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:

Faktor yang Mempengaruhi Magnitud Daya

FaktorKesan
Arus elektrik bertambahDaya bertambah
Kekuatan medan magnet bertambahDaya bertambah
Panjang konduktor dalam medan bertambahDaya 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:

Prinsip Kerja Motor AT

Separuh PutaranArah ArusKesan
PertamaABCDDaya: AB ke bawah, CD ke atas → gegelung berputar
KeduaDCBA (dibalikkan oleh komutator)Daya kekal dalam arah yang sama → putaran berterusan

Faktor yang Mempengaruhi Kelajuan Putaran Motor

Motor Tanpa Berus vs Motor Berberus

AspekMotor Tanpa BerusMotor Berberus
Bahagian berputarMagnet berputarGegelung berputar
KomutatorTiadaAda (gelang terbelah)
GeseranTiada percikanAda percikan bunga api
BunyiSenyapLebih bising
HayatLebih panjangLebih 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

Hukum Faraday

Magnitud d.g.e. aruhan adalah berkadar terus dengan kadar pemotongan fluks magnet.

D.g.e. aruhan bertambah apabila:

Hukum Lenz (Arah Arus Aruhan)

Arus aruhan sentiasa mengalir pada arah yang menentang perubahan fluks magnet yang menyebabkannya.
KeadaanKekutuban Solenoid di Hujung A
Kutub U mendekati hujung AHujung A = Utara (menolak)
Kutub U menjauhi hujung AHujung A = Selatan (menarik)
Kutub S mendekati hujung AHujung A = Selatan (menolak)
Kutub S menjauhi hujung AHujung A = Utara (menarik)

Petua Tangan Kanan Fleming (Arus Aruhan dalam Dawai Lurus)

Penjana Arus Terus vs Penjana Arus Ulang-alik

AspekPenjana ATPenjana AU
Penyambungan gegelungKomutator gelang terbelahDua gelang gelincir
OutputArus terus (AT)Arus ulang-alik (AU)
PrinsipSama: aruhan elektromagnet, gegelung memotong fluks magnet

4.3 Transformer

Transformer mengubah magnitud voltan arus ulang-alik menggunakan prinsip aruhan elektromagnet.

Prinsip Kerja Transformer

  1. Bekalan AU mengalir dalam gegelung primer → menghasilkan arus ulang-alik
  2. Arus ulang-alik menghasilkan medan magnet yang berubah-ubah
  3. Fluks magnet dipautkan ke gegelung sekunder melalui teras besi lembut
  4. 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 TransformerSyaratKesan
Injak NaikNs > NpVs > Vp (voltan dinaikkan)
Injak TurunNs < NpVs < 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

PuncaCara Mengurangkan
Rintangan gegelung (pemanasan dawai)Guna dawai kuprum tebal
Arus pusar dalam teras besiGuna teras besi berlamina (besi lembut)
Histerisis (pemagnetan berulang)Guna besi lembut (mudah dimagnetkan dan dinyahmagnetkan)
Kebocoran fluks magnetReka bentuk teras besi yang baik

Aplikasi Transformer dalam Penghantaran Elektrik

Rumus Penting Bab 4

KuantitiRumus
Nisbah transformerVs/Vp = Ns/Np
Transformer unggulVpIp = VsIs
Kecekapanη = (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.