8 finalunit 5 aruhan elektromagnet

SRF 3023 KEELEKTRIKAN, KEMAGNETAN, DAN GELOMBANG Unit 5

107

UNIT 5 ARUHAN ELEKTROMAGNET

5.1 PENDAHULUAN

Hampir 200 tahun yang lalu, Faraday mencari bukti untuk menunjukkan bahawa medan magnet boleh menghasilkan arus aruhan. Beliau menggunakan radas seperti Rajah 5.1 di bawah.

Rajah 5.1: Karton uji kaji Faraday {Gambar diambil daripada The 3rd Maxwell's Equation, http://www.maxwells-equations.com/faraday/faradays-law.php (dicapai pada Jan 10, 2014).}

Tujuan radas ini adalah untuk mengesan kewujudan arus aruhan daripada elektromagnet yang terhasil di X apabila suis ditutup. Perhatikan bahawa bahagian X dan bahagian Y tidak tersambung.

Pembelajaran di unit yang lepas menceritakan tentang kewujudan medan magnet apabila adanya arus elektrik mengalir di dalam konduktor. Inilah asas pencarian Faraday, iaitu bolehkah arus terhasil daripada medan magnet? Secara amnya, prinsip Faraday ini mempunyai pelbagai aplikasi bagi kebolehgunaan kita, antaranya dalam penjanaan elektrik, motor elektrik, transformer, mikrofon, dan sistem penyalaan enjin kereta.

Pada unit ini, kita akan menjawab persoalan itu dan mengetahui sama ada medan magnet boleh menghasilkan arus atau tidak. Jika boleh apakah keadaan dan syarat-syaratnya?

Bateri

suis

Galvanometer


108

5.2 HASIL PEMBELAJARAN

Setelah mempelajari unit ini, anda dapat: menerangkan proses aruhan elektromagnet.

menyelesaikan masalah berkaitan hukum Faraday dan hukum Lenz.

menerangkan mengenai transformer dan arus ualang alik (a.u) menyelesaikan masalah berkaitan transformer. menerangkan mengenai sistem penghantaran kuasa elektrik.

menerangkan miskonsepsi dalam tajuk elektrik dan magnet.

5.3 D.G.E ARUHAN: HUKUM FARADAY DAN HUKUM LENZ

Pertimbangkan Rajah 5.2 yang menunjukkan uji kaji mudah mengenai aruhan elektrik.

Rajah 5.2: (a) Tiada gerakan relatif antara magnet dan gelung, tidak ada apa pesongan jarum ammeter (b) magnet menghampiri gelung, jarum ammeter terpesong (c) magnet menjauhi gelung, jarum ammeter terpesong pada arah bertentangan.

Pemerhatian (a): Didapati tiada gerakan jarum ammeter apabila tidak ada gerakan relatif antara gelung dan magnet.

Pemerhatian (b) dan (c): Apabila suatu magnet digerakkan menghampiri dan kemudian menjauhi suatu gelung wayar, terdapat gerakan jarum galvanometer. Apabila arah gerakan berubah, arah pesongan jarum berubah.

(a) (b) (c)

0

I I I I


109

Kesimpulan: (i) Tidak ada arus yang dikesan di gelung jika tidak ada gerakan relatif antara magnet, (ii) terwujud arus di dalam gegelung jika terdapat gerakan magnet, dan (iii) arah arus yang terhasil itu berubah mengikut arah gerakan magnet.

Rajah 5.3 pula menunjukkan eksperimen jenis kedua, iaitu arus diaruhkan dalam gelung kedua apabila suis dalam gelung X ditutup atau dibuka. Gelung X disambung kepada bateri dan gelung Y disambung kepada galvanometer.

Rajah 5.3: (a) menunjukkan dua gelung yang tidak disambung antara satu sama lain. Satu gelung, iaitu X disambung kepada bateri dan gelung yang satu lagi, Y disambung kepada galvanometer. (b) Karton bagi uji kaji (a)

Pada keadaan awal gegelung X yang disambung kepada bateri dengan suisnya dibuka (off), seperti ditunjukkan dalam Rajah 5.3(a).

Suiz ditutup, terdapat arus mengalir di gelung tersebut. Semasa suis ditutup terdapat pesongan jarum galvanometer dan jarum itu kemudian kembali ke tempat asal. Keadaan ini bermakna kita dapat mengesan arus aruhan di gelung Y semasa suiz dibuka. Tetapi apabila arus di gelung X mantap, tiada lagi arus aruhan di Y. Kemudian suis dibuka. Hal yang sama terjadi, ada pemesongan di galvanometer semasa sius dibuka (tetapi mengikut arah pemesongan berlawanan dengan semasa suis ditutup), kemudian jarum itu kembali ke asalan. Dalam kes ke-2 ini, arus aruhan hanya dikesan semasa suis dibuka dan ditutup. Pada keadaan arus di gelung X mantap, tiada arus aruhan dikesan. Mengapa?

Galvanometer suis

suis

Bateri Bateri X Y


110

Kesimpulan: Pemesongan jarum galvanometer menunjukkan adanya arus yang terhasil. Arus ini dinamakan sebagai arus aruhan, iaitu hasil daripada wujudnya d.g.e aruhan di dalam gelung.

Dalam pemerhatian mudah, kita menyatakan bahawa arus aruhan terhasil apabila ada gerakan relatif antara magnet dan gelung (Rajah 5.2) ATAU apabila suis dibuka dan ditutup (Rajah 5.3). Tetapi untuk lebih memahami fenomena ini kita perhatikan kesimpulan daripada kajian Faraday, beliau mendapati bahwa faktor yang menentukan aruhan elektromagnet ialah kadar perubahan bilangan garis medan magnet yang merentasi satah gelung, iaitu

D.g.e aruhan terhasil dalam gegelung apabila bilangan garis medan magnet yang merentasi satah gelung berubah.

Ini bermakna, arus aruhan itu terhasil disebabkan berlakunya perubahan garis medan magnet yang merentasi satah gelung itu. Untuk lebih faham lagi, dan bagi membolehkan kita kaitkan dengan dua uji kaji ringkas itu, kita terlebih dahulu perlu memahami maksud garis medan magnet yang merentasi satah gelung.

5.3.1 FLUKS MAGNET

Bagaimana kita dapat menggambarkan bilangan garis medan magnet yang merentasi satu satah gelung. Untuk itu, kita diperkenalkan dengan suatu kuantiti fizik dinamakan fluks

magnet, . Fluks magnet ialah ukuran bilangan garis medan magnet melalui suatu luas

kawasan.

Secara matematik, fluks magnet, diberikan oleh

= BAkos (5.1)

iaitu ialah sudut antara vektor B dan vektor A. Ini bermakna orientasi gelung memberi

kesan pada bilangan garis medan yang merentasi gegelung ( jika arah B adalah tetap)


111

Nota: B ialah medan magnet dan A ialah vektoran bagi luas. Arah A ialah normal kepada satah luas.

Unit S.I bagi fluks magnet ialah T.m2 atau weber(Wb). Untuk menjelaskan persamaan di atas pertimbangkan Rajah 5.4 dan Rajah 5.5 yang menunjukkan vektor bagi luas dan fluks magnet.

Rajah 5.4: Vektor bagi luas

Perhatikan bahawa vektor bagi luas, A adalah berserenjang dengan luas permukaan. Seterus, katakanlah gelung segi empat itu dikenakan medan magnet seperti yang ditunjukkan di dalam Rajah 5.5.

Rajah 5.5: Fluks magnet = BAkos

Gelung berbentuk segi empat

90o

Luas Permukaan

A= vektoran bagi luas

90o

Pandangan sisi

A

A

B


112

Seterusnya perhatikan beberapa orientasi satah gegelung dengan medan magnet yang dikenakan secara seragam, iaitu ke arah +x. Rujuk Rajah 5.6 berikut:

Rajah 5.6: Fluks magnet bagi orientasi gegelung yang berbeza dalam medan megnet seragam

Rajah 5.6 menunjukkan bahawa apabila kita mengubah orientasi gegelung, maka nilai fluks juga diubah. Adakah cara lain untuk mengubah fluks magnet? Pertimbangkan kembali hukum Faraday.

5.3.2 HUKUM ARUHAN FARADAY DAN HUKUM LENZ

Daripada eksperimen, Faraday merumuskan bahwa d.g.e aruhan dalam gegelung dengan bilangan putaran N bergantung kepada

(a) kadar perubahan bilangan garis medan yang melalui gegelung tersebut atau kadar

perubahan fluks magnet yang melalui gegelung tersebut, iaitu t

(b) bilangan gegelung N

Secara matematik ditulis sebagai

=t

N

(5.2)

B

A

B B

=BA (A dan B selari)

=BAkos (A dan B bersudut )

=0 (A dan B bersudut tegak)


113

iaitu ialah perubahan fluks magnet di gegelung untuk satu putaran. Bagi gegelung yang

mempunyai N putaran, jumlah perubahan fluks magnet ialah N. Ungkapan itu dinamakan hukum Faraday. Tandaan negatif di persamaan memberikan maklumat mengenai polariti atau arah d.g.e. Ianya diringkaskan oleh Hukum Lenz, iaitu

Arah arus aruhan adalah sedemikian rupa supaya kesannya menentang perubahan fluks yang menghasilkannya.

Hukum Lenz merupakan suatu pernyataan prinsip keabadian tenaga.

Kembali kepada persamaan d.g.e aruhan, (hukum faraday), persamaan itu boleh ditulis sebagai

=t

N

=

t)BAkos(N

(5.3)

Kembangkan persamaan di atas, menjadi:

+

+

=

tKosBA

tA)Bkos(

tB)Akos(N (5.4)

Dapat diperhatikan bahwa terdapat tiga kuantiti yang berubah terhadap masa, yang

menghasilkan d.g.e aruhan, , iaitu (1) keamatan medan magnet (2) luas gegelung A dan (3) sudut .

Ungkapan (1) mewakili kadar perubahan fluks magnet dengan A dan malar. Ungkapan (2) mewakili kadar perubahan luas permukaan gegelung dengan B dan

malar

Ungkapan (3) mewakili kadar perubahan sudut orientasi dengan B dan A malar.

(1) (2) (3)


114

Kesimpulannya, kita mempunyai tiga cara bagi mendapatkan arus aruhan, iaitu (1) ubah medan magnet, (2) ubah luas permukaan (3) ubah orientasi atau mana-mana kombinasi (1), (2) dan (3)

________________________________________________________________________

Latihan Penilaian Kendiri 5.1:

Mengikut pendapat anda, berdasarkan bersamaan (5.4), cara manakah yang paling mudah untuk menghasilkan d.g.e aruhan (arus aruhan)? Terangkan ___________________________________________________________________________

CONTOH 5.1: FLUKS MAGNET

Rajah di bawah menunjukkan suatu gelung segi empat, dengan vektor luas, A diorientasikan 42 darjah daripada medan magnet, B. Kirakan fluks magnet dalam unit S.I.

Penyelesaian

Diberikan = 42o. Maka fluks magnet:

= BAkos = (0.02T)(0.051m)(0.068m)kos(42o) = 4.8 105 Tm2

___________________________________________________________________________

A

B= 0.02T

5.1 cm

6.8 cm


115

___________________________________________________________________________

CONTOH 5.2: DAYA GERAK ELEKTRIK ARUHAN

Suatu gegelung wayar mengandungi 20 lilitan dengan luas 0.0015 m2. Medan magnet dikenakan secara bersudut tepat dengan permukaan gelung. Medan magnet awal ialah 0.050 T dan 0.10s kemudian, bertambah menjadi 0.060 T. Dapatkan purata dge aruhan yang terhasil di dalam gegelung.

Penyelesaian:

Untuk menyelesaian masalah ini kita gunakan persamaan = Nt

dan = BAkos. Kita

perlu selesaikan persamaan ini. Medan magnet dikenakan secara bersudut tepat dengan

permukaan gelung, maka = 0. Diberikan A= 0.0015 m2. Bo = 0.050 T , B = 0.060 T dan t

= 0.10s

dan = BAkos

Dengan ini,

___________________________________________________________________________

CONTOH 5.3: HUKUM LENZ

Suatu magnet ditolak ke dalam gelung seperti Rajah di bawah. N=kutub utara dan S= kutub selatan. Dapatkan arah arus aruhan yang terhasil dalam gelung tersebut.

Nt

=

( )( ) ( )

o

o

2

3

(BAkos( )Nt

BAkos B AkosNt

B BNAkost

0.060 T 0.050 T20 0.0015 m cos 00.10 s

3.0 10 V

=

=

=

=

=


116

Penyelesaian:

Untuk menyelesaikan masalah ini kita gunakan hukum lens: Arah arus aruhan adalah sedemikian rupa supaya kesannya menentang perubahan fluks yang menghasilkannya.

Apabila gelung ditolak ke dalam medan magnet, fluks magnet melalui gelung bertambah.

Untuk mengurangkan fluks magnet ini, medan magnet dihasilkan oleh arus aruhan mesti mengarah keluar daripada satah, maka arus aruhan melawan arah jam

Medan magnet terhadap permukaan gelung bertambah

Medan magnet oleh arus aruhan


117

5.4 GENERATOR ARUS ULANG ALIK

Generator merupakan satu alat yang menukar tenaga mekanikal kepada tenaga elektrik. Satu generator elektrik boleh menghasilkan sama ada arus terus (a.t) atau arus ulangalik (a.u). Arus elektrik di rumah dan industri menggunakan arus ulangalik. Binaan skematik suatu generator ditunjukkan di dalam Rajah 5.7.

Rajah 5.7 : (a) Suatu generator arus ulang alik (a.u) ringkas (b) D.g.e arus ulang alik (a.u)

Generator terdiri daripada suatu gegelung dawai yang berputar dalam medan magnet, menghasilkan arus teraruh dalam gegelung dan seterusnya menukarkan tenaga mekanikal kepada tenaga elektrik. Dua bahagian asas penting dalam sebuah generator elektrik adalah:

a) Bahagian medan magnet-pemegun (stator) b) Konduktor yang boleh digerak untuk membolehkan berlakunya fluks magnet-

pemutar(rotor) atau angker

D.g.e teraruh di dalam gelung wayar boleh digunakan untuk menghasilkan kuasa elektrik. Gelung wayar dipusingkan di dalam medan magnet oleh suatu faktur luaran. Pusingan gelung wayar menyebabkan fluks medan magnet berubah, seterusnya menghasilkan suatu arus

aruhan dalam gelung wayar. Apabila gelung dipusingkan dengan laju sudut seragam, , maka sudut, antara vektor luas, A dan medan magnet, B berubah dengan masa, iaitu = t.

Dengan itu fluks magnet diberikan oleh:

= BA kos = BA kos t

Satu putaran lengkap

Masa

voltan a.u

(a) (b)

berus karbon

cincin gelincir

Gelung

Stator

Rotor


118

Mengikut Hukum Faraday, d.g.e aruhan bagi gelung yang berputar diberikan sebagai

=t

N

=

t)BAkos(N

(5.5)

Nota: Perhatikan dalam generator elektrik, medan elektrik adalah seragam, luas gelung juga adalah seragam, dan kita hanya mengubah sudut . Gelung mempunyai N lilitan

=t

)tkos(NBA

(5.6)

Secara matematik, jawapan bagi pembezaan di atas diberikan sebagai:

= tsinNBA (5.7)

NBA ialah nilai d.g.e maksima, berlaku apabila sint = 1. Gantikan NBA=o, maka:

= tsino (5.8)

Nota: Perhatikan bahwa d.g.e maksima berlaku apabila t = 90o, 270o, iaitu apabila arah

vektor A dan B adalah berserenjang. Penghasilan output arus ulang alik ditunjukkan pada Rajah 5.8 di bawah.

Rajah 5.8: Arus ulangalik untuk suatu pusingan lengkap gegelung.

= medan magnet

Pandangan melalui hujung gelung generator


119

Arah arus berubah secara berkala disebut arus ulang alik. Oleh kerana =2pif, maka

persamaan di atas boleh ditulis sebagai

= ft2sino pi (5.9)

5.5 TRANSFORMER DAN PENGHANTARAN KUASA

Tenaga elektrik dihantar menggunakan kabel penghantaran melalui suatu jarak yang jauh. Keadaan ini akan menyebabkan kehilangan kuasa elektrik semasa proses penghantaran tenaga melalui kabel penghantaran. Kehilangan kuasa elektrik diberikan oleh persamaan (3.21):

P=I2R

iaitu I ialah arus elektrik melalui kabel dan R ialah rintangan kabel penghantaran. Rintangan kabel penghantaran adalah tetap kerana ia lazimnya bergantung kepada bahan yang kita gunakan. Hal ini bermakna bagi mengurangkan kuasa elektrik, nilai arus penghantaran mesti dikurangkan.

Masalahnya, kuasa output generator ditentukan oleh (P=IV), dan bagi voltan yang tetap (contohnya 120V), pengurangan nilai arus akan menyebabkan kuasa output juga berkurang. Dengan itu, kita memerlukan sesuatu mekanisma supaya walaupun kita kurangkan nilai I

semasa penghantaran tenaga elektrik, kita masih boleh kekalkan nilai kuasa output akhir diperingkat pengguna. Untuk itu kita gunakan suatu alat dinamakan transformer.

5.5.1 TRANSFORMER

Transformer merupakan suatu alat yang digunakan untuk menambahkan atau mengurangkan voltan arus ulangalik. Ia terdiri daripada satu teras besi yang dililit dengan dua gegelung dawai, iaitu gegelung primer dan gegelung sekunder.


120

Rajah 5.9 : Transformer

Gegelung primer disambung kepada arus ulangalik, supaya arus yang berubah-ubah mengalir di dalam gegelung primer tesebut dan menghasilkan fluks magnet yang berubah-ubah.

Fluks magnet yang berubah akan memotong gegelung sekunder melalui teras besi. Oleh itu fluks magnet yang terangkai dalam gegelung primer dan gegelung sekunder adalah sama. Perubahan fluks gegelung primer akan mengaruh d.g.e dalam gegelung sekunder dengan frekuensi yang sama.

D.g.e teraruh dalam gegelung sekunder diberikan oleh:

Vs=t

N s

(5.10)

iaitu Ns ialah bilangan lilitan gegelung sekunder. Di dalam tranformer ideal, rintangan

gegelung adalah kecil dan boleh diabaikan. Perubahan fluks magnet di dalam gegelung

sekunder menghasilkan pengaruhan d.g.e balik. Nilainya bersamaan dengan voltan yang

dibekalkan oleh sumber voltan.

Gegelung sekunder

VS (output)

Gegelung primer

NS lilitan

NP lilitan

VP (input)

Teras besi

a.u

a.u

Gegelung primer

Gegelung sekunder


121

Maka

Vp=t

N p

(5.11)

iaitu Np ialah bilangan lilitan gegelung primer. Mendapatkan nisbah Vs terhadap Vp,

menjadikan:

)t/(N)t/(N

VV

p

s

p

s

= atau p

s

p

s

NN

VV

=

Jika transformer dianggapkan cekap (100%), kuasa input adalah sama dengan kuasa output. Oleh kerana P=IV, maka

IpVp=IsVs (5.12)

Persamaan di atas hanya benar jika kecekapan 100%. Biasanya transformer yang baik mempunyai kecekapan melebihi 95%. Seterusnya

p

s

s

p

VV

II

= =

p

s

NN

Maka,

Vs= pp

s VNN

dan Is= p

s

p INN

(5.13)

Dengan ini, kita dapat melihat kesan penggunaan transformer terhadap arus dan voltan yang

dikehendaki. Jika bilangan lilitan gegelung sekunder lebih daripada bilangan lilitan gegelung

primer, iaitu Ns>Np, voltan meningkat (voltan sekunder besar daripada voltan primer).Transformer menaik atau transformer injak naik. Tetapi arus sekunder berkurangan dibandingkan dengan arus primer.

Keadaan sebaliknya bagi kes tranformer menurun atau transformer injak turun.


122

___________________________________________________________________________

CONTOH 3: TRANSFORMER

Satu transformer mempunyai 50 lilitan di gegelung primer dan 100 lilitan di gegelung sekunder. (a) Jika gegelung primer disambung kepada bekalan 120V, kirakan voltan gegelung sekunder (b) jika operasi transformer diterbalikkan, iaitu bekalan 120V disambung kepada gegelung 100 lilitan, kirakan voltan output.

Penyelesaian

(a) pp

ss VN

NV

= = (2)(120) = 240V

(b) pp

ss VN

NV

= = )120(

21

=60V

___________________________________________________________________________

5.5.2 PENGHANTARAN KUASA ELEKTRIK

Rajah 5.10 menunjukkan suatu sistem penghantaran kuasa elektrik ringkas.

Rajah 5.10: Sistem penghantaran kuasa elektrik {Gambar diambil daripada OPUC Kids Corner, http://www.opuc.texas.gov/kidscorner_electricity_basics.html (dicapai pada Jan 10, 2014).}

Loji janakuasa

Transformer menaik

Talian penghantaran voltan tinggi

Transformer menurun

(pencawang)

Transformer menurun

Pengguna

12 000 V 240 000 V 24 000 V 240 V


123

Transformer merupakan alat yang digunakan bagi mengurangkan kehilangan kuasa elektrik semasa proses penghantaran melalui kabel dengan jarak yang jauh. Dengan menggunakan transformer menaik, voltan ditinggikan dan arus dapat dikurangkan, bermakna kehilangan kuasa dapat dikurangkan (Philang=I2R). Sampai kepada pengguna, voltan direndahkan mengikut kesesuaian dengan transformer menurun. ___________________________________________________________________________

LATIHAN 5

1. Rajah di bawah menunjukkan satu gegelung dawai yang diletakkan bersebelahan dengan sebuah magnet. Penunjuk galvanometer terpesong apabila magnet ditolak masuk ke dalam gegelung.

Bagamanakah pesongan jarum galvanometer boleh ditambah?

2. Satu gelung dengan jejari 20 cm diletakkan di dalam medan magnet seragam dengan magnitud B = 0.15 T dalam pelbagai orientasi. Kirakan fluks magnet jika vektor luas, A gelung adalah: (i) selari dengan medan magnet B (ii) serenjang dengan medan magnet B dan (iii) berada pada sudut 40o dengan medan magnet B.

3. Satu gelung segi empat diletakkan di dalam medan magnet seragam 0.25 T dengan sudut 60o terhadap medan magnet tersebut. Kirakan luas gelung segiempat tersebut jika jumlah fluks magnet yang terhasil ialah 0.5 T.m2.


124

4. Nyatakan hukum Faraday.

5. Satu wayar panjang dan gelung konduktor segi empat berada di satah yang sama. Wayar lurus membawa arus malar, I seperti ditunjukkan dalam Rajah di bawah.

Katakanlah wayar berarus itu digerakkan ke arah gelung segiempat. Nyatakan arah arus aruhan yang terhasil di dalam gelung tersebut.

6. Satu 6 V bateri disambungkan di bahagian gegelung primer sebuah transformer seperti rajah di bawah. Berapakah bacaan voltan G merentasi gegelung B setelah suiz S ditutup. Terangkan jawapan anda

7. Transformer injak naik dibina supaya mempunyai voltan output 2200 Vrms apabila gelung primer disambung merentasi sumber 110 Vrms.

(i) Jika gelung primer mengandungi 80 lilitan, berapakah bilangan lilitan yang diperlukan di gegelung sekunder?

(ii) Jika arus dalam gegelung sekunder 1.50 A, apakah arus dalam gegelung primer, anggapan keadaan unggul?

(iii) Jika transformer mempunyai kecekapan 95%, apakah arus dalam gegelung primer apabila arus sekunder 1.20 A?

I

Arah gerakan wayar

8 finalunit 5 aruhan elektromagnet

Documents