Nota Fizik T5 Bab 4: Keelektromagnetan SPM
Nota lengkap Keelektromagnetan Tingkatan 5 KSSM — daya ke atas konduktor, petua tangan kiri Fleming, motor arus terus, aruhan elektromagnet, hukum Faraday, hukum Lenz, penjana, transformer.
4.1 Daya ke Atas Konduktor Pembawa Arus dalam Medan Magnet
Apabila konduktor pembawa arus diletakkan dalam medan magnet, ia mengalami daya. Interaksi antara dua medan magnet menghasilkan medan paduan yang dikenali sebagai medan lastik.
Petua Tangan Kiri Fleming
Digunakan untuk menentukan arah daya ke atas konduktor pembawa arus dalam medan magnet:
- Jari telunjuk → arah medan magnet (U ke S)
- Jari tengah → arah arus elektrik
- Ibu jari → arah daya (gerakan konduktor)
Faktor yang Mempengaruhi Magnitud Daya
| Faktor | Kesan |
|---|---|
| Arus elektrik bertambah | Daya bertambah |
| Kekuatan medan magnet bertambah | Daya bertambah |
| Panjang konduktor dalam medan bertambah | Daya bertambah |
Motor Arus Terus (AT)
Motor AT menukar tenaga elektrik → tenaga kinetik menggunakan prinsip daya ke atas gegelung pembawa arus dalam medan magnet.
Komponen utama motor AT:
- Gegelung — lilitan dawai kuprum (konduktor)
- Magnet kekal — menghasilkan medan magnet
- Komutator (gelang terbelah) — membalikkan arah arus setiap separuh putaran supaya gegelung terus berputar satu arah
- Berus karbon — menghubungkan bekalan kuasa ke komutator
Prinsip Kerja Motor AT
| Separuh Putaran | Arah Arus | Kesan |
|---|---|---|
| Pertama | ABCD | Daya: AB ke bawah, CD ke atas → gegelung berputar |
| Kedua | DCBA (dibalikkan oleh komutator) | Daya kekal dalam arah yang sama → putaran berterusan |
Faktor yang Mempengaruhi Kelajuan Putaran Motor
- Arus dalam gegelung bertambah
- Kekuatan medan magnet bertambah
- Bilangan lilitan gegelung bertambah
Motor Tanpa Berus vs Motor Berberus
| Aspek | Motor Tanpa Berus | Motor Berberus |
|---|---|---|
| Bahagian berputar | Magnet berputar | Gegelung berputar |
| Komutator | Tiada | Ada (gelang terbelah) |
| Geseran | Tiada percikan | Ada percikan bunga api |
| Bunyi | Senyap | Lebih bising |
| Hayat | Lebih panjang | Lebih pendek (berus haus) |
4.2 Aruhan Elektromagnet
Aruhan elektromagnet ialah penghasilan d.g.e. (daya gerak elektrik) aruhan merentasi konduktor apabila terdapat gerakan relatif antara konduktor dengan medan magnet, atau apabila konduktor berada dalam medan magnet yang berubah.
Syarat Terhasilnya Arus Aruhan
- Mesti ada gerakan relatif antara konduktor dan magnet
- Gerakan mesti memotong garis-garis medan magnet (fluks magnet)
- Jika konduktor atau magnet pegun → tiada arus aruhan
Hukum Faraday
Magnitud d.g.e. aruhan adalah berkadar terus dengan kadar pemotongan fluks magnet.
D.g.e. aruhan bertambah apabila:
- Laju gerakan relatif bertambah
- Bilangan lilitan solenoid bertambah
- Kekuatan medan magnet bertambah
Hukum Lenz (Arah Arus Aruhan)
Arus aruhan sentiasa mengalir pada arah yang menentang perubahan fluks magnet yang menyebabkannya.
| Keadaan | Kekutuban Solenoid di Hujung A |
|---|---|
| Kutub U mendekati hujung A | Hujung A = Utara (menolak) |
| Kutub U menjauhi hujung A | Hujung A = Selatan (menarik) |
| Kutub S mendekati hujung A | Hujung A = Selatan (menolak) |
| Kutub S menjauhi hujung A | Hujung A = Utara (menarik) |
Petua Tangan Kanan Fleming (Arus Aruhan dalam Dawai Lurus)
- Ibu jari → arah gerakan konduktor
- Jari telunjuk → arah medan magnet
- Jari tengah → arah arus aruhan
Penjana Arus Terus vs Penjana Arus Ulang-alik
| Aspek | Penjana AT | Penjana AU |
|---|---|---|
| Penyambungan gegelung | Komutator gelang terbelah | Dua gelang gelincir |
| Output | Arus terus (AT) | Arus ulang-alik (AU) |
| Prinsip | Sama: aruhan elektromagnet, gegelung memotong fluks magnet | |
4.3 Transformer
Transformer mengubah magnitud voltan arus ulang-alik menggunakan prinsip aruhan elektromagnet.
Prinsip Kerja Transformer
- Bekalan AU mengalir dalam gegelung primer → menghasilkan arus ulang-alik
- Arus ulang-alik menghasilkan medan magnet yang berubah-ubah
- Fluks magnet dipautkan ke gegelung sekunder melalui teras besi lembut
- Medan magnet berubah-ubah mengaruh voltan ulang-alik dalam gegelung sekunder
Transformer tidak berfungsi dengan arus terus kerana arus terus menghasilkan medan magnet yang tetap — tiada pemotongan fluks magnet.
Persamaan Transformer
Vs/Vp = Ns/Np
Vp = voltan gegelung primer (input)
Vs = voltan gegelung sekunder (output)
Np = bilangan lilitan gegelung primer
Ns = bilangan lilitan gegelung sekunder
| Jenis Transformer | Syarat | Kesan |
|---|---|---|
| Injak Naik | Ns > Np | Vs > Vp (voltan dinaikkan) |
| Injak Turun | Ns < Np | Vs < Vp (voltan diturunkan) |
Transformer Unggul
Transformer unggul: kecekapan η = 100%
Vp Ip = Vs Is
(Kuasa input = Kuasa output)
Kecekapan Transformer
η = (Kuasa output / Kuasa input) × 100%
η = (Vs Is / Vp Ip) × 100%
Punca Kehilangan Tenaga dalam Transformer
| Punca | Cara Mengurangkan |
|---|---|
| Rintangan gegelung (pemanasan dawai) | Guna dawai kuprum tebal |
| Arus pusar dalam teras besi | Guna teras besi berlamina (besi lembut) |
| Histerisis (pemagnetan berulang) | Guna besi lembut (mudah dimagnetkan dan dinyahmagnetkan) |
| Kebocoran fluks magnet | Reka bentuk teras besi yang baik |
Aplikasi Transformer dalam Penghantaran Elektrik
- Stesen jana kuasa → Transformer injak naik → Voltan tinggi (132 kV/275 kV) untuk penghantaran jarak jauh (mengurangkan kehilangan tenaga haba)
- Substesen → Transformer injak turun → Voltan selamat untuk pengguna (240 V)
Rumus Penting Bab 4
| Kuantiti | Rumus |
|---|---|
| Nisbah transformer | Vs/Vp = Ns/Np |
| Transformer unggul | VpIp = VsIs |
| Kecekapan | η = (VsIs/VpIp) × 100% |
Soalan lazim
Mengapa transformer tidak berfungsi dengan arus terus?
Transformer memerlukan medan magnet yang berubah-ubah untuk menghasilkan aruhan elektromagnet dalam gegelung sekunder. Arus terus menghasilkan medan magnet yang tetap — tiada perubahan fluks, maka tiada arus aruhan.
Apakah fungsi komutator dalam motor arus terus?
Komutator (gelang terbelah) membalikkan arah arus dalam gegelung pada setiap separuh putaran. Ini memastikan daya ke atas gegelung sentiasa dalam arah yang sama, menyebabkan gegelung berputar berterusan dalam satu arah.
Bagaimana Hukum Lenz berkaitan dengan pemuliharaan tenaga?
Hukum Lenz memastikan arus aruhan menentang perubahan fluks yang menyebabkannya. Ini bermaksud kerja terpaksa dilakukan untuk menggerakkan magnet menentang daya tolakan/tarikan, selaras dengan hukum pemuliharaan tenaga.
Mengapa voltan tinggi digunakan untuk penghantaran elektrik?
Penghantaran voltan tinggi mengurangkan arus (P = VI). Arus yang lebih rendah bermaksud kurang kehilangan tenaga dalam bentuk haba melalui kabel (P_hilang = I²R). Transformer injak naik digunakan di stesen jana dan transformer injak turun di substesen.