SCE3105@IPTKL

Kuliah 14

Penjanaan dan penghantaran elektrik

- Penjana dan transformer

SCE3105@IPTKL

Dmembincangkan topik-topik berikut:-

Hukum Faraday Daya elektromotif (daya gerak elektrik) Menjana elektrik Hukum Lenz Aruhan kendiri Transformer

SCE3105@IPTKL

• Arus elektrik boleh menghasilkan medan magnet, dan medan magnet itu boleh menghasilkan daya ke atas cas yg bergerak.

• Medan magnet boleh menghasilkan arus elektrik.

• Daripada eksperimen diperhatikan bahawa perubahan medan magnet mengaruhkan emf (dge) di dalam konduktor.

SCE3105@IPTKL

Hukum Faraday

Bd

dt

E

Hukum Faraday: magnitud emf teraruh adalah berkadar langsung dengan kadar perubahan fluks magnet.

E dipanggil EMF teraruh. (Induced EMF)

SCE3105@IPTKL

Arus elektrik dijana jika ada litar tertutup (e.g., gegelung dawai) di dalam medan magnet yang berubah-ubah.

Daripada eksperimen diperhatikan bahawa perubahan medan magnet yang menjanakan EMF di dalam konduktor.

Medan magnet yang tetap tidak menjana EMF – hanya bila ada medan magnet yang berubah-ubah.

Memasukkan gegelung dawai melalui magnet akan menjana EMF di dalam gegelung. Tentukur meter

dahulu.

SCE3105@IPTKL

Perhatian: Note that “change” may or may not not require observable (to you) motion.

Magnet boleh juga digerak-gerak melalui gegelung dawai, atau gegelung dawai digerak-gerakkan melalui magnet (as suggested in the previous slide). Ini melibatkan gerakan yang diperhatikan ..

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/farlaw2.html#c1

SCE3105@IPTKL

Arus yang berubah-ubah di dalam gegelung menghasilkan medan magnet yang berubah-ubah (diramalkan oleh hukum Ampere) yang mana boleh menjana arus di dalam gegelung dawai yang berhampiran.

Dalam kes ini, tiada pergerakan yg dapat diperhatikan(mata anda) walaupun secara mikroskopik elektron bergerak. As your text puts it: “EMF yang dijana dihasilkan

oleh medan magnet yang berubah-ubah”

SCE3105@IPTKL

Untuk mengira EMF yang dijana, kita takrif magnetik fluks. Dalam bab sebelum ini, kita telah menyentuh secara ringkas fluks elektrik. Ini adalah magnetik analog. Sebab, kita tidak boleh nampak medan magnet , kita lukis garis medan magnet untuk membantu kita membayangkan medan magnet.

Hukum Faraday

Ingat: Garis medan magnet bermula di kutub Utara dan berakhir di kutub Selatan.

SCE3105@IPTKL

Medan magnet yang kuat diwakili oleh garis medan magnet yang banyak dan rapat ant 1 = lain. Medan magnet yang lemah diwakili oleh garis medan magnet yang sedikit dan jauh ant 1=lain.

We could, if we wished, actually “calibrate” by specifying the number of magnetic field lines passing through some surface that corresponded to a given magnetic field strength.

Kawasan medan kuat

Kawasan medan lemah

SCE3105@IPTKL

Contoh 2 Dapur Induksi

Arus ulang alik di dalam gegelung atas dapur menghasilkan medan magnet yang berubah ubah di bawah periuk. Medan magnet yang berubah ubah menghasilkan arus di bawah periuk.

Sebab periuk mempunyai rintangan, arus memanaskan periuk. Jika gegelung dapur mempunyai rintangan yang rendah, ia tidak akan panas tetapi periuk panas. Penebat tidak akan panas di atas dapur induksi. Remember the controversy about cancer from power lines a few years back? Careful studies showed no harmful effect. Nevertheless, some believe induction stoves are hazardous.

SCE3105@IPTKL

Daya elektromotif • Bila kita mengkaji litar elektrik, kita belajar

bahawa pam cas diperlukan untuk menghasilkan aliran arus berterusan.

• Keupayaan meningkat, atau voltan yang diberi kepada cas melalui pam dipanggil daya elektromotif, emf

• EMF, bagaimanapun, ia nbukan daya; ia adalah peningkatan dan diukur dengan unit volt.

SCE3105@IPTKL

• Bila dawai digerakkan melalui medan magnet, daya bertindak ke atas cas2 dan cas2 bergerak dalam arah daya.

• Tenaga keupayaan meningkat. • Keupayaan yang meningkat itu dinamakan emf yang

dijana. • Emf, bergantung ke atas kekuatan medan magnet, B,

panjang dawai di dalam medan magnet, L, dan halaju dawai dalam medan, v .

• Jika B, v, dan arah panjang dawai berserenjang ant 1=lain,

EMF = BLv

SCE3105@IPTKL

Hukum Lenz

Medan magnet berubah-ubah

EMF dalam gelung dawai

Arus dalam gelung dawai.

Medan magnet daripada arus.

Bertentangan dengan the perubahan medan magnet.

SCE3105@IPTKL

Hukum Lenz menyatakan:

• Arus aruhan yang terhasil sentiasa mengalir pada arah yang menentang perubahan fluks magnet yang menghasilkannya (atau emf yang teraruh itu sentiasa bertindak pada arah yang menentang perubahan fluks magnet yang menghasilkannya).

Bila suis ditutup, kapasitor di dalam lita menyahcaskan melalui solenoid. Oleh kerana arus berubah-ubah dengan masa, medan magnet dalam solenoid dan fluks magnet di dalam solenoid akan berubah-ubah dengan masa. Fluks yang berubah-ubah ini juga akan melalui tin di dalam solenoid, mengaruhkan arus di dalamnya dalam arah bertentangan dengan arah arus yang melalui solenoid. (Lenz's Law). Dua arus yang tidak selari menolak antara satu sama lain. Oleh kerana solenoid berbentuk tetap, tin itu akan kemik.

SCE3105@IPTKL

Bila garis2 medan magnet (yang digambarkan dalam warna merah) mendekati gelang konduktor, emf terhasil dan arud dijana di dalam gelang. Arus (yang digambarkan didalam gelang konduktor sebagai elektron kuning) mengaruh medan magnet (garis biru sebagai daya) di dalam gelang. Nota: arah medan magnet yang diaruh dalam gelang adalah bertentangan dengan arah medan magnet yang dijana di dalam bar.

Click picture

SCE3105@IPTKLClick picture

Demonstrasi daya Lorentz, exerted on a current-carrying conductor swing in the magnetic field of a horseshoe magnet.The applet will indicate the conventional direction of current (red arrows), the magnetic field lines (blue) and the Lorentz force (black arrow).

SCE3105@IPTKL

Menjana elektrik

Countertorque in a Generator

Pertimbangkan gelung berputar di dalam medan magnet tetap. Dengan beban disambung ke terminal output arus aruhan mengalir. Hukum Lenz memberi arah I. Jika fluks meningkat spt yg ditunjukkan di 9b), arus aruhan akan spt yg ditunjukkan jadi fluks medan magnet aruhan menentang peningkatan fluks.

Arus aruhan ini berinteraksi dengan B. Satu daya F wujud di sebelah kiri gegelung dan daya yang sama dalam arah bertentangan wujud di sebelah kanan. Arus arus tork adalah, ikut jam yang mana bertentangan dengan tork yang memutar shaf. Arus aruhan tork ini dipanggil countertorque yang mana berkadaran dengan beban arus. Untuk laju putaran yang tetap tork input mesti seimbang dengan countertorque dan hilang sebagai geseran.

Binduced

F

SCE3105@IPTKL

Generator• This Java applet simulates a generator which is reduced to the most important parts for clarity. Instead of an

armature with many windings and iron nucleus there is only a single rectangular conductor loop; the axis the loop rotates on is omitted.

• The radio buttons in the top right corner allow you to choose an AC generator (without commutator), or a DC generator (with commutator). You can change the direction of rotation by using the corresponding button. The sliding control makes it possible to vary the rotational speed. You can stop and continue the simulation with the button "Pause / Resume". This, however, does not mean a real stop of the movement, for in this case the induced voltage would be reduced to zero.

• Two black arrows mark the momentary direction of movement. You can recognize the magnetic field lines (directed from the red painted north pole to the green painted south pole) by the blue color. The red arrows represent the direction of the induced current (conventional direction of current).

Click picture

http://www.sciencejoywagon.com/physicszone/otherpub/wfendt/generatorengl.htm

Arus ulang alik generator, atau AC generator, menghasilkan arus ulangalik, bermakna voltan yang dihasilkan berulang alik daripada kutub positif ke negatif menghasilkan perubahan aliran arah arus.

Click picture

http://sun.ylojarvi.fi/java/pos/animaatio.htmhttp://www.hk-phy.org/energy/power/elect_phy/flash/ac_generator2.swf

SCE3105@IPTKL

Peraturan Fleming

SCE3105@IPTKL

• Generator DC ringkas mengandungi armatur (atau rotor), komutator, berus karbon dan gegelung berputar.

• Dalam generator arus terus, kerja komutator mengubah arus ulang alik (AC), yang mengalir kedalam rotor ke arus terus.

• Komutator menetapkan aliran arus dalam satu arah. Mereka melaksanakan tugas ini dengan menetap kekutuban berus yang terletak diluar positif generator.

• Komutator dibuat daripada sepasang segmen kuprum untuk setiap gelung armatur yang ditebat.

• Pelbagai sumber boleh membekalkan tenaga mekanikal ke generator DC untuk memutarkan armatur ini dalam usaha untuk gegelung ini memotong garis2 daya di dalam medan magnet.

• Sumber2 ini termasuk stim, angin, air terjun atau motor elektrik.

Click picture

SCE3105@IPTKL

EMF berbalik di dalam motor elektrik

Generator dan motor adalah sama binaannya. Dalam generator, sumber luar tenaga mekanikal memutar gelung dimana emf teraruh. Dalam motor, sumber luar emf (voltan) menghasilkan arus I dalam gelung. Interaksi I dan B memutar gelung dalam motor.

Bila motor berputar, ia mula bertindak seperti generator. Terdapat gelung berputar di dalam medan magnet dan bertindak seperti generator. Aruhan emf adalah bertentang dengan sumber luar emf. Emf bersih mengecil dan mengehadkan arus di dalam motor.

R

VI

E

• This Java applet shows a direct current electrical motor which is reduced to the most important parts for clarity. Instead of an armature with many windings and iron nucleus there is only a single rectangular conductor loop; the axis the loop rotates on is omitted.

• The red arrows indicate the conventional direction of current (from plus to minus). You can recognize the magnetic field lines (directed from the red painted north pole to the green painted south pole) by the blue color. The black arrows represent the Lorentz force which is exerted on a current-carrying conductor in the magnetic field.

• The mentioned Lorentz force is orthogonal to the direction of current and to the magnetic field lines. The orientation of this force results from the well-known three finger rule (for the right hand!):

• Thumb:Conventional direction of currentForefinger:Magnetic fieldMiddle finger:Lorentz force

Click picture

http://www.sciencejoywagon.com/physicszone/otherpub/wfendt/generatorengl.htm

SCE3105@IPTKL

SCE3105@IPTKL

Aruhan kendiri

• Faraday menunjukkan, EMF diaruh bila terdapat garis2 pemotongan medan magnet.

• Bila arus dan medan magnet meningkat, garis2 baru dicipta.

• Bila garis2 ini mengembang, pemotongan melalui gelung dawai, menjana EMF untuk menentang perubahan arus. As the lines expand, the cut through the coil wires, generating an EMF to oppose the current changes.

• Aruhan EMG dalam dawai yang membawa arus berubah-ubah ini dinamakan aruhan kendiri.

• Saiz aruhan kendiri ini berkadaran dengan kadar garis pemotongan medan melalui dawai.

SCE3105@IPTKL

Transformer

• Transformer digunakan untuk meningkatkan atau menurunkan voltan AC dan arus di dalam litar.

• Opreasi transformer berdasarkan kepada prinsip saling aruhan (mutual inductance).

– Bila gelung primer disambung ke sumber voltan AC, arus yang berubah-ubah akan menghasilkan medan magnet yang berubah-ubah.

– Medan magnet yang berubah-ubah ini dibawa melalui teras ke gelung sekunder. – Dalam gelung sekunder, medan aruhan yang berubah-ubah mengaruhkan emf

yang berubah-ubah. – Kesan ini dikenali sebagai saling aruhan (mutual inductance).

• Transformer biasanya mengandungi 2 gegelung dawai pada teras yang sama.

• Gelung primer merupakan gelung input transformer dan gelung sekunder merupakan gelung output.

• Saling aruhan menyebabkan voltan diaruh di dalam gelung sekunder.

SCE3105@IPTKL

Jika voltan output transformer lebih besar daripada voltan input, ia dipanggil tranformer injak naik.

Jika voltan output transformer adalah kurang daripada voltan input, ia dipanggil tranformer injak turun.

Click picture

SCE3105@IPTKL

SCE3105@IPTKL

• Aruhan EMF dalam gelung sekunder, dipanggil voltan sekunder yang berkadaran dengan vopltan primer.

primaryonturnsofnumber

ondaryonturnsofnumber

voltageprimary

voltageondary

____

sec____

_

_sec

p

s

p

s

N

N

V

V

pp

ss VN

NV

SCE3105@IPTKL

• Dalam transformer unggul, kuasa elektrik yang dihantar ke litar sekunder adalah bersamaan dengan kuasa yang dibekalkan ke litar primer.

sspp IVIV

SCE3105@IPTKL

SCE3105@IPTKL

Elektrik yang dihasilkan di loji penjanaan penghantaran elektrik dibawa melalui talian penghantaran voltan tinggi ke syarikat penghantaran tempatan yang mengagihkan kuasa. Stesen2 kecil dan transformer mengecilkan voltan bersesuaian dengan penggunaan di rumah atau industri.

Arus elektrik dihantar keluar daripada loji kuasa pada voltan tinggi.(lebih kurang 25,000 volts )

Bila elektrik bergerak pada jarak yang jauh, adalah lebih baik pada voltan tinggi. Elektrik boleh dihantar lebih efisien pada voltan tinggi.

Kabel talian penghantaran yang tebal dan panjang dibuat daripada kuprum atau aluminium sebab mereka mempunyai rintangan yang rendah.

Substation transformer

SCE3105@IPTKL

SCE3105@IPTKL

SCE3105@IPTKL

Question

• Saya tak faham transformer injak naik. Mengapa voltan digandakan bila kita menggandakan bilangan lilitan sekunder?

• Mengapakah mustahil untuk kita mempunyai transformer arus terus; sedangkan hukum aruhan mengatakan bila arus melalui konduktor, ia membekalkan medan magnet, adakah ia sama dengan arus ulang alik?

SCE3105@IPTKL

answer• A transformer only works with ac current because it relies on changes in a

magnetic field. It is the changing magnetic field around the transformer's primary coil of wire that produces the electric field that actually propels current through the transformer's secondary coil of wire.

• When dc current passes through the primary coil of wire, the coil does have a magnetic field around it, but it doesn't have an electric field around it. The electric field is what pushes electric charges through the secondary coil to transfer power from the primary coil to the secondary coil. In contrast, when ac current passes through that primary coil of wire, the magnetic field around the coil flips back and forth in direction and this changing magnetic field gives rise to an electric field around the coil. It is this electric field that pushes on electrically charged particles--typically electrons--in the secondary coil of wire. These electrons pick up speed and energy as they move around the secondary coil's turns. The more turns these charged particles go through, the more energy they pick up. That's why doubling the turns in a transformer's secondary coil doubles the voltage of the current leaving the secondary coil.

SCE3105@IPTKL

Question

• Bagaimanakah elektrik boleh sampai ke rumah anda?

SCE3105@IPTKL

Answer• The electricity you receive comes from a distant power plant. A generator in that power plant produces

a substantial electric current of medium high voltage electric charge. This current is alternating, meaning that its direction of flow reverses many times a second--120 reversals per second or 60 full cycles of reversal (over and back) in the United States. This alternating electric current flows through the primary coil of wire in a huge transformer at the power plant, where it produces an intense alternating magnetic field. When a magnetic field changes with time, it produces an electric field and, in the transformer, this electric field pushes electric charges around a second coil of wire in the transformer, the secondary coil. The effect of this transformer is to transfer power from the current in the primary coil of the transformer to the current in the secondary coil of the transformer. Thus the generator's electric power moves along to the current passing through the secondary coil of the transformer. However, the secondary coil has far more turns of wire than the primary coil and this gives each charge passing through that coil far more energy than the charges had in the primary coil. Although the current passing through that secondary coil is relatively small, it acquires an enormous voltage by the time it leaves the secondary coil. The transformer has produced this high voltage power needed for efficient power transmission to a distant city.

• This high voltage electric current passes through the countryside on high voltage transmission wires. The value of using a small current of high voltage charges is that wires waste power in proportion to the square of the electric current they are carrying. Since the current in the transmission wires is small, they waste relatively little power.

• When this current reaches your town, it passes through a second transformer, which transfers its power to yet another electric current. This current is large and, because it passes through a coil that has few turns of wire, it acquires only a medium high voltage when it flows through the secondary coil of the new transformer. Electricity from this second transformer flows toward your neighborhood through medium high voltage wires. Finally, near your home there is a third and final transformer that extracts power from the medium high voltage current and transfers that power to a very large current that acquires a low voltage when it flows through the secondary coil of the final transformer. It is this very large current of low voltage charges that flows through appliances in your home and those of your neighbors. That final transformer is often visible as a large gray drum on a utility pole or a green box in someone's yard.

SCE3105@IPTKL

Question

• Berapa jauhkah elektrik boleh dipindahkan melalui wayar daripada stesen janakuasa sebelum faktor kehilangan menjadi lebih besar?

SCE3105@IPTKL

Answer• That depends on the electricity's voltage. The transmission lines carrying the

electricity are important parts of the overall electric circuit. They waste electric power as they carry current and the amount of power they waste is proportional to the square of the current they carry. The purpose of high voltage transmission lines is to send as small a current as possible across the countryside so that the wires waste as little power as possible. This reduction in current is possible if each electric charge moving in that current carries a large amount of energy--the current must be one that consists of high voltage charges. In short, higher voltage transmission lines employ smaller currents and waste less power than lower voltage transmission lines.

• When Thomas Edison set out to electrify New York City, he used direct current of the highest practical household voltage. Nonetheless, his relatively low voltage power transmission lines wasted so much power that he had to scatter generating plants throughout the city so that no home was far from a power plant. But when George Westinghouse and Nicola Tesla realized that using alternating current and transformers to temporarily convert the household power to high voltages and small currents, they were able to send power long distances without wasting electricity. That realization eventually destroyed Edison's direct current electric system and gave us the modern alternating current system. It's now common to send electric power several hundred miles through high voltage transmission lines. At those distances, perhaps half the power is lost en route. I doubt that transmission of power more than 1,000 miles is practical.

howthingswork.virginia.edu

SCE3105@IPTKL

Perbincangan kelas:

a) Apakah yang menyebabkan arus elektrik diaruh?

b) Bagaimana generator berbeza daripada motor?

c) Apakah sumber-sumber utama tenaga yang menjanakan elektrik di Malaysia?

d) Terangkan bagaimana elektrik dihantar daripada stesen janakuasa ke rumah anda?