Bab 8

Keelektromagnetan

FIZIKTINGKATAN 5

Disunting oleh

SMK Changkat Beruas, Perak

Dengan kolaborasi bersama

SMK Seri Mahkota, Kuantan

Cikgu Desikan Cikgu Khairul Anuar

TIN

GK

ATA

N 5

F

IZIK

2016

2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

P1 5 5 5 6 3 4 5 5

P2

A 1 1 1 - 1 1 1 1

B - - - - 1 - - -

C - - - - - - - -

P3A - - - - - - - -

B - - 1 1 - - - 1

Objektif Pembelajaran:

Pelajar-pelajar yang dikasihi,

Orang yang bijaksana tidak ada dua minda; dermawan

tidak pernah bimbang; orang yang berani tidak pernah

takut.

1. Menganalisis kesan magnet ke atas

suatu konduktor pembawa arus

2. Memahami daya ke atas konduktor

3. pembawa arus dalam suatu medan

magnet

3. Menganalisis aruhan elektomagnet

4. Menganalisis transformer

5. Memahami penjanaan dan penghantaran

elektrik

Bab 8

Keelektromagnetan

Analisis Soalan-soalan Tahun Lepas

Peta Konsep

Keelektromagnetan

Kesan kemagnetan

arus

Daya ke atas

konduktor

pembawa arus

Medan magnet

disebabkan

arusMedan

magnet paduan

Petua tangan kiri

Fleming

TransformerAruhan

elektomagnet

Solenoid

Aplikasi

elektromagnet

Elektromagnet

Daya putaran

Motor a.t.

d.g.e dan arus

teraruh

Transformer

injak naik & injak turun

Hukum Faraday

Hukum

Lenz

Petua tangan

kanan

Fleming

Rumus

transformer

Kehilangan

tenaga

Penjanaan dan

penghantaran

elektrikPenjana

a.t. & a.u

Bab 8

Keelektromagnetan

Teras besi

lembut Wayar

Electromagnet

Magnet sementara

_________________

_________________

_________________

_______________

_____________

____________

Apabila arus mengalir

melalui gegelung, ia

menghasilkan medan

magnet.

Teras besi lembut

menjadi magnet

sementara apabila

arus mengalir (suis

dihidupkan).

Apabila arus berhenti

mengalir (suis

dimatikan), teras besi

kehilangan

kemagnetan.

8.1 Kesan medan magnet pada suatu konduktor pembawa arus

Digunakan dalam

motor, penjana,

geganti, pembesar

suara, cakera keras,

mesin MRI.

4

Apakah medan magnet?

Medan magnet ialah kawasan di sekitar satu magnet atau satu konduktor yang membawa arus

di mana satu daya magnet akan bertindak pada suatu bahan magnet.

Medan magnet terdiri daripada garis magnet atau fluks magnet.

Garis-garis medan magnet yang rapat mewakili medan magent yang kuat.

Arah medan magnet ditakrifkan sebagai arah yang ditunjukkan oleh jarum kompas yang

diletakkan dalam medan magnet.

Genggam wayar menggunakan tangan kanan, dengan ibu jari menunjuk ke arah arus. Jari

anda yang lain menggelilingi dawai menunjukkan arah medan magnet.

Apabila arah arus diterbalikkan, arah medan magnet juga terbalik.

Petua genggaman tangan kanan

Ibu jari

mengikut arah

arus

5

Tangan kananJari yang lain

menunjukkan

arah medan

Arus

Garis medan

magnet

Dawai lurus

membawa arus

Corak dan arah medan magnet bagi medan magnet yang dihasilkan oleh :

1. Dawai lurus membawa arus

Arus keluar dari kertasArus ke dalam kertas

6

2. Gegelung bulat

3. Solenoid

7

Ibu jari menunjukkan

arah kutub utara

jari-jari melengkung

mengikut arah pengaliran arus

Catatan:

Petua Genggam Tangan Kanan

untuk Solenoid

Kekutuban medan yang dihasilkan

oleh solenoid dapat ditentukan

dengan mengenggam solenoid

dengan tangan kanan supaya jari-

jari melengkung mengikut arah

pengaliran arus. Arah ibu jari

menuju ke kutub utara solenoid.

N s

8

Faktor-faktor yang

mempengaruhi

kekuatan medan

magnet bagi suatu

elektromagnet

Aplikasi elektromagnet

Loceng elektrik

1. Apabila suis ditekan, litar

dilengkapkan, arus mengalir

dalam solenoid dan teras

besi lembut dimagnetkan.

2. Pemukul ditarik bersama

angker besi lembut oleh

teras besi lembut yang

menjadi electromagnet

menyebabkan pemukul

memukul loceng dan

menghasilkan bunyi.

3. Sentuhan dengan skru

pelaras terbuka dan litar

terputus. Apabila litar

terputus, teras besi hilang

kemagnetan.

4. Kepingan spring menarik angker besi kembali, litar disambung semula.

5. Proses ini berulang dan menghasilkan bunyi loceng tanpa henti.

9

Sentuhan

Bagaimana loceng elektrik berfungsi?

Pemukul

Angker besi

lembut

Skru pelaras

BateriSuis

Electromagnet

Spring

Geganti magnet

4. Gerakan angker besi lembut melengkapkan litar kedua. Litar kedua dihidupkan.

5. Arus yang besar mungkin mengalir melalui litar 2 untuk mengendalikan motor atau lampu yang

berkuasa tinggi.

6. Kelebihan menggunakan geganti adalah

a) arus yang kecil (litar 1) boleh digunakan untuk menghidupkan dan mematikan litar dengan

arus yang besar (litar 2).

b) litar 1 mungkin mengandungi komponen seperti perintang peka cahaya (LDR), yang

menggunakan arus kecil.

c) Hanya litar dengan arus yang besar perlu disambungkan dengan dawai yang tebal.

10

1. Geganti magnet digunakan

sebagai satu suis yang

menggunakan arus kecil

untuk menghidup atau

mematikan satu litar lain yang

menggunakan arus yang

besar.

2. Litar 1 hanya memerlukan

arus yang kecil.

3. Apabila suis ditutup, arus

mengalir dalam gegelung,

menyebabkan teras besi

lembut dimagnetkan dan

menarik angker besi lembut.

Sambungan ke litar 2Sesentuh

Angker besi

lembut

Electromagnet Litar 1

Suis 1

Cuping Telinga Telefon

1. Apabila seseorang bercakap melalui mikrofon telefon,

tenaga bunyi ditukarkan kepada arus elektrik yang

berubah-ubah.

2. Apabila arus berubah-ubah itu mengalir melalui

solenoid cuping telinga telefon, arus ini akan

menghasilkan medan magnet yang berubah-ubah

kekuatannya.

3. Diafragma akan bergetar akibat tarikan yang berubah-

ubah dan menghasilkan bunyi.

Alat pemutus litar

4. Ini menyebabkan spring menarik sentuhan dan memutuskan litar. Arus berhenti mengalir dalam

litar serta merta.

5. Selepas kerja pembaikan dilakukan, butang set semula ditekan untuk menghidupkan bekalan

lagi. 11

Sentuhan

Bekalan

utama

Spring

menarik

sentuhan

Angker besi lembut

ditarik ke arah

elektromagnet.

Elektromagnet

ke kegunaan

rumah

Butang Reset

arus

teras besi

gegelung

diafragma

Magnet kekal

1. Litar pemutus bertindak sebagai

suis automatik yang

memutuskan litar apabila arus

menjadi terlalu besar.

2. Arus boleh menjadi berlebihan

apabila terdapat litar pintas atau

terlampau beban (overload).

3. Kekuatan medan magnet bagi

elektromagnet meningkat tiba-

tiba. Angker besi lembut ditarik

ke arah elektromagnet.

Apa yang akan berlaku kepada konduktor pembawa arus dalam medan magnet?

Gabungan medan magnet disebabkan oleh arus di dalam konduktor dan medan magnet luar

menghasilkan medan magnet paduan. Medan magnet paduan ini menghasilkan daya magnet

yang kemudiannya bertindak atas konduktor pembawa arus.

Apabila konduktor yang membawa arus elektrik melalui medan magnet yang lain, daya

magnet dikenakan pada wayar.

Arah daya magnet, F, yang

bertindak atas konduktor boleh

ditentukan dengan menggunakan

Petua Tangan Kiri Fleming.

12

Arah Daya

Arah Medan

Magnet

Arah

Arus

8.2 Daya ke atas konduktor pembawa arus dalam suatu medan magnet

konduktor ditolak

ke atas

suis ditutup

Penyiasatan ke atas daya pada konduktor pembawa arus dalam medan magnet

13

Menunjukkan arah daya menggunakan Petua Tangan kiri sebelah Fleming.

Rajah 1 Rajah 2

+

-

Yok keluli

berbentuk -

U

Magnet

Magnadur

dawai kuprum

pendek

dawai

kuprum tebal

Bekalan

kuasa a.t.

14

Arah medan magnet adalah selari dengan arah arus.

Rajah 3 Rajah 4

1. Apabila konduktor pembawa arus berada dalam medan magnet magnet kekal, interaksi

antara kedua-dua medan magnet menghasilkan suatu daya pada konduktor itu.

2. Arah medan magnet, arus dan daya yang bertindak pada konduktor adalah berserenjang

antara satu sama lain.

Rajah 5

Bagaimana konduktor pembawa arus dalam medan magnet mengalami daya?

1. Magnet kekal mempunyai medan magnet

yang seragam dan selari.

2. Konduktor membawa arus menghasilkan

medan magnet di sekelilingnya.

3. Kedua-dua medan magnet ini berinteraksi

dan menghasilkan satu medan magnet

paduan yang dinamakan medan lastik(catapult field).

4. Di bahagian atas konduktor, garis-garis

medan magnet kekal dan medan magnet

konduktor adalah dalam arah yang sama. Ini

menyebabkan medan magnet di bahagian

atas konduktor menjadi lebih kuat.

5. Di bahagian bawah konduktor, garis-garis

medan magnet kekal dan medan magnet

konduktor dalam arah yang bertentangan.

Ini menyebabkan medan magnet di

bahagian bawah konduktor menjadi lebih

lemah.

6. Perbezaan kekuatan medan magnet di

bahagian atas dan bawah ini menyebabkan

satu daya paduan dihasilkan. Daya paduan

ini akan menyebabkan konduktor ditolak dari

kawasan medan magnet yang kuat ke

kawasan medan magnet yang lebih lemah.

15

N S

N S

Medan magnet pada magnet kekal

Medan magnet

pada

konduktor

membawa arus

elektrik

16

N S

Magnitud daya yang

bertindak

ke atas konduktor

membawa arus dalam

suatu medan magnet.

Medan lastik (catapult field)

Medan magnet paduan/ medan lastik untuk gegelung pembawa arus dalam medan magnet

17

N S

Medan magnet pada magnet kekalMedan magnet pada gegelung

pembawa arus

N S

Medan lastik bagi gegelung yang pembawa arus

Tunjukkan arah daya paduan, F.

Apa yang akan berlaku kepada gegelung?

Bagaimana motor arus terus berfungsi?

18

Komutator:

Songsangkan arah arus dalam

gegelung setiap separuh putaran

supaya gegelung terus berputar

dalam arah yang sama

Berus karbon:

Bersentuhan dengan komutator

supaya arus dari bateri memasuki

gegelung.

Spring:

Menolak berus supaya ia akan sentiasa

bersentuhan dengan komutator

Spring

Berus

karbon

Komutator

Magnet kekalGegelung dawai

Arus

Prinsip kerja Motor arus terus

19

A

BD

C

N S• Apabila gegelung sampai ke kedudukan

tegak, sentuhan di antara berus karbon

dengan komutator terputus.

• __________ daya putaran dihasilkan

kerana tiada arus yang mengalir dalam

gegelung.

• Tetapi gegelung terus berputar

disebabkan _______________ gegelung.

2

• Apabila arus mengalir melalui gegelung

mendatar, medan magnet dihasilkan di

sekitarnya.

• Interaksi antara medan magnet yang

dihasilkan oleh arus dan medan magnet

magnet kekal menghasilkan medan

____________ dan 2 daya putaran.

• Arah daya putaran ini ditentukan dengan

Petua tangan kiri Fleming.

• Kedua-dua daya __________________

gegelung _______________________.

A

B

D

C

N S

1

20

D

CA

B

N S

• Apabila gegelung dalam kedudukan

mendatar semula, kedudukan sisi

gegelung berubah.

• Komutator ___________________

arah arus dalam gegelung untuk

memastikan daya-daya terhasil pada

gegelung memutarkan gegelung dalam

satu arah sahaja.

• Jadi gegelung masih berputar dalam

________ yang sama

• Proses di atas berulang dan motor

terus berputar.

3

4

D

C

A

B

N S

21

Faktor-faktor yang

mempengaruhi

kelajuan putaran

motor elektrik

Hidup ini seperti menunggang basikal, untuk

menjaga keseimbangan anda, anda mesti

terus bergerak.

“Albert Einstein

(1879 - 1955)”

22

Latihan 8.1

a) Pada rajah 1.1, lakarkan medan magnet antara dua magnet magnadur.

b) Pada rajah 1.2, lakarkan medan magnet yang dihasilkan oleh conduktor yang membawa arus

ke dalam kertas.

N S

23

c) Pada rajah 1.3, lakarkan medan magnet yang dihasilkan oleh konduktor yang membawa arus

ke dalam kertas di antara dua magnet magnadur. Seterusnya, lukiskan arah daya yang

bertindak ke atas konduktor.

d) Apakah nama medan yang anda lukis dalam rajah 1.3?

e) Nyatakan dua faktor yang mempengaruhi daya yang bertindak pada konduktor.

U S

Aruhan elektromagnet adalah

Bagaimana arus teraruh dihasilkan?

• Gerakan relatif konduktor merentasi medan magnet boleh dihasilkan dengan:

2. Mengerakkan magnet kekal ke dalam

suatu solenoid atau sebaliknya.

1. Mengerakkan dengan cepat satu

konduktor lurus ke dalam satu

medan magnet atau sebaliknya.

24

8.3 Aruhan elektromagnet

Gerakan

merentasi

medan

Galvanometer

Magnet

digerakkan ke

dalam gegelung

d.g.e teraruh

menyebabkan

arus teraruh

mengalir

Galvanometer

Setiap kali dawai lurus memotong merentasi medan magnet, atau magnet kekal bergerak ke arah

solenoid, arus yang teraruh dalam gegelung dan pesongan diperhatikan pada galvanometer

sensitif.

Arus ini dipanggil _______________________. The daya gerak elektrik yang dihasilkan dipanggil

_______________________.

25

Wayar

penyambung

dengan klip

buaya

rod kuprum

dengan

hujung

terdedah

Galvanometer

Magnet

Magnadur

A. Elektromagnet induksi dalam satu

dawai lurus.

1. Jika galvanometer yang

menunjukkan pesongan,

bermakna arus teraruh

dihasilkan

2. Arus diaruhkan dalam

konduktor lurus apabila ia

bergerak dan memotong

garisan medan magnet (1 & 2

sahaja).

3. Pergerakan rod kuprum

mestilah berserenjang dengan

arah garisan medan magnet (1

& 2 sahaja) supaya arus teraruh

boleh dihasilkan.

Pemerhatian :

B. Aruhan elektromagnet dalam solenoid

1. Galvanometer menunjukkan bacaan yang positif apabila magnet bar dan solenoid

menghampiri satu sama lain. Ini menunjukkan bahawa arus telah terhasil dalam solenoid

pada arah tertentu.

1. Tolak magnet bar ke

dalam solenoid.

Perhatikan pesongan

galvanometer.

2. Pegang bar magnet

dalam solenoid.

Perhatikan bacaan

galvanometer.

3. Tarik magnet bar

daripada solenoid.

Perhatikan pesongan

galvanometer.

26

Pemerhatian :

Solenoid

Magnet

Galvanometer

Galvanometer

Solenoid

Magnet

Solenoid

Magnet

Galvanometer

Petua Tangan Kanan Fleming

Jika ibu jari dan dua jari pertama di sebelah

tangan kanan diletakkan pada sudut tepat

antara satu sama lain dengan jari pertama

menunjuk ke arah medan magnet dan ibu jari

ke arah usul itu, maka jari kedua menuju ke

arah arus teraruh.

Bagaimana untuk menunjukkan arah arus aruhan dalam satu dawai lurus?1

27

Arah daya /

gerakan

Arah

magnet

medan

Arah medan

magnet

2. Galvanometer menunjukkan bacaan negatif apabila magnet dan solenoid bergerak menjauhi

satu sama lain. Ini menunjukkan bahawa arus yang terhasil dalam solenoid pada arah yang

bertentangan.

3. Arus teraruh apabila terdapat gerakan relatif antara solenoid dan magnet.

Kesimpulan

A PQ wayar digerakkan secara menegak

ke bawah dalam medan magnet.

_________________________________

_________________________________

[Guna peraturan tangan kanan Fleming]

Bagaimana untuk menunjukkan arah arus aruhan dalam solenoid?2

Lenz’s Law Gerakan relatif antara

magnet dan solenoid

Kekutuban di hujung

solenoid yang menghadap

magnet

Mendekati satu sama lain Kekutuban yang sama

dengan magnet

Menjauhi satu sama lain Kutub bertentangan dengan

magnet

28

garisan medan magnet Arah gerakan

P

Q

29

Magnet digerakkan ke arah solenoid

Magnet digerakkan menjauhi solenoid

arus aruhan menghasilkan kutub Utara untuk

menentang gerakan magnet yang mendekati

solenoid

Tolakan

Magnet digerakkan

ke arah solenoid

arus aruhan menghasilkan kutub Selatan untuk

menarik magnet yang bergerak menjauhi solenoid

Tarikan

Magnet digerakkan

menjauhi solenoid

Hukum Faraday

30

Magnitud arus aruhan

dalam solenoid

SNS N

Tunjukkan arah yang arus aruhan dihasilkan apabila magnet digerakkan pada arah yang

seperti di bawah :

Galvanometer Galvanometer

31

Arah pergerakan

Arah pergerakan

Arah pergerakan

S N SN

Galvanometer

Arah pergerakan

Galvanometer

Penjana Arus

1. Fungsi penjana arus adalah menukarkan tenaga mekanikal kepada tenaga elektrik.

2. Prinsip kerja penjana arus adalah berdasarkan aruhan elektromagnet dan menggunakan Petua

Tangan Kanan Fleming.

3. Penjana arus dibahagikan kepada penjana arus terus dan penjana arus alternatif.

Aplikasi aruhan elektromagnet

Penjana Arus Terus

memterbalikkan sambungan gegelung

dengan litar luar pada setiap separuh

kitaran, supaya arus dalam litar luar

sentiasa mengalir dalam arah yang

sama.

32

Spring

Berus karbon

Komutator

Magnet kekalGegelung

Bagaimanakah penjana arus terus berfungsi?

Tunjukkan arah pergerakan gegelung AB dan CD.

Tandakan arah arus aruhan dalam gegelung dan galvanometer.

1. Gegelung AB bergerak ke ___________,

gegelung CD bergerak ke ___________.

2. Apabila gegelung berputar, gegelung

memotong garisan medan magnet dan

arus teraruh dalam gegelung dari

__________dan dari ______________.

3. Galvanometer akan terpesong ke

__________.

1. Sisi AB dan CD bergerak __________

dengan medan magnet dan dengan itu

tidak ______________ garisan medan

magnet.

2. Tiada _____________________dihasilkan

pada ketika itu.

3. Galvanometer kembali kepada _________.

33

A

B

D

C

A

B

D

C

1 2

1. Apabila gegelung terus berputar, arus

sekali lagi akan teraruh dalam gegelung

tetapi arahnya sekarang bertentangan

dengan yang dalam rajah 1 iaitu dari

___ ke ___ dan dari ____ke _____.

2. Walau bagaimanapun, arah arus melalui

litar luar tetap sama, jadi galvanometer

masih terpesong ke ________.

1. Sisi AB dan CD bergerak ____________

dengan medan magnet dan tidak

______________garisan medan magnet.

2. Tiada _______________________yang

dihasilkan pada ketika itu.

3. Galvanometer kembali ke kedudukan

_____________.

4. Proses ini ________________.

34

3 4

C

D

A

B

N S

D

C

A

B

N S

Arus yang teraruh berubah dari maksimum kepada sifar, mengalir dalam satu arah sahaja.

Oleh itu, arus aruhan ini dipanggil arus terus.

35

A

A

AC

C

C

B

B

B

D

D

DA A

C CB B

D D

Induced Current

1 cycle

0° 90° 180° 270° 360°

Angle

1 pusingan

Arus aruhan

Sudut

Penjana Arus Ulang- alik

1. Kedua-dua hujung gegelung disambungkan kepada dua gelang gelincir yang memutarkan

gegelung.

2. Setiap gelang gelincir sentiasa bersentuhan dengan berus karbon yang sama.

36

Gegelung

Magnet

Magnet

Mentol

Berus KarbonGelang gelincir

Penjana a.u.

ciptaan Nikola Tesla

Bagaimanakah penjana arus ulang alik berfungsi?

Tunjukkan arah pergerakan gegelung AB dan CD.

Tandakan arah arus aruhan dalam gegelung dan galvanometer.

37

1. Gegelung AB bergerak ke ___________,

gegelung CD bergerak ke ___________.

2. Apabila gegelung berputar, gegelung

memotong garisan medan magnet dan

arus teraruh dalam gegelung dari

____ke_____dan dari _____ke_______.

3. Dalam litar luar, arus mengalir dari

____ke _____.

1. Sisi AB dan CD bergerak __________

dengan medan magnet dan dengan itu

tidak ______________ garisan medan

magnet.

2. Tiada _____________________dihasilkan

pada ketika itu.

3. Galvanometer ini kembali kepada ______.

1 2

A

BD

C

F

F

P

Q

N S

A

B

D

C

P

Q

N S

1. Selepas kedudukan menegak, arus

meningkat sehingga mencapai nilai

maksimum apabila gegelung berada dalam

kedudukan mendatar.

2. Gegelung CD bergerak ke _________,

gegelung AB bergerak ke __________.

3. Arah arus aruhan dalam gegelung adalah

dari ____ ke ____ dan dari ___ ke _____.

4. Arah arus yang melalui litar luar adalah dari

berus karbon ____ ke ___ yang mana

diterbalikkan.

38

1. Sisi AB dan CD bergerak ____________

dengan medan magnet dan tidak

______________garisan medan magnet.

2. Tiada _______________________yang

dihasilkan pada ketika itu.

3. Galvanometer kembali ke kedudukan

_____________.

4. Proses ini ________________.

3 4

D

CA

B

P

Q

N S

D

C

A

B

P

Q

N S

1. Output arus yang dijana penjana ini arus ulang-alik kerana arah arus dalam litar luar berubah

setiap kali gegelung melepasi kedudukan menegak.

2. Andaikan aliran arus dari P ke Q adalah positif dan aliran arus dari Q ke P adalah negatif.

3. Arus mengubah magnitud dan arahnya selepas setiap separuh kitaran.39

P

AC

B

DQ

C

BD

AP

Q

AC

B

DP

Q

P

Q

A

C B

D

CB

DA

P

Q

Induced Current

1 cycle

0° 90° 180° 270° 360°

Angle

1 pusingan

Arus aruhan

Sudut

Magnitud mungkin:

a) tetap

b) berubah dengan masa tetapi

arah tetap

Magnitud mungkin:

a) tetap

b) berubah dengan masa dan

arah berubah secara berkala

40

arus terus arus ulang alik

I (A)

t (s)

I (A)

t (s)

Arah dan magnitud

malar

Arah tetap tetapi

magnitude berubah

I (A)

t (s)

I (A)

t (s)

Magnitud malar tetapi

arah berubah

Magnitud dan arah yang

berubah

arus terus

(a.t.)

41

arus ulang

alik

(a.u.)

a.t. dan a.u.

kapasitor

resistor

capacitor

resistor

bulb bulb

kapasitor

perintangmentol

Arus meningkat dari sifar hingga

nilai maksimum, +Io (di A), dan

kembali kepada sifar (di B). Ia

kemudian menukar arahnya dan

meningkat kepada -Io (di C) dan

kembali kepada sifar.

Io = arus puncak,

Vo = voltan puncak

Masa yang diambil untuk satu

kitaran dari O ke D dikenali

tempoh, T.

Frekuensi arus, f = 1/T

Di Malaysia, frekuensi bekalan

a.u. ialah 50 Hz. Maka, tempoh

bagi a.u. :

T = 1/50 = 0.02 saat.

42

I (A)

O

A

B

C

DT 2T

Io

-Io

t (s)

arus ulang alik

1 cycle

V (V)

O

A

B

C

DT 2T

Vo

-Vo

t (s)

voltan ulang alik

1 cycle

43

Exercise 8.1

1. Rajah 2 menunjukkan struktur penjana elektrik yang ringkas.

a) Apakah jenis penjana yang ditunjukkan dalam Rajah 2?

b) Namakan bahagian yang berlabel

(i) P : ___________________________________________

(ii) Q : ___________________________________________

c) Namakan fenomena fizik yang berkaitan dengan prinsip penjana?

44

e) Nyatakan dua cara yang boleh meningkatkan voltan yang dihasilkan oleh penjana.

d) Dengan menggunakan paksi di bawah, lakarkan graf voltan merentasi perintang (V)

terhadap masa (t).

Voltan (V)

Masa (t)

f) Lukiskan arah arus dalam gegelung pada ketika yang ditunjukkan dalam Rajah 2.1.

a) Apakah arus puncak?

b) Apakah tempoh arus ulang alik?

c) Apakah frekuensi arus ulang alik?

45

2. Rajah menunjukkan arus ulang-alik dengan magnitud yang berubah dengan masa.

I / A

5

t / s

- 5

0.08

Struktur transformer ringkas

Transformer terdiri daripada dua

gegelung dawai yang dililit pada teras

besi lembut.

Gegelung yang disambungkan kepada

voltan input dipanggil gegelung utama.

Gegelung yang disambungkan kepada

voltan output dipanggil gegelung

sekunder.

Teras besi lembut berfungsi

memindahkan fluks magnet yang

berubah-ubah dari gegelung primer

kepada gegelung sekunder.

46

8.4 Transformer

Simbol transformer

Teras besi lembut berlamina

Gegelung

primer

Gegelung sekunder

VP VS

Struktur transformer

Prinsip operasi transformer ringkas

Prinsip kerja sebuah transformer adalah

melibatkan kelektromagnetan dan prinsip

aruhan elektromagnet.

Apabila arus ulang-alik dengan voltan

input, VP dialirkan melalui gegelung

primer, 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.

Mengapa transformer tidak berfungsi dengan bekalan kuasa a.t.?

Arus yang teraruh dalam gegelung

sekunder hanya apabila terdapat fluks

magnet yang berubah-ubah disebabkan

arus primer yang berubah-ubah (arah dan

magnitud yang berubah-ubah)

Bekalan kuasa arus terus membekalkan

arus malar dalam litar utama.

Arus terus malar yang mempunyai

magnitud dan arah yang tetap tidak

menghasilkan fluks magnet yang

berubah-ubah dalam gegelung sekunder.

Oleh itu, aruhan elektromagnet tidak

berlaku.

47

The changing magnetic flux is cut by the

secondary coil, producing induced e.m.f. in

the secondary coil.

d.ge aruhan yang terhasil dalam gegelung

sekunder membolehkan satu arus ulang alik

dengan voltan output, VS mengalir melalui

beban yang disambung merentasi gegelung

sekunder.

Magnitud voltan output, VS bergantung

kepada nisbah bilangan gegelung primer

dan bilangan gegelung sekunder.

Hubungan antara bilangan lilitan gegelung dengan voltan dalam transformer

Mengikut Hukum Faraday:

Voltan ∝ bilangan lilitan gegelung

kN

V

kN V

N α V

Vp = Voltan input (primer)

Vs = Voltan output (sekunder)

Np = bilangan lilitan gegelung primer

Ns = bilangan lilitan gegelung sekunder

Transformer injak naik X Transformer injak turun

Transformer injak turunJika Ns kurang daripada Np, maka Vs kurang daripada Vp

Transformer injak naikJika Ns lebih daripada Np, maka Vs lebih daripada Vp

Ns > Np , Vs > Vp Ns < Np , Vs < Vp 48

Gegelung

primer

Gegelung

sekunder

VP VSNP NS

VP VSNP NS VP VSVP VS

NP NS VP VS

Hubungan antara kuasa output dan kuasa input dalam suatu transformer unggul

Sebuah transformer memindahkan

tenaga elektrik dari gegelung primer

kepada gegelung sekunder.

Litar utama transformer menerima

kuasa pada voltan tertentu daripada

bekalan kuasa a.u. transformer

memberikan kuasa ini pada voltan lain

untuk peralatan elektrik yang

disambungkan ke litar sekunder.

Dalam transformer ideal, tidak ada

kehilangan tenaga semasa proses

mengubah voltan.

Kehilangan tenaga dalam suatu transformer

Bagi suatu transformer secara praktikalnya akan mengalami kehilangan sebahagian kecil

tenaga terutamanya dalam bentuk tenaga haba.

Kuasa output akan lebih rendah berbanding kuasa input.

Maka, kecekapan transformer kurang daripada 100%. 49

Kuasa yang

dibekalkan kepada

gegelung primer

Kuasa yang

digunakan dalam

gegelung sekunder

=

Kuasa Input = Kuasa Output

VpIp = VsIs

Bekalankuasa a.u.

Litar primer Litar sekunder

AlatelektrikKuasa input Kuasa output

Kecekapan sebuah transformer

Kehilangan kuasa adalah disebabkan oleh(a) _____________________________________

(b) _____________________________________

(c) _____________________________________

(d) _____________________________________

Punca kehilangan tenaga dalam transformer Cara meningkatkan kecekapan transformer

Rintangan gegelung

semua gegelung mempunyai rintangan

haba yang dihasilkan apabila arus mengalir

melaluinya

Menggunakan dawai kuprum yang tebal untuk

membuat gegelung.

Rintangan akan berkurang apabila ketebalan

dawai bertambah.

50

kuasa input

daripada

bekalan kuasa

a.u.

kuasa output

yang berguna

yang dibekalkan

kepada peranti

elektrik

Kehilangan

kuasa

Punca kehilangan tenaga dalam transformer Cara meningkatkan kecekapan transformer

Arus pusar dalam teras

Medan magnet yang berubah-ubah juga

menyebabkan arus teraruh dalam teras

besi.

Arus aruhan ini dipanggil arus pusar.

Arus ini menyebabkan haba dihasilkan

dalam teras besi.

Menggunakan teras besi berlamina (berlapis).

Menggurangkan penjanaan arus pusar.

Maka tenaga haba yang dihasilkan dapat

dikurangkan.

Kemagnetan teras besi

Arus yang mengalir melalui transformer

memagnetkan dan menyahmagnetkan teras

besi secara berterusan

Kerja perlu dilakukan untuk mengubah

magnitud dan arah medan magnet dalam

teras

Menggunakan teras diperbuat daripada

teras besi lembut yang mudah dimagnetkan dan

dinyahmagnetkan.

51

Gegelung

primer

Gegelung

sekunder

Teras

berlamina

Punca kehilangan tenaga dalam transformer Cara meningkatkan kecekapan transformer

Kebocoran fluks magnet

Sebahagian fluks magnet yang dihasilkan

dalam gegelung primer tidak dipautkan

dengan gegelung sekunder.

Kebocoran fluks magnet menggurangkan

d.g.e aruhan dalam gegelung sekunder.

Melilitkan gegelung primer dan gegelung

sekunder lebih rapat antara satu sama lain

52

Apabila dunia berkata, ‘mengalah saje',

bisikan Harapan 'Cubalah sekali lagi.' ”“

Teras besi lembut berlamina

Terminal input

Terminal outputGegelung

transformer

1. Sebuah transformer dikehendaki

menurunkan voltan bekalan kuasa 240V

untuk membekalkan bekalan kuasa 12V

untuk suatu mainan elektrik. Jika gegelung

utama mempunyai 1 000 lilitan, kirakan

bilangan lilitan yang diperlukan untuk

gegelung sekunder.

2. Sebuah transformer mempunyai 10 000

lilitan pada gegelung sekunder dan 100 liltan

pada gegelung primernya. Arus ulang-alik

5.0 A mengalir dalam gegelung primer

apabila ia disambungkan kepada bekalan

a.u. 12 V. Kirakan:

a) kuasa input transformer

b) d.g.e. aruhan merentasi gegelung

sekunder

c) arus maksimum yang boleh mengalir

dalam litar yang disambungkan kepada

gegelung sekunder jika transformer

adalah 100% cekap.

53

Latihan 8.4

54

Soalan 3

Rajah menunjukkan tiga mentol yang serupa dengan kadaran 16 V, 48 W disambung secara sesiri

pada gegelung sekunder transformer. Voltan input adalah 240 V daripada bekalan kuasa utama.

Gegelung primer mempunyai 4800 lilitan. Ketiga-tiga mentol bernyala dengan kecerahan normal.

a) Apakah yang dimaksudkan dengan kecerahan normal?

b) Apakah voltan output transformer?

240 V

55

c) Tentukan bilangan lilitan dalam gegelung sekunder.

d) Jika kecekapan transformer ialah 100%, kirakan arus dalam gegelung primer.

56

e) Jika kecekapan transformer ialah 80%, kirakan arus dalam gegelung primer.

f) Nyatakan dua cara bagaimana tenaga hilang dalam transformer.

Tenaga elektrik yang dijana di stesen jana kuasa, dihantar melalui kabel jarak jauh, dan kemudian

diedarkan kepada pengguna.

Tenaga boleh diperbaharui Tenaga yang tidak boleh diperbaharui

57

8.5 Penjanaan dan penghantaran elektrik

Sumber tenaga yang digunakan untuk menjana tenaga elektrik

Cara untuk menjana elektrik

Sumber tenaga boleh diperbaharui: sumber tenaga yang diganti secara berterusan dan tidak

akan habis.

Sumber tenaga yang tidak boleh diperbaharui : sumber tenaga yang tidak boleh diganti selepas

digunakan.

• Elektrik dihasilkan dengan menggunakan penjana

• Sebuah penjana mempunyai magnet besar yang diputar oleh turbin.

• Apabila magnet bertukar di dalam gegelung wayar, elektrik dihasilkan secara aruhan

elektromagnet.

• Banyak sumber tenaga yang digunakan untuk memutarkan turbin.

Stesen jana kuasa

arang batu

• Tenaga haba daripada pembakaran arang batu digunakan untuk

menghasilkan wap bertekanan tinggi untuk memacu penjana bagi

menghasilkan elektrik.

• Perubahan tenaga: tenaga kimia → tenaga haba → tenaga kinetik

→ tenaga elektrik

Stesen jana kuasa

gas asli

• Tenaga haba daripada pembakaran gas asli digunakan untuk

menghasilkan wap bertekanan tinggi untuk memacu penjana bagi

menghasilkan elektrik.

• Perubahan tenaga: tenaga kimia → tenaga haba → tenaga kinetik

→ tenaga elektrik

Stesen janakuasa

hidroelektrik

58

• Empangan besar dibina

merentasi sungai.

• Apabila air di dalam

empangan dibiarkan

mengalir turun ke tempat

yang lebih rendah, tenaga

kinetik air yang bergerak

memacu turbin air, yang

seterusnya memacu

penjana untuk

menghasilkan elektrik.

• Perubahan tenaga:

tenaga keupayaan →

tenaga kinetik → tenaga

elektrik

Stesen janakuasa

nuklear

1. Tenaga haba yang dihasilkan daripada pembelahan nukleus

(uranium-235) digunakan untuk menghasilkan stim bertekanan

tinggi yang digunakan untuk memutarkan turbin yang disambung

dengan sebuah penjana.

2. Perubahan tenaga: tenaga nuklear → tenaga haba → tenaga kinetik

→ tenaga elektrik

Biojisim 1. Biojisim termasuk tumbuh-tumbuhan dan bahan buangan pertanian

seperti biji kelapa sawit dan kumbahan isi rumah yang reput yang

digunakan untuk menghasilkan gas metana dan alkohol.

2. Tenaga haba daripada pembakaran biojisim digunakan untuk

menjana tenaga elektrik

Solar 1. Tenaga solar berasal dari matahari

2. Sel-sel solar menggunakan tenaga matahari untuk menjana tenaga

elektrik kecil untuk menghidupkan kalkulator.

3. Panel solar menggunakan tenaga matahari untuk menghasilkan

tenaga haba untuk memanaskan air di rumah.

Penjana angin 1. Angin yang berkelajuan tinggi boleh digunakan untuk memutarkan

bilah kincir angin yang besar yang seterusnya memacu penjana

untuk menghasilkan elektrik.

59

“Dua perkara yang tak terhingga: alam semesta dan

kebodohan manusia; dan saya tidak pasti mengenai alam

semesta.” ― Albert Einstein

60

Penghantaran tenaga elektrik

Kehilangan tenaga dalam kabel penghantaran elektrik dan kelebihan penghantaran pada

voltan tinggi

1. Tenaga elektrik dihantar dari stesen janakuasa kepada pengguna menggunakan rangkaian

kabel yang panjang (power lines).

2. Tenaga elektrik dihantar pada voltan yang tinggi dan menggunakan arus ulang alik.

3. Sebuah transformer injak naik meningkatkan voltan setinggi 110,000 atau 132, 000 V.

4. Transformer injak turun digunakan untuk mengurangkan voltan sebelum dihantar kepada

pengguna.

5. Kabel yang tebal dan panjang digunakan sebagai talian penghantaran yang diperbuat daripada

tembaga atau aluminium.

1. Kesan pemanasan disebabkan oleh rintangan kabel menyebabkan kehilangan tenaga elektrik

sebagai tenaga haba.

2. Apabila arus mengalir dalam kabel, kehilangan kuasa, P melalui pemanasan adalah P = I2R di

mana R ialah rintangan kabel.

3. Kehilangan kuasa boleh dikurangkan dengan

a) mengurangkan rintangan kabel

b) mengurangkan arus dalam kabel

4. Bagi mengurangkan rintangan kabel, kabel tebal yang diperbuat daripada tembaga atau

aluminium digunakan. Tetapi kabel tebal sangat mahal dan akan menjadi terlalu berat untuk

disokong dengan selamat.

5. Kehilangan kuasa dalam penghantaran elektrik dikurangkan dengan mengurangkan arus dalam

kabel.

61

“All that is gold does not glitter,

Not all those who wander are lost;

The old that is strong does not wither,

Deep roots are not reached by the frost.

From the ashes a fire shall be woken,

A light from the shadows shall spring;

Renewed shall be blade that was broken,

The crownless again shall be king.”

― J.R.R. Tolkien, The Fellowship of the Ring

kuasa untuk dihantar oleh kabel adalah

di mana I = arus dalam kabel, V = voltan merentasi kabel.

6. Ini bermaksud arus dalam kabel adalah berkadar songsang dengan voltan merentasi kabel bagi

kuasa penghantaran tertentu.

7. Apabila kuasa elektrik dihantar pada voltan yang rendah, arus yang mengalir dalam kabel lebih

besar.

8. Semakin besar arus dalam kabel, semakin besar kehilangan kuasa elektrik.

1. Cari nilai kehilangan kuasa dalam suatu

kabel penghantaran apabila 20 kW kuasa

elektrik dihantar melalui kabel berintangan

1.5 pada voltan

a) 200 V

b) 10 kV.

2. 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 pada voltan

a) 80 kV

b) 400 kV

62

Latihan 8.5

63

1. Rangkaian grid nasional ialah

satu sistem kabel elektrik voltan

tinggi yang menyambungkan

semua stesen-stesen janakuasa

dengan pengguna di seluruh

negara.

2. Di Malaysia, tenaga elektrik

dijanakan pada voltan 11 kV -

33kV. Voltan ini kemudiannya

dinaikkan dengan menggunakan

transformer injak naik sehingga

132 kV sebelum ia dihantar

melalui kabel grid.

3. Tujuan meningkatkan voltan

kepada 132 kV adalah untuk

mengecilkan arus yang mengalir

melalui grid, dan ini

mengurangkan kehilangan kuasa

semasa penghantaran.

4. Voltan tinggi dalam grid itu

kemudiannya dikurangkan

dengan transformer substesen

Rangkaian Grid Nasional

5. Industri berat akan dibekalkan dengan kuasa pada 33 kV. Industri ringan akan dibekalkan

dengan kuasa pada 11 kV. Pejabat akan dibekalkan dengan kuasa 415 V, manakala pengguna

domestik akan mendapat bekalan kuasa 240 V.

Pejabat415 V

Domestik

240 V

25 kV

132 kV

Industri Berat

33 kV

Industri Ringan

11 kV

untuk diedarkan kepada pengguna tempatan.

64

Kepentingan

rangkaian grid

nasional

1

2

3

5

4

Kos penjanaan elektrik dikurangkan

kerana penghantaran voltan tinggi

mengecilkan arus yang mengalir

melalui kabel dan dengan itu

mengurangkan kehilangan kuasa

dalam kabel.

Stesen jana kuasa di

kawasan di mana

permintaan yang rendah

boleh membekalkan

elektrik ke kawasan di

mana permintaan yang

tinggi.

Jika stesen tertentu rosak atau

ditutup untuk kerja-kerja

penyelenggaraan, stesen-

stesen lain boleh membekalkan

tenaga elektrik ke kawasan

yang terjejas.

Rangkaian grid juga membolehkan stesen

kurang cekap untuk ditutup pada tempoh

luar puncak, sekali gus mengurangkan kos

keseluruhan penjanaan dan penghantaran.

Stesen janakuasa boleh dibina

di luar lingkungan bandar

supaya udara dan pencemaran

alam sekitar dapat dikurangkan.

Isu-isu Transmisi

Di atas atau bawah tanah?

Kebocoran cas antara kabel dan

bumiVoltan tinggi atau

voltan rendah?

Arus ulang alik

a.u.

1. Arus ulang-alik yang

digunakan dalam

penghantaran tenaga

elektrik kerana voltan

boleh ditingkatkan atau

dikurangkan dengan

mudah menggunakan

transformer.

2. Transformer tidak

berfungsi dengan arus

terus

Kuasa elektrik dihantar pada voltan yang tinggi

supaya

• Arus dalam kabel adalah lebih kecil

• Kehilangan kuasa disebabkan pemanasan

kabel dapat dikurangkan.

1. Kabel voltan tinggi adalah cara yang

paling murah untuk menghantar

kuasa elektrik merentasi jarak yang

jauh.

2. Walau bagaimanapun, untuk

mengelakkan percikan api

(sparking), satu-satunya cara yang

berkesan untuk menebat kabel

adalah dengan memberi ruang udara

yang besar di sekelilingnya.

3. Kabel perlu digantung menggunakan

pilon.

1. Untuk mengelakkan kebocoran cas, kabel

aluminium disokong oleh pilon logam tinggi.

2. Badan pilon dibumikan supaya selamat

untuk pekerja dan orang ramai.

65

Isu-isu Transmisi

Bahaya dilangar pesawat kecil

Bahaya terkena kilat

1. Pilon membawa konduktor kilat yang

dibumikan

2. Kabel dipasang dengan betul dengan

sokongan porselin supaya kabel tidak

menyentuh pilon.

Lampu dan penanda khas mesti

disertakan dengan pilon.

Kecurian

undang-undang yang lebih ketat

perlu dilaksanakan untuk

menghalang pencuri daripada

mencuri kabel aluminium.

Kos kabel

1. Kabel kuprum mempunyai rintangan

yang rendah tetapi kos yang tinggi

2. Kabel Aluminium biasanya digunakan

kerana ringan, mempunyai rintangan

yang rendah dan kos yang rendah.

66

Kepentingan

tenaga boleh

diperbaharui

1

Sumber tenaga yang

tidak boleh

diperbaharui seperti

minyak mentah, arang

batu dan gas

aslisemakin

berkurangan. Alternatif

perlu dicari untuk

menggantikan sumber

sepertinya untuk

memastikan bekalan

kuasa yang berterusan

pada masa hadapan.

Sumber tenaga boleh

diperbaharui adalah sumber yang

yang berasal dari matahari dan

bumi dan akan berterusan selagi

Sistem Suria wujud.

Sumber tenaga

yang boleh

diperbaharui tidak

mencemarkan alam

sekitar.

23

Dari matahari: panel solar, sel-sel

solar, biomas, angin dan tenaga

gelombang, kuasa hidroelektrik

5

4Dari bumi: tenaga geoterma,

tenaga dari air pasang.

67

.

Pada saya, apa-apa fakta atau pandangan

baru yang saya mungkin telah menemui

seolah-olah bukan 'penemuan' saya , tetapi

sesuatu yang memang sentiasa ada, dan

bahawa saya telah berpeluang untuk

mengambilnya.

“

P. V. Subrahmanyan

Chandrasekhar (1910 - 1995) ”

Kesan ke atas alam sekitar yang disebabkan oleh penggunaan pelbagai sumber untuk

menjana tenaga elektrik

Sumber tenaga Kelebihan Kelemahan

Hidro 1. Tenaga boleh diperbaharui

2. Air boleh didapati secara percuma

dalam kuantiti yang besar

3. Bersih dan tidak mencemarkan

alam sekitar

4. Air yang disimpan dalam

empangan boleh digunakan untuk

mengairi ladang

5. Empangan boleh digunakan untuk

mengawal banjir empangan boleh

dipromosikan sebagai pusat

rekreasi

1. Pembinaan empangan boleh

mengganggu keseimbangan

ekosistem

2. Tidak sesuai di kawasan di mana

bencana alam seperti gempa bumi

boleh berlaku

3. Tidak sesuai di kawasan-kawasan

rata dan kering.

Minyak dan gas

asli

1. Pada masa ini ia masih boleh

didapati dalam kuantiti yang besar

2. Boleh diangkut ke lokasi di mana

ia akan digunakan

1. Tenaga yang tidak boleh

diperbaharui

2. Pelepasan gas berbahaya yang

boleh mencemarkan alam sekitar

3. Kos yang tinggi

Arang 1. Sumber yang ada mencukupi

sehingga 200 tahun

2. Boleh diangkut ke lokasi di mana

ia akan digunakan

1. Tenaga yang tidak boleh

diperbaharui

2. Pelepasan gas berbahaya yang

boleh mencemarkan alam sekitar

68

Sumber

tenagaKelebihan Kelemahan

Nuklear 1. Sejumlah uranium yang kecil

boleh membebaskan kuantiti

tenaga yang besar.

2. Pelepasan karbon dioksida adalah

minimum

3. Reaktor di stesen janakuasa

nuklear boleh menghasilkan

radioisotop yang berguna untuk

digunakan dalam industri,

perubatan dan pertanian

1. Kos yang pembinaan tinggi

2. Sisa dalam bentuk rod bahan api

terpakai sangat panas dan sangat

radioaktif

3. Pelepasan air panas menyebabkan

pencemaran haba kepada alam sekitar

4. Risiko kemalangan yang boleh

membawa kepada kebocoran jumlah

yang besar bahan-bahan radioaktif

kepada alam sekitar.

Biomas 1. Tenaga yang boleh diperbaharui

2. Mengurangkan masalah

pelupusan sisa organik

1. Memerlukan ruang simpanan yang

besar yang jauh dari populasi manusia

jika biomas adalah najis haiwan atau

kumbahan.

Angin 1. Tenaga yang boleh diperbaharui

2. Bersih dan tidak mencemarkan

alam sekitar

1. Memerlukan banyak kincir angin yang

meliputi kawasan yang lebih besar

2. Menjana tahap kebisingan yang tinggi

69

“Aku tidak takut kepada orang yang telah berlatih

10.000 tendangan sekali, tetapi aku takut kepada orang

yang telah mengamalkan satu tendangan 10,000 kali.”– Bruce Lee