asas kemagnetan siap

54
Kumpulan 1 Muhammad bin Yusoff Azman Bin Jamaat Syed Mohd Hafiz Bin Syed Hadzir

Upload: azman-jamaat

Post on 17-Oct-2015

744 views

Category:

Documents


13 download

TRANSCRIPT

Asas Kemagnetan

Asas KemagnetanKumpulan 1Muhammad bin YusoffAzman Bin JamaatSyed Mohd Hafiz Bin Syed Hadzir1.1 Magnet 1.2 Hukum Webber1.3 Hukum Tarikan Magnet1.4 Medan Magnet Di Sekitar Kawat Lurus Dan Melingkar1.5 Fluks Magnet1.6 Ketelapan Mutlak1.7 Ketelapan Relatif1.8 Histerisis KemagnetanSub TopikPerkataan magnet berasal daripada perkataan magnetik (loadstone/batu hitam) yang ditemui di Magnesia, Turki.Magnet telah ditemui oleh Hong-Ti (China) pada tahun 2637 s.m iaitu kira-kira 2000 tahun selepas orang Greek menemui sejenis batu yang berkuasa menarik besi.Batu ini dinamakan sebagai loadstone (batu beban) dan kemudiannya digunakan untuk menentukan arah utara dan selatan.

PengenalanPada tahun 1820 Oersted dari Denmark dapat membuktikan hubungan antara arus elektrik yang mengalir dalam dawai dan jarum magnet.Pada tahun 1831 Michael Faraday pula mencipta mesin dynamo yang dapat mengeluarkan tenaga elektrik hasil pemotongan pengalir terhadap medan magnet.Prinsip penemuan ini masih digunakan hingga kini pada penjana, pengulang-alik dan pengubah.

Magnet merupakan suatu bahan yang boleh menarik sesuatu bahan lain seperti besi dan logam.Bahan yang boleh ditarik oleh magnet dikategorikan sebagai bahan magnetic.Kemagnetan ialah satu sifat kebolehan / keupayaan sesuatu magnet menarik bahan magnetic.

1.1 MagnetMagnet terbahagi kepada dua jenis :

Magnet jati / tulen.dalam bentuk bijih besi.dikenali sebagai batu magnet.mempunyai kemagnetan dalam keadaan semulajadi.

Magnet buatanMagnet kekalterdiri daripada aloi keluli teras.aloi ialah bahan yang terhasil daripada percampuran bahan-bahan lain secara pengoksidaan. Contoh : alnico, mumatel, superaloi, permaloi.ia dimagnetkan secara electromagnet. Kemagnetannya kuat dan tahan lama.contoh : dinamo motor elektrik, pembesar suara, telefon, alat-alat pengukuran.Magnet sementara.ia mempunyai sifat magnet apabila dikenakan daya kemagnetan tetapi ia akan hilang apabila daya kemagnetan dialihkan.contoh : relay, loceng elektrik.

Magnet mempunyai dua kutub iaitu kutub utara dan kutub selatan.Magnet akan menerbitkan / menghasilkan urat daya magnet (fluks) dalam medan magnet.Medan magnet merupakan suatu ruang yang mengelilingi sesuatu magnet.Medan magnet terdiri daripada lingkaran garisan fluks magnet yang bersambung dari kutub utara ke kutub selatan.Fluks atau garisan fluks magnet ini mempunyai ciri-ciri atau sifat-sifat medan magnet.

Medan magnetOleh itu, boleh kita katakan medan magnet (yang terdiri daripada garisan fluks magnet):Membentuk satu gelung tertutup.Tidak menyilangi antara satu sama lain.Mempunyai arah tertentu (kutub utara ke selatan).Mempunyai ketegangan (tension) di sepanjang jarak garisan fluks di mana ia cuba memendekkan jarak garisan fluks sependek yang mungkin.

Rajah 1 : Garisan urat daya magnet (fluks) pada bar magnet

Rajah 2 : Penolakan dan penarikan urat daya magnet (fluks) pada dua bar magnetPengenalanKeelektromagnetan ialah penghasilan kemagnetan melalui tenaga elektrik.Kemagnetan ini dihasilkan melalui lilitan wayar pada teras besi (gegelung) yang dikenakan / dibekalkan dengan arus.KEELEKTROMAGNETAN

RMedan magnetEArah aliran arusRajah 3 : Penghasilan elektromagnetArus. Apabila arus yang mengalir tinggi maka kekuatan medan magnet akan bertambah.Panjang pengalir. Jika panjang pengalir bertambah, medan magnet yang dihasilkan akan menjadi lebih kuat. Diameter pengalir.Jenis bahan.Suhu.

Terdapat lima faktor yang mempengaruhi kekuatan sesuatu medan magnet iaitu:

Arah medan magnet boleh ditentukan melalui dua cara:Hukum Tangan KananHukum SkruSelain daripada cara-cara tersebut, arah medan magnet juga boleh ditentukan dengan menggunakan kompas.

Penentuan arah medan magnet

Hukum Tangan Kanan

Arah ibu jari merujuk kepada arah aliran arusArah empat jari yang lain merujuk kepada arah medan magnet.

Rajah 4 : Hukum Tangan KananTerdapat dua keadaan:Skru masuk ke dalamArah pergerakan skru masuk ke dalam menunjukkan arah arus.Pusingan ikut jam menunjukkan arah medan magnet.

Hukum Skru

Rajah 5 : Hukum Skru (skru masuk)Skru keluar

Arah keluar skru menunjukkan arah arusPusingan lawan jam menunjukkan arah medan magnet.

Rajah 6 : Hukum Skru (skru keluar)Terdapat dua kes :

Arus mengalir dalam arah yang sama.

Daya antara Dua Pengalir Selari

Rajah 7 : Arah medan magnet pada pengalir yang mempunyai arah arus yang samaGambarajah di atas menunjukkan dua pengalir P dan Q yang masing-masing membawa arus I1 dan I2 dalam arah yang sama.

Oleh kerana arah medan pada ruang antara kedua-dua pengalir adalah berlawanan, maka kekuatan medan magnet paduan pada kedudukan/ruang tersebut berkurangan.

Oleh yang demikian, kedua-dua pengalir berkecenderungan menarik antara satu sama lain.

Arus mengalir dalam arah berlawanan.

Rajah 8 : Arah medan magnet pada pengalir yang mempunyai arah arus yang berbezaGambarajah di atas menunjukkan dua pengalir P dan Q yang masing-masing membawa arus I1 dan I2 dalam arah yang berlawanan.

Oleh kerana arah medan pada ruang antara kedua-dua pengalir adalah sama, maka kekuatan medan magnet paduan pada kedudukan/ruang tersebut bertambah.

Oleh yang demikian, kedua-dua pengalir berkecenderungan menolak antara satu sama lain.

Kekuatan medan Magnet disekitar kawat lurus yang berarus elektrik, dipengaruhi oleh kekuatan arus elektrik dan jarak titik tinjauan terhadap kawat. Semakin besar arus semakin kuat medan magnetnya, semakin jauh jaraknya terhadap kawat semakin lemah medan magnetnya.

Medan Magnet di Sekitar Kawat Lurus

Berdasarkan rumus matematik oleh Biot-Savart maka kekuatan medan magnet disekitar kawat berarus elektrik dirumuskan dengan :

B= Medan magnet dalam tesla ( T ) o = ketelapan ruang bebas= I= kekuatan arus elektrik dalam ampere ( A ) a =jarak titik P dari kawat dalam meter(m)

Sebuah kawat lurus panjang dialirkan arus 5 miliampere berada pada ketelapan ruang bebas. Tentukan ketumpatan fluks magnet pada titik yang beradasejauh 10 cm di sebelah kanan kawat, apabila kawat vertikal ?

Diberi :I =5 miliampere = 5 . 10 3 Amperea =10 cm = 0,1 meterB = .?

penyelesaian: ?

Contoh soalan:

Penyelesaian

Kekuatan dan arah medan magnet pada kawat melingkar berarus elektrik dapat ditentukan dengan rumus : \Medan Magnet di Sekitar Kawat Melingkar

Keterangan:

BP = Induksi magnet di P pada kawat melingkar dalam tesla ( T) I = kekuatan arus pada kawat dalam ampere ( A ) a = jejari kawat yang melingkar dalam meter ( m ) r = jarak P ke lingkaran kawat dalam meter ( m ) = sudut antara kawat dan garis penghubung P ke titik pada lingkaran kawat dalam darjah () x = jarak titik P ke pusat lingkaran dalam mater ( m )

Di mana ;kekuatan medan magnet di pusat kawat melingkar dapat dikira dengan :

B = Medan magnet dalam tesla ( T ) o = ketelapan ruang bebas= 4 . 10 -7 Wb/amp. m I = kekuatan arus elektrik dalam ampere ( A ) a = jarak titik P dari kawat dalam meter (m) = jejari lingkaran yang dibuat

Sebuah kawat melingkar berada pada sebuah bidang mendatar dengan dialirkan arus elektrik

Apabila kawat melingkar tersebut dialirkan arus elektrik dengan arah tertentu maka pada pusat lingkaran akan muncul medan magnet dengan arah tertentu. Arah medan magnet ini ditentukan dengan kaedah tangan kanan.

Apabila tangan kanan kita menggenggam maka arah ibu jari menunjukkan arah medan magnet sedangkan keempat jari yang lain menunjukkan arah arus elektrik

Sebuah kawat melingkar dialiri arus elektrik sebanyak 4 A (lihat gambar). Jika jejari lingkaran 8 cm dan arak titik P terhadap kawat melingkar adalah 6 cm maka tentukan medan magnet pada : a. pusat kawat melingkar ( O ) b. dititik P

Diketahui : I = 4 A a = 8 cm = 8 . 10 2 m x = 6 cm = 6 . 10 2 m sin = a / r = 8 / 10 = 0,8

a. Bo = . ? b. BP = . ?

Contoh soalan

PenyelesaianFluks magnet ditakrifkan sebagai jumlah bilangan garisan-garisan daya dalam medan magnet.Simbol fluks : (phi)Unit fluks : Weber (Wb)Satu weber ditakrifkan sebagai jumlah fluks magnet yang memotong satu lilitan tunggal gegelung dan menjanakan daya gerak elektrik sebanyak satu volt dalam masa 1 saat.1 Weber= 1 volt x saatd.g.e= d / dtFluks magnet dalam satu litar magnet adalah setara dengan arus dalam satu litar elektrik.

Fluks magnet

Daya gerak magnet terhasil apabila arus mengalir melalui suatu gegelung dawai.Daya yang mengeluarkan beban magnet dinamakan sebagai daya gerak magnet (mmf).Daya gerak magnet berkecenderungan menggerakkan fluks melalui satu litar magnetik.Symbol : FmUnit : Ampiar Lilit ( Ampere Turns, AT )

Fm= NIDi mana :N= bilangan lilitanI= arus

Daya gerak magnet dalam satu litar magnet adalah setara dengan daya gerak elektrik dalam litar elektrik (d.g.e).

Daya gerak magnet, Fm ( magnetomotive force, mmf )

Kekuatan medan magnet ditakrifkan sebagai daya gerak magnet (Fm) yang meghasilkan fluks per unit panjang bagi litar magnet.Simbolnya ialah H.Unitnya ialah lilit-ampiar / meter (LA/m) (AT/m).

Ampere-turn / metre

Di mana :Fm = daya gerak magnetN = bilangan lilitanI= arusl= panjang purata lorong fluks - untuk lorong bulat, l = 2r ( r = radius )

Kekuatan Medan Magnet (Daya permagnetan)

Ampere-turn / metre35Ketumpatan fluks ialah ukuran bilangan garisan daya () per unit luas yang diambil bersudut tepat kepada arah fluks.Simbol : BUnit : Wb / m2 atau Tesla ( T )

Ketumpatan fluks ( Flux density)

Wb / m2 atau Tesla ( T )Ketelapan merupakan kebolehan suatu litar magnet untuk menghasilkan satu garisan daya magnet (fluks) di dalam suatu bahan yang terbentuk dengan suatu daya permagnetan.Simbol ketelapan: Unit: Henry / meter (H/m).

Di mana: = o r = ketelapan mutlakr = ketelapan bandingano = ketelapan ruang bebas o = 4 x 10-7 H/mUntuk hampagas, udara, r = 1 , maka = o

Ketelapan (permeability)

Reluktans ialah sifat penentangan satu litar magnet terhadap kewujudan fluks magnet.Reluktans dalam satu litar magnet adalah berpasangan dengan rintangan dalam satu litar elektrik.Simbol: SUnit: lilitan-ampiar / Weber ( AT/Wb).

Reluktans (Reluctance)

Satu kaedah yang menghasilkan d.g.e. dalam pengalir ialah dengan menggerakkan pengalir memotong medan magnet.Kesan daripada kaedah ini dinamakan aruhan elektromagnet dan kesan daripada aruhan elektromagnet ini akan menghasilkan arus yang teraruh.Terdapat dua hukum yang berkaitan dengan aruhan elektromagnet ini.Hukum Faraday.Hukum Lenz.

ARUHAN ELEKTROMAGNET

Faraday menyatakan apabila berlaku pergerakan relatif di antara medan magnet dan pengalir ia akan menghasilkan daya gerak elektrik (d.g.e / e.m.f).

Apabila d.g.e. terhasil, arus yang teraruh juga akan terhasil pada pengalir tersebut.

Hukum Faraday

Apabila bar magnet ditolak masuk ke dalam ditarik keluar dari gegelung (rujuk Rajah 9), jarum meter galvano akan bergerak. Ini menunjukkan bahawa arus telah dihasilkan pada gegelung kerana meter galvano digunakan untuk menyukat arus atau voltan rendah.

D.g.e ini boleh dihasilkan melalui dua kaedah :

Rajah 9 : Fluks memotong pengalirPengalir memotong fluks.

Apabila pengalir digerakkan melalui medan magnet (Rujuk Rajah 10), d.g.e. akan terhasil pada pengalir. Kewujudan d.g.e ini dapat ditunjukkan pada meter galvano. Ini merupakan prinsip asas bagi sebuah penjana.

Rajah 10 : Pengalir memotong fluksNilai d.g.e. yang terhasil boleh dikira melalui formula :

E = Blv volt Di mana :B= ketumpatan fluks, Tl= panjang pengalir, mv = halaju pergerakan pengalir, m/s

jika halaju pengalir dikira dalam bentuk sudut , makaE= Blv sin volts

Hukum Lenz menyatakan arah d.g.e. teraruh ialah di mana arus yang dihasilkan oleh d.g.e. ini mengeluarkan fluks yang menentang sebarang perubahan dalam fluks asal.

Hukum Lenz

Rajah 11 : Pergerakan masuk dan keluar bar magnet dari solenoidApabila magnet ditolak ke arah gegelung, d.g.e. teraruh akan menghasilkan arus yang mengalir pada arah lawan jam.Sebaliknya apabila magnet ditarik keluar dari gegelung, d.g.e. teraruh akan menghasilkan arus yang mengalir pada arah ikut jam.

Faktor-faktor yang mempengaruhi nilai d.g.e yang terhasil.

Nilai d.g.e yang terhasil dipengaruhi oleh faktor-faktor yang berikut :Kekuatan medan magnet.Kelajuan putaran pengalir yang memotong medan magnet.Sudut putaran pengalir yang memotong medan magnet.Panjang pengalir yang memotong medan magnet.

Kehilangan histresis

Apabila bahan ini didedahkan kepada d.g.m. (H), domain akan tersusun ke satu arah menyebabkan bahan menjadi satu magnet dan membina ketumpatan flusknya B.

Semakin tinggi nilai H, semakin banyak domain yang akan tersusun dan semakin tinggi ketumpatan fluks B. Keadaan ini berterusan sehingga semua domain telah tersusun. Selepas semua domain telah tersusun, penambahan nilai H tidak akan menghasilkan sebarang tambahan nilai B. Ini adalah peringkat tepu bagi bahan tersebut.

Apabila punca d.g.m. dikurangkan, domain akan kembali ke susunan yang tidak terarah menyebabkan kurangnya nilai B. Penurunan nilai H, menurunkan nilai B. Bagi kebanyakan bahan bermagnet yang telah melalui Keratan Rentas Teras proses permagnetan awal, B tidak turun ke sifar walaupun nilai H dikurangkan sehingga sifar. Nilai B ini dikatakan baki ketumpatan fluks. Untuk menurunkan nilai B sehingga sifar, H perlu di tambah ke arah yang berlawanan sehingga ke satu nilai tertentu. Nilai H ini dinamakan daya paksa. Menambah nilai H melewati nilai ini akan menambahkan B dalam arah yang berlawanan.

Jika nilai H ditambah dalam satu arah dan dikurangkan kemudian ditambahkan dalam arah yang berlawanan dan seterusnya dikurangkan bagi melengkapkan satu kitar, graf seperti dalam rajah berikut diperolehi:

Graf ini dinamakan gelung histeresis. Keluasan gelung ini adalah kehilangan histresis bagi bahan tertentu.

1. Suatu gelang keluli sederhana mempunyai purata diameter 160 mm dan luas keratan rentas 300 mm2. Hitung (a) d.g.m. untuk menghasilkan fluks 400 Wb, dan (b) nilai keengganan yang sepadan bagi gelang itu dan nilai ketelapan relatif. (476 AT; 1.19 x 106 A/Wb; 1120)

LATIHAN

2. (a) Suatu gelang keluli sederhana mempunyai purata lilitan 500 mm dan luas keratan rentas yang seragam bernilai 300 mm2. Hitung d.g.m. yang diperlukan untuk menghasilkan fluks 500 Wb.

(b) Suatu sela udara, panjangnya 1 mm, dibentuk dalam gelang itu. Tentukan fluks yang dihasilkan jika d.g.m. masih sama dengan di atas. Anggap ketelapan relatif bagi keluli sederhana bernilai tetap 1200. (553 AT; 147 Wb)

3.(a) Suatu gelang besi, mempunyai lilitan min 750 mm dan luas keratan rentas 500 mm2, dililitkan dengan satu gegelung memagnet 120 pusingan. Dengan menggunakan data berikut, hitung arus yang diperlukan untuk membina fluks magnet bernilai 630 Wb dalam gelang itu. Ketumpatan fluks [T] 0.9 1.1 1.2 1.3 Kekuatan medan [At/m] 260 450 600 820

3.(b) Sela udara dalam satu litar magnet adalah 1.1 mm panjang dan 2000 mm2 keratan rentas. Hitung: (i) keengganan sela udara itu dan (ii) d.g.m. yang membawa fluks 700 Wb merentasi sela udara itu. (4.5 A; 0.4375 x 106 A/Wb; 306 AT)