................................. Tujuan : ....................................................................................................................................

Pemboleh ubah:(i) Yang dimanipulasikan : ..........................................................

(ii) Yang bergerak balas : ..........................................................

(iii) Yang dimalarkan : ..........................................................

Senarai radas dan bahan : .....................................................................................................

...................................................................................................................................................

Susunan radas:


5/37

73

Prosedur:

1. .......................................................................................................................................

.......................................................................................................................................

2. .......................................................................................................................................

.......................................................................................................................................

3. .......................................................................................................................................

.......................................................................................................................................

Penjadualan data:

Analisis data:

Kesimpulan:

...................................................................................................................................................

...................................................................................................................................................

...................................................................................................................................................

...................................................................................................................................................

Langkah berjaga-jaga semasa eksperimen:

...................................................................................................................................................

...................................................................................................................................................

...................................................................................................................................................


6/37

74

Aplikasi elektromagnet

(1) Loceng elektrik Apabila suis ditekan, litar

dilengkapkan.

Arus mengalir dalam solenoid dan

teras besi lembut .............................

Angker besi lembut ...........................

oleh teras besi lembut yang menjadi

....................................

Pemukul ditarik bersama kemudian

....................... loceng dan

menghasilkan ...........................

Sentuhan dengan skru pelaras

terbuka dan litar ..............................

Apabila litar ........................., teras

besi ..................................

Kepingan spring menarik angker

besi kembali, litar ............................

semula.

Proses ini berulang dan

menghasilkan bunyi loceng tanpa

henti.

(2) Geganti magnetik Geganti magnet bertindak sebagai

satu suis yang menggunakan arus

kecil untuk menghidup atau

mematikan satu litar lain yang

menggunakan arus yang besar.

Apabila suis 1 ditekan, arus

....................... melalui gegelung

solenoid dalam litar input.

Teras besi lembut

.................................. dan angker besi

lembut .......................... menyebabkan

sesentuh ..........................

Litar luar dilengkapkan dan alatan

elektrik pada litar luar dihidupkan.

Litar luar

Suis 1

Sesentuh

Angker besi

lembut

Elektromagnet Litar input

Loceng

Skru

pelaras

Angker besi

lembut

Pemukul

Suis

Elektromagnet

Bateri


7/37

75

Cuping telinga telefon Kesan magnet yang terhasil sentiasa

menarik diafragma besi lembut yang

dipasang dihadapan teras besi

lembut itu.

Apabila seseorang bercakap melalui

mikrofon telefon, tenaga bunyi

ditukarkan kepada arus elektrik yang

berubah-ubah.

Apabila arus berubah-ubah itu

..................................... melalui

solenoid, arus ini akan menghasilkan

....................................... yang

berubah-ubah kekuatannya.

Diafragma akan .........................

akibat tarikan yang berubah-ubah

oleh medan mangnet dengan

mengikut frekuensi bunyi tertentu.

Getaran diafragma menyebabkan

zarah-zarah udara dihadapan

......................... dan ..............................

dan menghasilkan bunyi.

(4) Alat pemutus litar (5) Kren elektromagnet

Teras besi lembut

Diafragma

besi lembut

Magnet kekal

Butang reset

Sesentuh

Angker besilembut

Elektromagnet


8/37

76

3.2 Daya ke atas konduktor pembawa arus dalam suatu medan magnet.

Apa yang berlakukepada suatukonduktor pembawaarus dalam suatumedan magnet?

Suatu konduktor pembawa arus elektrik menghasilkanmedan magnet di sekelilingnya.

Jika konduktor pembawa arus elektrik berada dalam satu

medan magnet yang lain, suatu daya akan bertindak keatas konduktor tersebut.

Arah daya yang bertindak boleh ditentukan dengan PetuaTangan Kiri Fleming.

a

Petua Tangan KiriFleming

Aktiviti 3.2: Mengkaji daya ke atas konduktor pembawa arus dalam suatu medanmagnet

Prosedur:1. Hidupkan suis dan perhatikan apa yang berlaku kepada rod kuprum pendek.2. Terbalikkan terminal bateri dan perhatikan apa yang berlaku kepada rod

kuprum pendek.

3. Terbalikkan arah medan magnet dan perhatikan apa yang berlaku kepada rodkuprum.

Dawai bergerak ke atas

Arah daya, F

Arah arus, I

Arah medan magnet, B

I

B

F

Bateri

Suis

Rod kuprum


9/37

77

Pemerhatian: Tentukan arah arus mengalir pada rod kuprum pendek, arah medanmagnet dan arah daya yang bertindak.

Kesimpulan:

...................................................................................................................................................

...................................................................................................................................................

...................................................................................................................................................

Bagaimana konduktor pembawa arus dalam medan magnet mengalami daya?

Magnet kekal mempunyai medan magnet yang seragam dan selari.

(a) Medan magnet pada magnet kekal

Konduktor membawa arus menghasilkan medan magnet di sekelilingnya.

(b) Medan magnet pada konduktor membawa arus elektrik

N S

N

S

N

S

S

N

S

N


10/37

78

Kedua-dua medan magnet ini berinteraksi dan menghasilkan satu medan magnetpaduan yang dinamakan medan lastik (catapult field ).

Di bahagian atas konduktor, garis-garis medan magnet kekal dan medan magnetkonduktor adalah dalam arah yang sama. Ini menyebabkan medan magnet di

bahagian atas konduktor menjadi lebih kuat. Di bahagian bawah konduktor, garis-garis medan magnet kekal dan medan

magnet konduktor dalam arah yang bertentangan. Ini menyebabkan medanmagnet di bahagian bawah konduktor menjadi lebih lemah.

Perbezaan kekuatan medan magnet di bahagian atas dan bawah ini menyebabkansatu daya paduan dihasilkan. Daya paduan ini akan menyebabkan konduktorditolak dari kawasan medan magnet yang kuat ke kawasan medan magnet yanglebih lemah.

Lukiskan medan lastik dan tentukan arah daya tolakan yang dihasilkan dalam rajah dibawah.

(1) (2)

(3) (4)

N S SN

(a) Medan magnet konduktor berada

dalam medan magnet kekal

(b) Medan lastik (catapult field )

Daya tolakan

N S

N S S N

N S


11/37

79

Faktor-faktor yang mempengaruhi magnitud daya yang bertindakke atas konduktor membawa arus dalam suatu medan magnet.

Magnitud daya yang bertindak ke atas konduktor membawa arus dalam medanmagnet bergantung kepada:(a) Magnitud arus yang mengalir melalui konduktor.

(b) Kekuatan medan magnet kekal. Semakin besar arus melalui konduktor dalam medan magnet kekal, semakin

besar daya yang bertindak ke atasnya.

Semakin kuat medan magnet kekal, semakin besar daya yang bertindak ke ataskonduktor membawa arus yang berada di dalam medan magnet itu.

Faktor lain yang mempengaruhi magnitud daya yang bertindak ke atas konduktormembawa arus dalam medan magnet ialah luas keratan rentas konduktor itu.Semakin besar luas keratan rentas konduktor, semakin besar daya yang bertindakke atasnya. Ini adalah kerana konduktor dengan luas keratan rentas yang besarmempunyai rintangan yang kecil, dan dengan itu menyebabkan arus yang lebihbesar mengalir melaluinya.

Bagaimana gegelung membawa arus dalam medan magnet mengalami daya putaran?

Apabila arus terus mengalir melalui gegelung seperti rajah di atas, satu dayabertindak ke bawah pada sisi AB, dan satu daya bertindak ke atas pada sisi CD.

Arah daya-daya yang bertindak ini boleh ditentukan dengan Petua tangan kiriFleming.

Kesan daripada kedua-dua daya yang bertindak menghasilkan daya putaran yangmenyebabkan gegelung berputar arah jam.

Contoh: Lukiskan garis-garis medan lastik dan seterusnya tentukan arah putarangegelung dalam rajah di bawah.

Berus karbonKomutator

D

C

B

A

N S


12/37

80

Prinsip cara kerja Motor arus terus

Apabila arus terus mengalir melaluigegelung, daya ke atas bertindakpada sisi AB dan satu daya ke bawahbertindak pada sisi CD.

Daya putaran menyebabkan gegelungitu berputar mengikut arah jam.

Apabila gegelung segiempat ituberputar ke kedudukan menegak,pengaliran arus melaluinya akan

terputus seketika. Ini kerana pada kedudukan menegak,

berus karbon tidak menyentuhkomutator.

Gegelung terus berputar mengikutarah jam kerana inersianya.

Putaran gegelung berterusan

menyebabkan kedudukan komutatortertukar, lalu menukar arah arus yangmengalir melalui gegelung.

Dengan arah arus disongsangkan,arah daya yang bertindak ke atas sisiAB dan CD turut disongsangkan.

Ini membolehkan gegelung terusberputar dalam arah yang sama iaitumengikut arah jam.

Apabila gegelung segiempat ituberputar ke kedudukan menegaksemula, pengaliran arus melaluinyaakan terputus tetapi gegelung terusberputar mengikut arah jam keranainersianya.

Setiap kali gegelung melaluikedudukan menegak, arah arusmelalui gegelung disongsangkanoleh saling pertukaran sentuhanantara komutator dengan beruskarbon membolehkan gegelung

sentiasa berputar pada arah yangsama.

A

B C

D

A

BC

D

A

B

C

D

A

B

C

D


13/37

81

Faktor-faktor yang mempengaruhi kelajuan putaran motor elektrik

Faktor-faktor Kelajuan putaran motor elektrik

Menggunakan arus yang lebih besar

Menggunakan magnet yang lebih kuat

Meningkatkan bilangan gegelung dawai

Meningkatkan diameter dawai gegelung

a

Latihan 3.2: Daya ke atas konduktor pembawa arus dalam suatu medan magnet.

(1) Rajah menunjukkan susunan radasyang digunakan untuk mengkaji

kesan medan magnet terhadap rodkuprum yang membawa arus elektrik.

(a) Pada rajah, tanda dan labelkandengan B arah medan magnet.

(b) Apabila suis dihidupkan, rodkuprum itu diperhatikan bergolek diatas landasan kuprum. Pada rajah

(i) Tanda dan labelkan dengan I arah aliran arus dalam rodkuprum itu.

(ii) Tanda dan label dengan Farah gerakan rod kuprum itu.

(c) Terangkan bagaimana gerakan rodkuprum itu dihasilkan.

...................................................................................................................................................

...................................................................................................................................................

...................................................................................................................................................

(2) Lukiskan arah medan magnet pada kedua-dua konduktor pembawa arus yangdiletakkan bersebelahan dan tentukan apakah yang berlaku ke atas konduktor-konduktor tersebut.

a

S

U

RodKuprum

A B X Y

I I

I

I


14/37

82

3.3 Aruhan elektromagnet

Apakah itu aruhan elektromagnet?

Aruhan elektromagnet adalah penghasilan daya gerak elektrik (d.g.e) aruhandalam satu konduktor apabila terdapat perubahan fluks magnet kesan daripada

gerakan relatif antara konduktor dan medan magnet. Daya gerak elektrik (d.g.e) aruhan yang terhasil akan mewujudkan arus aruhan

yang mengalir dalam konduktor tersebut.

Aktiviti : Mengkaji bagaimana aruhan elektromagnet dihasilkan.

Aruhan elektromagnet dihasilkan dengan melakukan gerakan relatif antarakonduktor dan medan magnet.

Gerakan relatif suatu konduktor merentasi satu medan magnet dilakukan dengan:

(1) Mengerakkan dengan cepat satu konduktor lurus ke dalam satu medanmagnet atau sebaliknya.

Pemerhatian:

........................................... antara rod kuprum dan magnet kekal secara

berserenjang menyebabkan jarum galvanometer itu ..............................

Wayar penyambung

Rod kuprum

Magnadur magnet

Galvanometer


15/37

83

(2) Mengerakkan magnet kekal ke dalam suatu solenoid atau sebaliknya.

Pemerhatian:Apabila magnet bar digerakkan ke .................................. suatu solenoid, jarumgalvanometer terpesong ke satu sisi.

Apabila magnet bar ........................... di dalam solenoid, jarum galvanometer

kembali ke kedudukan asal.

Apabila magnet bar digerakkan ke .......................... dari solenoid itu, jarumgalvanometer terpesong ke sisi yang satu lagi.

Kesimpulan:Aruhan elektromagnet akan terhasil apabila terdapat ................................................antara konduktor elektrik dan magnet kekal.

Bagaimanakah menentukan arah pengaliran arus aruhan?

(1) Arah arus aruhan dalam suatu konduktor lurus yang digerakkan secara tegakkepada suatu medan magnet dapat ditentukan dengan menggunakan PetuaTangan Kanan Fleming.

S

Galvanometer

Arah gerakan

Arah arus

aruhan

Arah medan

magnet

Arah

GerakanArah arus

aruhan

S

Galvanometer

U

S


16/37

84

(2) Arah arus aruhan dalam suatu solenoid yang disebabkan oleh gerakan relatifdengan suatu magnet bar dapat ditentukan dengan menggunakan Hukum Lenz.

Apabila kutub utara magnet digerakkan ke dalam solenoid, arus aruhan yangterhasil dalam solenoid mengubahkan gegelung itu menjadi sebuahelektromagnet dengan kutub utara solenoid menghadapi kutub utara magnet, dandengan itu menentang perubahan fluks magnet yang menghasilkannya.

Apabila kutub utara magnet ditarik keluar daripada solenoid, arus aruhan yangterhasil dalam solenoid mengubahkan solenoid itu menjadi sebuah elektromagnetdengan kutub selatan solenoid menghadapi kutub utara magnet, dan dengan itumenentang perubahan fluks magnet yang menghasilkannya.

Arah arus teraruh yang mengalir melalui solenoid dapat ditentukan denganmenggunakan petua genggaman tangan kanan setelah kekutuban hujung

solenoid ditentukan dengan menggunakan hukum Lenz.

Hukum Lenz:

Menyatakan bahawa arus aruhan yang terhasil sentiasa mengalir pada

arah yang menentang perubahan fluks magnet yang menghasilkannya.

Galvanometer

U S

U

Galvanometer

N S

S


17/37

85

Langkah penentuan arah arus aruhan dalam satu solenoid (gegelung):Langkah 1 : Tentukan kutub solenoid yang terhasil daripada arah gerakan relatif yang

dilakukan.

Langkah 2 : Tentukan arah arus aruhan yang mengalir dalam gegelung denganmenggunakan tangan kanan seperti ini:

Tentukan arah arus aruhan yang mengalir dalam gegelung dan arah pesongan jarumgalvanometer.

(1) (2)

(3) (4)

Arus Arus

(Kutub solenoid)

0

US

0

US

0

U S

0

U S

U


18/37

86

Faktor-faktor yang mempengaruhi magnitud arus aruhan

Apabila d.g.e aruhan dalam suatu konduktor bertambah, arus aruhan yangmengalir melalui konduktor juga akan bertambah.

Menurut hukum Faraday:

(a) Semakin bertambah bilangan lilitan pada gegelung, semakin bertambah arusaruhan yang mengalir dalam konduktor itu.

Magnet bar dilepaskan pada ketinggian yang sama.

Bilangan lilitan gegelung yang lebih banyak menyebabkan kadar perubahan fluksmagnet bertambah, maka magnitud arus aruhan yang terhasil turut bertambah.

Pesongan jarum galvanometer bertambah menunjukkan arus aruhan yangterhasil bertambah.

2400 lilitan1200 lilitan

00

Galvanometer

N

SS

S

N

S

U U

Hukum Faraday:

Menyatakan bahawa magnitud d.g.e aruhan yang mengalir dalam suatu

konduktor adalah berkadar secara langsung dengan kadar perubahanfluks magnet.


19/37

87

(b) Semakin bertambah laju gerakan relatif antara konduktor dan medan magnet,semakin bertambah arus aruhan yang mengalir dalam konduktor itu.

Bilangan lilitan dalam kedua-dua gegelung adalah sama.

Ketinggian magnet bar yang berbeza sebelum dilepaskan ke dalam gegelungmenyebabkan kelajuan magnet bar semasa memasuki gegelung turut berbeza.

Ketinggian magnet bar yang dilepaskan pada ketinggian yang lebih tinggimenghasilkan magnitud laju gerakan relatif antara magnet bar dan gegelungbertambah.


1200 lilitan1200 lilitan

00

Galvanometer

N

N

SS

S

S


20/37

88

(c) Semakin bertambah kekuatan medan magnet, semakin bertambah arus aruhanyang mengalir dalam konduktor itu.

Ketinggian magnet bar dan bilangan lilitan adalah sama.

Mangnet bar yang lebih kuat menyebabkan perubahan fluks magnet bertambah,

maka magnitud arus aruhan yang terhasil turut bertambah.


Aplikasi aruhan elektromagnet

Penjana arus terus (a.t)Direct current generator (DC)

Penjana arus ulang – alik (a.u) Alternating current generator (AC)

1200 lilitan

00

Galvanometer

S

N

S

N

S

S

1200 lilitan

Gegelung

Berus karbon

Gelang

gelincir

Gegelung

Berus karbon

Komutator


21/37

89

Prinsip kerja penjana arus terus (d.c generator )

Pada kedudukan menegak, gegelungbergerak selari dengan medanmagnet dan tidak memotong fluksmagnet.

Oleh itu d.g.e dan arus aruhan adalahsifar.

Apabila gegelung berputar darikedudukan menegak ke kedudukan

mengufuk, d,g,e dan arus aruhandalam gegelung bertambah dari sifarke nilai maksimum.

Apabila gegelung berputar kekedudukan menegak semula, nilai

d.g.e dan arus aruhan berubah darinilai maksimum ke sifar.

Pada kedudukan ini, arus yangmelalui gegelung adalah sifar.

Apabila gegelung melalui kedudukanmengufuk, arus aruhan dalamgegelung mengalir dalam arah yangbertentangan.

Kedudukan komutator bertukar dandengan itu arus dalam litar luar akansentiasa mengalir dalam arah yangsama.

Arus

Sudut putaran0

Arus

Sudut putaran90 0

Arus

Sudut putaran90 180 0 270

Arus

Sudut putaran90 180 0


22/37

90

Prinsip kerja penjana arus ulang-alik (a.c generator )

Pada kedudukan menegak, gegelungbergerak selari dengan medan dandengan itu tidak memotong fluksmagnet.

D.g.e dan arus aruhan adalah sifar.

Apabila gegelung berputar darikedudukan menegak ke kedudukanmengufuk, d.g.e dan arus aruhan

dalam gegelung bertambah dari sifarke nilai maksimum.

Apabila gegelung berputar kekedudukan menegak semula, nilai d.g.edan arus aruhan berubah dari nilaimaksimum ke sifar.

Maka, pada kedudukan ini, arus yangmelalui gegelung adalah sifar.

Apabila gegelung melalui kedudukanmengufuknya, arus aruhan dalamgegelung akan mengalir dalam arahyang bertentangan.

Arus dalam litar luar mengalir dalamarah yang bertentang.

Arus

Sudut putaran0

Arus

Sudut putaran90 0

Arus

Sudut putaran90 180 0

Arus

Sudut putaran90 180 0 270


23/37

91

Perbandingan antara arus terus dan arus ulang alik

Arus terus (a.t) Arus ulang – alik (a.u)

Lukiskan corak arus yang diperhatikan menggunakan Osiloskop Sinar Katod (OSK)

Arah arus terus adalah tetap Arah arus ulang – alik berubah-ubah

Arus terus tidak boleh melalui kapasitor. Arus ulang – alik boleh melalui kapasitor.

OSK OSKSumber

arus terus

Sumber arus

ulang – alik

Kapasitor Kapasitor

Perintang Perintang

Sumber arus terus Sumber arus ulang - alik


24/37

92

Latihan 3.3 Aruhan elektromagnet.

1. Rajah menunjukkan sebuah dinamo basikal. Dinamo terdiri daripada sebuahmagnet kekal yang berputar, teras besi lembut dan satu gegelung tetap. Apabilamagnet berputar, arus aruhan dihasilkan.

(a) Apakah yang dimaksudkan dengan aruhan elektromagnet?

……………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………

Rajah (i) Rajah (ii)

(b) Rajah (i) dan Rajah (ii) menunjukkan satu magnet bar dijatuhkan dari satuketinggian tertentu seterusnya melalui satu gegelung. Gerakan relatif antara

magnet dan gegelung menghasilkan satu arus aruhan yang disebabkanperubahan medan magnet berlaku.Bandingkan;

(i) Gerakan relatif antara magnet dengan gegelung.

………………………………………………………………………………………….(ii) Bilangan lilitan gegelung.

………………………………………………………………………………………….(iii) Arus aruhan yang dihasilkan.

………………………………………………………………………………………….

Magnet

GegelungTeras besi lembut


25/37

93

(c) Nyatakan hubungan antara bilangan lilitan gegelung dengan,(i) Perubahan fluks medan magnet

……....……………………………………………………………………………………

……....……………………………………………………………………………………

(ii) Magnitud arus aruhan.

……....…………………………………………………………………………………… ……....……………………………………………………………………………………

(d) Rajah menunjukkan sebuah penjana a.t.

(i) Terangkan bagaimana sebuah penjana a.t berfungsi untuk menghasilkanarus terus.

..............................................................................................................................

..............................................................................................................................

..............................................................................................................................

.............................................................................................................................

(ii) Lukiskan graf arus-masa untuk menerangkan jawapan anda.

N S

G

Gegelung berputar

Arus

Masa


26/37

94

3.4 Transformer

Transformer ialah alat yang digunakan untuk menaikkan dan menurunkan voltan arusulang-alik.

Transformer digunakandalam peralatan elektrik

Transformer yangdigunakan oleh TNB

Transformer digunakandalam sebuah adapter

Struktur sebuah transformer Simbol transformer

Struktur transformer ringkas terdiri daripada dua gegelung dawai yang dililitpada teras besi lembut.

Gegelung yang disambung kepada bekalan kuasa arus ulang-alik disebutgegelung primer ( primary coil ).

Gegelung yang disambungkan kepada beban disebut gegelung sekunder (secondary coil ).

Teras besi lembut berfungsi memindahkan fluks magnet yang berubah-ubah darigegelung primer kepada gegelung sekunder.

Prinsip kerja sebuah transformer

Prinsip kerja sebuah transformer adalah melibatkan kelektromagnetan danprinsip aruhan elektromagnet.

Apabila arus ulang-alik dengan voltan input, Vp dialirkan melalui gegelungprimer, suatu medan magnet yang berubah-ubah dihasilkan di sekeliling

gegelung primer. Teras besi lembut dimagnetkan dan memindahkan medan magnet yang berubah-

ubah ini kepada gegelung sekunder.

Fluks magnet yang berubah-ubah ini dipotong oleh gegelung sekunder, denganitu menghasilkan d.g.e aruhan dalam gegelung sekunder.

D.g.e aruhan yang terhasil dalam gegelung sekunder membolehkan satu arusulang alik dengan voltan output, Vs mengalir melalui beban yang disambungmerentasi gegelung sekunder.

Magnitud voltan output, Vs bergantung kepada nisbah bilangan gegelung primerdan bilangan gegelung sekunder.

Transformer bekerja menggunakan arus ulang-alik (a.u). Jika arus terus (a.t)

digunakan, medan magnet yang terhasil pada gegelung primer adalah tetap.Maka tiada aruhan elektromagnet berlaku pada gegelung sekunder.

Gegelung primer

240 V a.u 12V

Voltan input Voltan output

Gegelung sekunder

Teras besi lembut


27/37

95

Jenis-jenis transformer

Transformer injak naik Transformer injak turun

Transformer injak naik digunakan untukmenaikkan nilai voltan.

Transformer injak turun digunakan untukmenurunkan nilai voltan.

Bilangan lilitan gegelung sekunderlebih besar daripada bilangan lilitangegelung primer. (Ns > Np).

Bilangan lilitan gegelung sekunderlebih kecil daripada bilangan lilitangegelung primer. (Ns < Np).

Voltan output, Vs lebih besar daripada

voltan input, Vp. (Vs > Vp).

Voltan output, Vs lebih kecil daripada

voltan input, Vp. (Vs < Vp). Arus output, Is lebih kecil daripada

arus input, Ip. (Is < Ip). Arus output, Is lebih besar daripada

arus input, Ip. (Is > Ip).

Aktiviti 3.4: Membina transformer ringkas

Prosedur:(1) Lilitkan gegelung primer dan gegelung sekunder masing-masing dengan 50

lilitan dan 25 lilitan dengan dawai bertebat.

(2) Hidupkan bekalan arus ulang-alik 1 V dan perhatikan kecerahan mentol X dan Y. (3) Ulangi aktiviti dengan menukarkan kedudukan teras besi itu supaya gegelung

primer dan gegelung sekunder masing-masing mempunyai 25 lilitan dan 50 lilitandawai bertebat.

Pemerhatian:

Jenis transformerBilangan lilitan Kecerahan mentol

Gegelungprimer

Gegelungsekunder

X Y

Transformer injak naik

Transformer injak turun

a

Vs Np Ns Vp Vp Np Ns Vs


28/37

96

Hubungan antara bilangan lilitan gegelung primer (Np), bilangan lilitan gegelungsekunder (Ns), voltan primer (Vp) dan voltan sekunder (Vs).

input Voltan

output Voltan

primer gegelunglilitan Bilangan

sekunder gegelunglilitan Bilangan

p

s

p

s

V

V

N

N

Contoh 1: Tentukan voltan output.

Penyelesaian:

Contoh 2: Tentukan voltan output.

Penyelesaian:

Hubungan antara kuasa output dan kuasa input dalam suatu transformer unggul

Sebuah transformer memindahkan tenaga elektrik dari gegelung primer kepadagegelung sekunder.

Kuasa input yang diterima dari bekalan kuasa arus ulang-alik akan dipindahkandari gegelung primer kepada gegelung sekunder.

Dalam suatu transformer unggul, tiada kehilangan tenaga berlaku.

Sebuah transformer adalah 100 % cekap jika kuasa output transformer itu sama

dengan kuasa inputnya.Kuasa input = Kuasa output

Kehilangan tenaga dalam suatu transformer

Bagi suatu transformer secara praktikalnya akan mengalami kehilangansebahagian kecil tenaga terutamanya dalam bentuk tenaga haba.

Kuasa output akan lebih rendah berbanding kuasa input.

Maka, kecekapan transformer kurang daripada 100%.

Bekalan

kuasa a.u

Peralatan

elektrikKuasa input Kuasa output

Vp Ip = Vs Is


29/37

97

Kecekapan sebuah transformer

Kecekapan transformer = %100inputKuasa

outputKuasa

= %100 V

V

pp

ss

I

I

Punca kehilangan tenaga dalamtransformer

Cara meningkatkan kecekapantransformer

(1) Kesan pemanasan arus dalamgegelung

Tenaga haba dihasilkan dalamgegelung semasa arus mengalirmelaluinya.

Menggunakan dawai berintangan rendahsebagai gegelung primer dan sekunder.

Dawai kuprum biasanya digunakan.

Dawai kuprum dapat menggurangkanpenghasilkan tenaga haba dalamgegelung.

(2) Kesan pemanasan arus pusar yangteraruh dalam teras besi

Arus pusar (eddy current ) diaruhkandalam teras besi apabila berlakupemotongan fluks medan magnetoleh konduktor.

Arus pusar menyebabkan teras besimenjadi panas.

Menggunakan teras besi berlamina(berlapis).

Menggurangkan penjanaan aruspusar.

Maka tenaga haba yang dihasilkandapat dikurangkan.

(3) Kemagnetan teras besi

Tenaga digunakan untukmemagnetkan danmenyahmagnetkan teras besi setiap

kali arus ulang alik bertukar arahnya.

Menggunakan teras diperbuat daripadateras besi lembut

Besi lembut digunakan kerana besilembut mudah dimagnetkan dan

dinyahmagnetkan.

(4) Kebocoran fluks magnet

Sebahagian fluks magnet yangdihasilkan dalam gegelung primertidak dipautkan dengan gegelungsekunder.

Kebocoran fluks magnetmenggurangkan d.g.e aruhan dalamgegelung sekunder.

Menggunakan bentuk teras besi yangdireka khas.

Reka bentuk teras besitertentu membolehkanfluks magnet yangmaksimum dipautkanantara gegelung primerdan sekunder.

Melilitkan gegelung primer dangegelung sekunder lebih rapat antarasatu sama lain

Kuasa

input

Kuasa

Output

Kuasa

hilang


30/37

98

Latihan 3.4 Transformer

(1) Sebuah transformer mempunyaibilangan lilitan gegelung primer dansekunder masing-masing ialah 50lilitan dan 250 lilitan. Jika voltan inputialah 12 V a.u., berapakah voltanoutputnya?

(2) Sebuah transformer yang unggulmempunyai bilangan lilitan gegelungprimer dan sekunder masing-masing2400 lilitan dan 100 lilitan. Jika arusyang mengalir dalam gegelungsekunder ialah 5.0 A dan voltan input240 V , Berapakah

(a) Voltan output?(b) Arus primer?

(3) Sebuah transformer mengubahkanbeza keupayaan suatu arus ulang-alikdaripada 240 V kepada 6 V. Jikabilangan lilitan gegelung sekunderialah 160, berapakah bilangan lilitangegelung primer?

(4) Voltan input dan voltan output sebuahtransformer unggul adalah 240 V a.u.dan 12 V a.u. masing-masing. Jika arusprimer transformer adalah 5A,berapakah arus sekundernya?

(5) Sebuah transformer unggul dapatmengurangkan arus yang mengalir dari1.1 A kepada 0.3 A. Jika voltan inputadalah 240 V a.u. berapakah voltanoutput?

(6) Voltan pada gegelung primer sebuahtransformer adalah 220 V. Arusprimernya ialah 5A manakala arussekundernya adalah 2A. Jikatransformer itu cekap 80%, berapakahvoltan output pada gegelungsekundernya?


31/37

99

(7) Gegelung primer sebuah transformerdikenakan beza keupayaan 240 V a.u.dan didapati voltan outputnya ialah 12V a.u.(a) Jika bilangan lilitan gegelung

sekunder ialah 200 lilitan,berapakah bilangan lilitangegelung primer?

(b) Jika sebuah mentol 12V, 48 Wdisambung merentasi gegelungsekunder, berapakah arusmengalir melalui mentol.

(c) Jika arus mengalir melaluigegelung primer ialah 0.3 A,berapakah kecekapan transformer.

(8) Jika bilangan lilitan gegelung primer dan gegelungsekunder adalah 2000 dan 100 masing-masing danvoltan input adalah 240 V a.u, tentukan kuasa yang

terhasil pada perintang 6 ? [anggapkan kecekapantransformer adalah 100%]

(9) Bekalan 240 V a.u. dari sesalurditurunkan menjadi 12 V a.u. dengansebuah transformer. Voltan output inidigunakan untuk menghidupkan limalampu 12V, 24 W yang disambungkanselari. Jika arus melalui gegelungprimer adalah adalah 0.6 A,berapakah kecekapan transformer itu.

(10) Sebuah transformer mempunyaikecekapan 80%. Gegelung primertransfomer itu disambungkan kebekalan 240V. Jika kuasa outputnyaadalah 480 W, berapakah nilai arusinput?

240 V 6


32/37

100

3.5 Penjanaan dan penghantaran elektrik

Tenaga elektrik dijana di stesen-stesen janakuasa elektrik dan dihantar melaluirangkaian kabel yang panjang ke seluruh negara untuk diagihkan kepada penggunaakhir.

Sumber tenaga yang digunakan untuk menjana elektrik

Sumber tenaga yang digunakan untuk menjana tenaga elektrik ialah seperti:

Sumber tenaga yang tidak bolehdiperbaharui

Sumber tenaga yang bolehdiperbaharui

A

Kepentingan sumber tenaga yang boleh diperbaharui.

Bahan api fosil seperti minyak petroleum mentah, arang batu, gas asli masihmerupakan sumber tenaga utama dalam proses penjanaan elektrik.

Bahan api fosil tidak kekal selamanya. Apabila habis digunakan, bahan api fosiltidak dapat digantikan atau diperbaharui.

Bahan api nuklear juga merupakan sumber tenaga yang tidak boleh diperbaharui.Walau bagaimanapun, bahan api nuklear dapat kekal lebih lama berbanding bahanapi fosil.

Untuk mengelak krisis tenaga, sumber tenaga yang boleh diperbaharui perludieksplotasi sebaik mungkin dengan menjalankan proses penyelidikan danpembangunan (R&D) seterusnya dikomesialkan.

Antara sumber tenaga yang boleh diperbaharui yang kini digunakan ialah kuasa

hidro, tenaga solar, kuasa geoterma, kuasa angin dan biojisim.

Penjanaan

tenaga elektrik

Penghantaran

tenaga elektrik

Pengagihan

tenaga elektrik

Stesen janakuasa

Transformer

injak turun

Transformer

injak naik

Kabel penghantaran


33/37

101

Penjanaan tenaga elektrik

Tenaga elektrik dijana dengan menggunakan penjana elektrik atau dinamo yangbesar.

Rotor dinamo (magnet) diputarkan oleh turbin stim atau turbin air yang disambungkepadanya.

Apabila magnet besar berputar dalam kawasan gegelung dawai pada sebuahpenjana, maka terhasil aruhan elektromagnet.

Loji-loji penjanaan tenaga elektrik di Malaysia ialah loji kuasa stim dan logi kuasahidro (air).

Loji kuasa stim Dalam loji kuasa stim, bahan api seperti diesel, arang batu, gas asli atau biojisim

dibakar untuk mendidihkan air yang seterusnya menghasilkan stim bertekanantinggi.

Stim bertekanan tinggi itu kemudiannya digunakan untuk memutarkan turbinyang disambung kepada rotor sebuah penjana.

Contoh-contoh sumber tenaga yang digunakan dalam logi kuasa stim:

Sumber tenaga arang batu

Sumber tenaga geoterma

Saluran

stim Turbin

PenjanaKabel penghantaran

Transformer injak naik

Dandang

Arang

batu

Turbin Penjana

Kondenser

Geoterma bumi

Stim

Air

Kabel penghantaran


34/37

102

Loji kuasa hidro Empangan yang dibina bagi menakung air dalam kuantiti yang banyak. Air yang mengalir dengan kelajuan yang sangat tinggi pada aras yang rendah

digunakan untuk memutarkan turbin air yang disambung kepada sebuah penjana. Apabila magnet dalam penjana berputar dalam kawasan gegelung, maka aruhan

elektromagnet terhasil.

Sumber tenaga hidro

Loji kuasa nuklear Dalam logi kuasa nuklear, tenaga haba yang dihasilkan daripada proses

pembelahan nukleus uranium digunakan untuk memanaskan air supaya dapatmenghasilkan stim pada tekanan yang amat tinggi.

Stim bertekanan tinggi itu digunakan untuk memutarkan turbin yang disambungdengan sebuah penjana.

Apabila magnet dalam penjana berputar dalam kawasan gegelung dawai, makaaruhan elektromagnet terhasil.

Sumber tenaga nuklear

Empangan

PenjanaTransformer

Turbin

PenjanaTurbin

Saluran stim

Sumber

uranium

Reaktor nuklearAir


35/37

103

Penghantaran tenaga elektrik

Model penghantaran tenaga elektrik

Apabila bekalan kuasa dihidupkan, lampu pada “stesen kuasa” akan menyaladengan terang manakala lampu pada “pengguna” menyala dengan malap.

Pemerhatian dari model ini menunjukkan wujud kehilangan tenaga dalam kuantitiyang kecil dalam bentuk tenaga haba semasa proses penghantaran.

Kehilangan tenaga semasa penghantaran adalah disebabkan oleh rintanganelektrik dalam kabel penghantaran. Jika arus, I mengalir melalui kabel berintanganR semasa t saat, kehilangan tenaga, E yang disebabkan rintangan dalam kabeldiukur dengan menggunakan formula berikut:

Rt I E 2

hilang,Tenaga

Pengukuran kehilangan kuasa, P diukur menggunakan formula :

R I P 2

hilang,Kuasa

Persamaan Rt I E 2

menunjukkan bahawa tenaga elektrik yang hilang semasa

penghantaran adalah:(a) Berkadar langsung dengan kuasa dua arus yang mengalir melalui kabel.(b) Berkadar terus dengan rintangan kabel.(c) Berkadar terus dengan tempoh pengaliran arus melalui kabel.

Kehilangan tenaga semasa penghantaran tenaga elektrik dapat dikurangkandengan:(a) Mengurangkan arus yang mengalir melalui kabel.(b) Menggunakan kabel berintangan rendah seperti aluminium dan kuprum.(c) Menghantar tenaga elektrik pada voltan yang tinggi bagi mengurangkan nilai

arus mengalir melalui kabel.

Peningkatan nilai voltan di stesen janakuasa elektrik dilakukan denganmenggunakan transformer injak naik dan penurunan voltan dalam prosespengagihan tenaga elektrik dilakukan dengan menggunakan transformer injakturun.

Kabel penghantaran

Transformer

injak turun

Transformer

injak naikBekalan kuasa a.u


36/37

104

Contoh 1: Kuasa elektrik dari sebuah stesen kuasa dihantar ke sebuah bandar melalui

kabel kuasa berintangan 50 . Jika stesen kuasa itu menjanakan 8 MW kuasa,hitungkan kehilangan kuasa dalam kabel jika kuasa dihantar dengan

(a) Voltan 80 kV (b) Voltan 400 kV

Contoh 2: Cari nilai kehilangan kuasa dalam suatu kabel penghantaran apabila 20 kWkuasa elektrik dihantar melalui kabel berintangan 1.5 apabila

(a) 200 V (b) 10 kV

Rangkaian Grid Nasional

33 kV

Industri

berat

Industri ringan

Pejabat/

bangunan

komersialTaman

perumahanRumah

240 V 450 V

11 kV

Stesen kuasa

11 kV - 33 kV


37/37

Rangkaian grid nasional ialah satu sistem kabel elektrik yang menyambungkanstesen-stesen kuasa di seluruh negara untuk membekalkan tenaga elektrikkepada pengguna di seluruh negara.

SISTEM GRID NASIONAL DI SEMENANJUNG MALAYSIA

Di Malaysia, tenaga elektrik dijanakan pada voltan 11 kV hingga 33 kV. Voltantenaga elektrik yang dijanakan itu kemudiannya dinaikkan dengan menggunakantransformer injak naik sehingga 132 kV sebelum ia dihantar melalui kabel grid.

Voltan yang amat tinggi dari kabel grid akan diturunkan secara berperingkat-peringkat di substesen-substesen transformer injak turun untuk pengagihantenaga elektrik ke kawasan-kawasan tertentu.

Kepentingan rangkaian grid nasional(a) Menjamin bekalan kuasa elektrik yang berterusan dan mencukupi.Rangkaian grid nasional menjamin bekalan kuasa elektrik berterusan danmencukupi apabila penjana elektrik atau kabel penghantaran sesuatu kawasanmengalami kerosakan. Kawasan yang mengalami kerosakan penjana atau kabelpenghantaran mampu ditanggung oleh penjana lain melalui kabel penghantaranlain dalam sistem grid.

(b) Kos penghasilan kuasa elektrik dapat dioptimumkan.Penjanaan kuasa elektrik dapat dikawal dan diselaraskan mengikut keperluanpada waktu-waktu tertentu. Semasa waktu keperluan rendah, misalnya padawaktu tengah malam, sesetengah penjana boleh dihentikan untuk menjimatkankos bahan api dan dengan itu ia dapat mengurangkan kos penjanaan secara

keseluruhannya

Bab 3 Keelektromagnetan Naskah Murid.unlocked

Documents

Transcript of Bab 3 Keelektromagnetan Naskah Murid.unlocked