Sinopsis:
Pelbagai peralatan elektrik di rumah menggunakan kuasa elektrik dan motor. Topik ini memberi pendedahan dan kefahaman tentang daya dan arus dalam medan magnet serta bagaimana prinsip ini digunakan di dalam operasi motor elektrik serta monitor TV.
Hasil Pembelajaran:
1. Menerangkan daya ke atas arus di dalam medan magnet. 2. Menerangkan daya ke atas satu zarah bercas.
3. Menerangkan bagaimana operasi motor elektrik dan pertukaran tenaga yang berlaku di dalamnya.
4. Menyenaraikan peralatan elektrik di rumah yang menggunakan elektrik. 5. Menyenaraikan peralatan elektrik di rumah yang menggunakan motor. 6. Menerangkan bagaimana monitor TV berfungsi.
Gambaran Keseluruhan
Isi Kandungan
13.1 Penghasilan daya (F) akibat saling tindakan antara konduktor yang membawa arus (I) dengan medan magnet (B)
Rajah 13.1
Satu dawai yang membawa arus (konduktor) yang diletakkan di antara dua magnet kekal akan bertindak dengan medan magnet untuk menghasilkan daya yang menyebabkan konduktor itu bergerak. Fenomena ini adalah disebabkan :
(i) Magnet ada medan magnet
(ii) Konduktor pembawa arus mempunyai medan magnet.
(iii) Interaksi antara medan magnet dengan medan magnet konduktor berarus menyebabkan dawai mengalami daya mekanikal lalu bergerak. Arah gerakan daya ditentukan menggunakan Hukum Tangan Kiri Fleming.
Penentuan arah daya
Rajah 13.2 Hukum Tangan Kiri Fleming Magnitud daya adalah,
F = B I l Sinθ
di mana
B = ketumpatan fluks magnet,
I = arus yang mengalir melalui konduktor l = panjang konduktor di dalam medan
θ = sudut antara medan magnet dan konduktor
Bila satu konduktor lurus diletakkan berserenjang (perpendicular) dengan medan yang seragam (uniform field)
θ=90°, F = BIl Arah Daya, F Medan Jari Telunjuk Daya Ibu Jari Arus Jari Hantu
Contoh Pengiraan
Suatu arus 8.5 A yang mengalir melalui medan magnet didapati mengenakan daya 275 N. Panjang daya dalam medan magnet adalah 5 cm. Apakah nilai medan magnet itu?
F = BIl. B
Jawapan: 0.647 T
Hubungan ini adalah benar selagi arus adalah pada sudut 90° kepada medan magnet. Jika dawai adalah pada sudut lain kepada medan magnet, rumus perlu mengambil kira
F = BIl sin θ
13.2 Motor elektrik
Kegunaan penghasilan daya akibat saling tindakan antara konduktor yang membawa arus dengan medan magnet.
Rajah 13.3 Motor elektrik
Kegunaan motor elektrik ialah menukarkan tenaga elektrik kepada tenaga mekanikal. Alat-alat elektrik yang menggunakan motor elektrik ialah mesin basuh, mesin pengisar, kipas dan lain-lain lagi.
Prinsip kerja motor elektrik (arus terus)
Rajah 13.4 Prinsip kerja motor elektrik
Motor elektrik terdiri daripada satu angker yang terdiri daripada satu angker yang boleh berputar diantara dua kutub magnet yang berlainan. Kedua-dua hujung dawai gegelung disambung kepada komutator yang disentuh dengan berus karbon.
Apabila arus dialirkan melalui gegelung, saling tindakan antara medan magnet dari angker membawa arus dengan medan magnet kekal akan berlaku. Medan lastik dihasilkan di dua belah sisi dawai gegelung. Medan lastik ini menghasilkan satu daya putaran untuk memutarkan gegelung itu.
Arah daya yang bertindak ke atas angker boleh ditentukan dengan menggunakan peraturan tangan kiri Fleming. Corak medan lastik dapat dilukiskan.
Fungsi komutator berbelah dua yang dipasang pada angker adalah untuk melicinkan pertukaran arah arus dalam gegelung setiap separuh putaran supaya gegelung motor itu dapat berputar secara terus.
Lazimnya arus yang lebih besar diperlukan untuk memulakan pergerakan motor elektrik. Apabila motor sudah berputar dengan laju seragam, arus yang lebih kecil diperlukan. Ini kerana di dalam keadaan pegun, inersia gegelung motor adalah besar dan daya yang lebih besar diperlukan untuk memulakan putarannya.
Semasa gegelung motor berputar dengan laju seragam dalam medan magnet, arus teraruh dihasilkan dan mengalir dalam arah bertentangan dengan arah arus yang berpunca dari bekalan kuasa. Oleh itu, arus yang lebih kecil diperlukan untuk motor berputar dengan laju seragam.
13.3 Daya atas satu zarah bercas
Jika zarah bercas dianggap sebagai cas titik, medan elektrik ditakrif sebagai daya yang di alami seunit cas:
E = F/q di mana
F : daya elektrik yang dialami zarah q : cas
E : medan elektrik di mana zarah itu berada
Ruang sekeliling cas elektrik mempunyai sifat yang dipanggil medan elektrik dan medan elektrik ini mengenakan satu daya ke atas objek lain yang bercas elektrik. Daya ini menyebabkan objek menolak atau menarik bergantung kepada cas yang ada pada objek.
13.5 Medan elektrik disekitar sas titik
Daya antara zarah-zarah bercas diterangkan menggunakan Hukum Coulomb.
Satu cas pegun dalam medan magnet tidak akan mengalami mana-mana daya. Cas akan mengalami daya jika ia bergerak dalam medan magnet. Daya ini dikenali sebagai
daya magnet satu cas yang bergerak.
Magnitud daya magnet bergantung kepada: (a) magnitud cas, q
(b) halaju cas, v
(c) arah pergerakan cas dalam medan magnet (d) kekuatan medan magnet, B
Daya pada cas yang bergerak, F = qv B
F adalah maksimum bila halaju cas adalah berserenjang (perpendicular) kepada arah
medan magnet. Jika cas, q bergerak dalam arah yang yang berserenjang dengan medan kepada B v sin θ. Maka
F = qv B sinθ
Cas titik yang bergerak berserenjang dengan medan magnet selari, B.
Rajah 13.6
Daya ke atas cas adalah berserenjang kepada kedua-dua arah gerakan cas dan arah medan magnet.
Daya yang dialami oleh cas positif mempunyai magnitud
F = Bqv
Contoh pengiraan
Satu elektron di pecutkan ke 6.0 x 106 m/s2 dipesongkan oleh medan magnet yang kekuatannya 0.82 T. Apakah daya yang bertindak ke atas elektron? Adakah daya ini berbeza bagi proton?
Jawapan: 7.9 10-13 N
13.4 Skrin TV
Bagaimanakah monitor TV berfungsi?
Gambar terhasil dengan menembak satu bim elektron (zarah bercas) daripada senapang elektron (electron guns) di belakang ke skrin di hadapan. Elektron dengan tenaga yang banyak, memindahkan tenaga itu ke skrin. Tenaga dipindahkan ke titik-titik fosfor di belakang skrin.
Rajah 13.7
Fosfor adalah bahan yang mengeluarkan tenaga dalam bentuk cahaya, jadi ia bercahaya. Satu topeng logam (metal mask) di belakang skrin mengandungi lubang-lubang dalam kumpulan 3 tiik fosfor. Senapang elektron untuk warna berlainan adalah pada tempat-tempat berlainan, ia menghentam lubang daripada arah-arah yang agak berlainan.
Rajah 13.8
Walaupun ketiga-tiganya difokuskan pada lubang yang sama dalam topeng logam, ia akhirnya menghentam tempat-tempat berlainan pada skrin, maka menghasilkan cahaya pada titik-titik fosfor yang berlainan warna.
Untuk menuju ke bim, gegelung stering kuprum digunakan untuk menghasilkan medan magnet dalam tiub. Medan menggerakkan bim elektron secara mencancang dan mengufuk. Dengan mengenakan voltan berlainan pada gegelung stering, bim boleh di laraskan pada mana-mana titik di atas skrin. Magnet kekal memesongkan elektron yang lebih ringan supaya ia menghentam skrin.
13.5 Contoh soalan dan latihan
1. Senaraikan alatan-alatan di dalam rumah yang menggunankan tenaga elektrik. 2. Terangkan perubahan tenaga dalam satu motor elektrik?
3. Terangkan bagaimana komutator dan berus beroperasi dalam motor elektrik.
1. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnetic/forwir2.html 2. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnetic/motdc.html
3. http://www.s-cool.co.uk/a-level/physics/forces-in-magnetic-fields/revise-it/forces-on-charged-particles