Upload
lily-herma
View
233
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
Unit 4 SRF3023 Keelektrikan, Kemagnetan dan Gelombang Medan Magnet
1
Unit 4
Medan dan Daya Magnet
HASIL PEMBELAJARAN
Di akhir unit ini, anda diharap dapat:
(a) menyatakan hukum daya antara dua kutub (b)
menerangkan bagaimana arah medan magnet
ditentukan menggunakan kompas.
(c) Mendefinasikan keamatan medan magnet dalam
sebutan daya dikenakan pada zarah bercas yang
bergerak.
(d) Menentukan dan mengira daya magnet dikenakan
pada zarah bercas.
(e) Memahami punca medan magnet dan mengira
keamatannya bagi beberapa bentuk terlazim
(f) menentukan arah medan magnet dihasilkan oleh
wayar yang membawa arus.
(g)menerangkan bagaimana bahan ferromagnet
meninggikan medan magnet luaran
(h)menerangkan bagaimana magnet kekal dihasilkan
(i)menerangkan bagaimana kemagnetan
dimusnahkan.
Unit 4 SRF3023 Keelektrikan, Kemagnetan dan Gelombang Medan Magnet
2
Magnet, Kutub dan Arah Medan Magnet
Ada dua kutub magnet; kutub utara dan kutub
selatan. Kutub yang sama menolak, manakala
kutub berlainan menarik.
Kutub magnet adalah diperhatikan secara
berpasangan, iaitu mesti mempunyai kutub
utara dan kutub selatan. Kutub berlawanan
dinamakan dwikutub magnet (‘magnetic
dipole’).
Nota: Tidak ada kutub tunggal (magnetic
monopole). Walaupun ianya dipostulatkan untuk
wujud, tapi secara eksperimen masih tidak dapat
ditemui. Ianya berpunca dari punca penghasilan
kemagnetan, iaitu dari cas elektrik yang
bergerak- samada arus atau pengorbitan elektron.
Medan elektrik, pula berpunca dari cas pegun.
Unit 4 SRF3023 Keelektrikan, Kemagnetan dan Gelombang Medan Magnet
3
Arah Medan Magnet
Medan magnet adalah merupakan suatu kuantiti
vektor diwakili oleh B. Arah bagi suatu magnet
bar ditunjukkan pada rajah di bawah
Arah medan magnet, B, pada mana-mana
lokasi, adalah pada arah kutub utara pada
kompas.
Arah medan magnet di luar magnet bar adalah
dari kutub utara ke kutub selatan
Unit 4 SRF3023 Keelektrikan, Kemagnetan dan Gelombang Medan Magnet
4
Keamatan (Kekuatan) Medan Magnet dan
Daya Magnet Pada Zarah Bercas Yang
Bergerak
Kajian mengenai interaksi antara zarah bercas
dan medan magnet dinamai keelektromagnetan.
Rajah di bawah yang menunjukkan satu zarah
bercas positif bergerak melalui medan elektrik.
Zarah bercas positif itu terpesong ke plat negatif.
Ini menunjukkan terdapat daya elektrik yang di
alami oleh zarah bercas. (Rujuk kepada bab
elektrostatik)
Dengan anologi yang sama, perhatikan rajah di
bawah yang menunjukkan satu zarah bercas yang
bergerak melalui suatu kawasan medan magnet.
Unit 4 SRF3023 Keelektrikan, Kemagnetan dan Gelombang Medan Magnet
5
Zarah bercas positif itu terpesong. Ini
menunjukkan terdapat daya magnet yang dialami
oleh zarah bercas positif itu. Perhatikan arah
pesongan adalah ke atas.
Bermakna zarah bercas yang bergerak di
dalam medan magnet akan mengalami daya
magnet.
Medan magnet dan daya magnet bagi zarah
bercas dengan halaju zarah, v berserenjang
dengan medan magnet, B
Secara eksperimen, didapati bahwa keamatan
(kekuatan) medan magnet pada keadaan halaju
zarah bercas,v bergerak secara serenjang dengan
medan magnet, B diberikan oleh:
B=qv
F (1)
Unit 4 SRF3023 Keelektrikan, Kemagnetan dan Gelombang Medan Magnet
6
B difahami sebagai daya magnet per unit cas per
unit laju. Persamaan di atas hanya benar jika v
dan B berserenjang, iaitu v B. Unit S.I bagi B
ialah N(Am)1 @ T(Tesla). Unit-unit lain ialah
Wbm1 dan Gauss. (1 gauss= 1 104Tesla)
Seterusnya, dari (1), magnitud daya magnet
terhadap zarah bercas yang bergerak dengan
halaju v secara berserenjang dalam medan
magnet, B diberikan:
F=qvB (2)
Persamaan magnitud daya pada zarah bercas di
atas hanya benar jika v B
Daya magnet bagi zarah bercas dengan halaju
zarah, v bersudut dengan medan magnet, B
Bagi keadaan yang lebih umum, iaitu zarah
bercas bergerak dengan halaju, v pada sudut
dengan B, magnitud daya magnet diberikan oleh
persamaan:
F=qvBsin (3)
Unit 4 SRF3023 Keelektrikan, Kemagnetan dan Gelombang Medan Magnet
7
Di mana F=magnitud daya magnet pada zarah
bercas yang bergerak dalam medan magnet pada
sebarang sudut.
Penentuan Arah Daya Magnet Bagi Zarah
Bercas-Peraturan Hukum Genggaman
Tangan Kanan
Arah daya magnet pada zarah bercas positif
ditentukan oleh halaju dan vektor medan
magnet. Ianya dinyatakan oleh hukum
genggaman tangan kanan, iaitu
“Apabila semua jari pada tangan kanan
diarahkan pada arah halaju v, kemudian
digenggam ke vektor medan magnet B, arah ibu
jari ialah arah daya magnet jika cas bergerak
ialah cas positif”
Unit 4 SRF3023 Keelektrikan, Kemagnetan dan Gelombang Medan Magnet
8
Hukum “tiga jari” tangan kanan juga boleh
digunakan bagi mendapatkan arah daya magnet
bagi zarah positif bercas, iaitu jari telunjuk-arah
halaju, jari tengah-arah medan magnet dan jari
ibu mewakili arah daya yang ditentukan seperti
ditunjukkan pada rajah di bawah.
Nota:
(1) Untuk cas negatif arah daya adalah
bertentangan dengan arah yang diperolehi
menggunakan hukum tangan kanan.
Unit 4 SRF3023 Keelektrikan, Kemagnetan dan Gelombang Medan Magnet
9
(2) Oleh kena masalah melibatkan tiga
dimensi, kita perlu gunakan arah vektor
keluar dari kertas sebagai dan arah
vektor masuk ke dalam kertas sebagai
Contoh 1: Arah Daya Magnet Pada Zarah
Bercas
Pertimbangkan rajah di bawah. Tentukan arah
daya dialami oleh proton apabila ia berada di
dalam medan magnet.
Penyelesaian
×
V
Proton
Medan Magnet
V
Proton
Medan Magnet
F
Unit 4 SRF3023 Keelektrikan, Kemagnetan dan Gelombang Medan Magnet
10
Contoh 2: Daya Dialami Oleh Zarah Bercas
Satu zarah bercas 5.0104C bergerak terhadap
medan magnet 0.2 T pada arah +y dengan laju
1.0103ms1 pada arah +x.
a. Kirakan daya dialami pada ketika zarah
memasuki medan magnet
b. Terangkan jejak zarah, apabila berada di
dalam medan magnet.
Penyelesaian
(a) F=qvBsin=(5.0104
)( 1.0103)(0.2)(sin90
o)
=0.1 N
Cas negatif
v
Pandangan sisi
Pandangan atas
Cas negatif
+z
v
F
Unit 4 SRF3023 Keelektrikan, Kemagnetan dan Gelombang Medan Magnet
11
(b) Gerakan membulat kerana F v. Bermakna
F=maC=qvB
m qvBr
v2
maka
rbulatan=qB
mv
Keelektromagnetan-Punca Medan Magnet
Fenomena keelektrikan dan kemagnetan
walaupun berbeza, tetapi saling berkait antara
satu sama lain. Medan magnet dihasilkan oleh
arus elektrik dan seterusnya akan mengenakan
daya pada zarah bercas yang bergerak. Ianya
disedari pada tahun 1820 oleh Hans Christian
Oersted, iaitu beliau mendapati medan magnet
terhasil dari aliran arus pada konduktor, apabila
terdapatnya pesongan pada kompas. Magnitud
medan magnet bagi bentuk-bentuk terlazim
konduktor adalah seperti berikut. Pembuktian
tidak ditunjukkan kerana ianya memerlukan ilmu
kalkulus.
Unit 4 SRF3023 Keelektrikan, Kemagnetan dan Gelombang Medan Magnet
12
Magnitud Medan Magnet Di Sekeliling
Konduktor Membawa Arus Dengan Panjang
Tak Terhingga.
Pertimbangkan rajah di bawah yang
menunjukkan corak medan magnet di sekeliling
wayar panjang.
Arah medan magnet di sekeliling konduktor
berarus diperolehi dengan menggunakan
genggaman tangan kanan, iaitu.
“Letakkan arah ibu jari tangan kanan pada
arah arus, arah genggaman merupakan arah
medan magnet di sekeliling konduktor
berarus”
Unit 4 SRF3023 Keelektrikan, Kemagnetan dan Gelombang Medan Magnet
13
Magnitud medan magnet, B pada jarak d yang
serenjang dengan konduktor berarus, diberikan
sebagai
d2
IB o
(4)
di mana o= 4107
T.m/A atau Wb/A.m dan
dinamakan pemalar ketelusan magnet bagi ruang
bebas.
Unit 4 SRF3023 Keelektrikan, Kemagnetan dan Gelombang Medan Magnet
14
Magnitud Medan Magnet Di Titik Tengah
Konduktor Berarus Berbentuk Gelung.
Rajah menunjukkan suatu konduktor gelung
berarus.
Pada pandangan sisi, rajah di atas dapat dilukis
seperti berikut:
Pada kedudukan di titik tengah, C bagi
konduktor berbentuk gelung dengan jejari r yang
Arah arus-ikut jam
× × ×
× ×
×
×
× × ×
×
×
×
Arah medan- masuk
ke kertas
C
r
I
Unit 4 SRF3023 Keelektrikan, Kemagnetan dan Gelombang Medan Magnet
15
membawa arus I, magnitud medan magnet
diberikan oleh
r2
IB o (5)
Arah medan magnet B pada keadaan ini
diperolehi dengan menggunakan hukum
genggaman tangan kanan dan ianya berserenjang
dengan satah gegelung.
Magnitud medan magnet di dalam solenoid
berarus.
Pertimbangkan rajah di bawah yang
menunjukkan satu solenoid berarus
Magnitud medan magnet di tengah solenoid
diberikan oleh
Unit 4 SRF3023 Keelektrikan, Kemagnetan dan Gelombang Medan Magnet
16
B=L
NIo (6)
Di mana I ialah arus, N ialah bilangan lilitan, dan
L ialah panjang lilitan. Oleh kerana n=L
N, iaitu
bilangan lilitan se unit panjang. Maka
B=onI (7)
Nota: Medan magnet merentasi luas keratan
rentas di dalam solenoid adalah lebih seragam
jika solenoid lebih panjang.
Bahan Bermagnet
Terdapat setengah-setengah bahan yang
bermagnet, dan ada juga bahan yang senang
dimagnetkan. Tetapi ianya tidak berlaku pada
semua bahan. Bagaimana pula dengan magnet
bar yang mempunyai medan magnet. Jelas tiada
arus yang mengalir.
Dengan pengetahuan bahwa arus menghasilkan
medan magnet, dan dengan membandingkan
Unit 4 SRF3023 Keelektrikan, Kemagnetan dan Gelombang Medan Magnet
17
corak medan magnet antara magnet bar dan dan
solenoid, kemagnetan mungkin berlaku
disebabkan oleh “arus dalaman” atau gerakan
elektron.
Terdapat dua jenis pergerakan elektron yang
terlibat, iaitu gerakan orbitan dan gerakan spin.
Mengikut teori klasik, gerakan orbitan elektron
ialah gerakan elektron mengelilingi nukleus.
Gerakan spin, ialah gerakan elektron berputar
seperti gasing.
Nota: Spin elektron adalah satu fenomena kesan
kuantum, yang tidak dapat diterangkan secara
fizik klasik. Gerakan spin di atas hanya
gambaran minda pada peringkat ini sahaja. Itu
tidak benar!!!.
Berdasarkan model atom ringkas. Atom terdiri
dari elektron yang bergerak mengelilingi
nukleus, iaitu gerakan orbital. Bermakna wujud
satu gelung arus dan menghasilkan medan
magnet. Tetapi secara umumnya susunan atom-
atom adalah secara rawak. Hasilnya kesan
magnet bersih hasil daripada orbitan elektron
adalah hampir-hampir sifar.
Unit 4 SRF3023 Keelektrikan, Kemagnetan dan Gelombang Medan Magnet
18
Medan magnet yang disebabkan oleh spin
elektron adalah lebih dominan daripada gerakan
orbitan bagi kebanyakan magnet. Setiap atom
adalah satu elektromagnet. Mengikut teori
moden, kemagnetan berpunca dari spin
elektron.
Bagi suatu atom dengan dua atau lebih elektron,
biasanya elektron-elektron tersebut adalah
berpasangan dengan spinnya dijajar secara
bertentangan. Pada keadaan ini, medan magnet
membatal antara satu sama lain. Hasil bahan
bukan bahan bermagnet. Contohnya aluminium
Bahan ferromagnet (bahan bermagnet kuat), spin
elektron adalah tidak berpasangan atau tidak
terbatal sepenuhnya. Ini menghasilkan interaksi
antara atom berjiran, menghasilkan sekumpulan
atom dipanggil domain magnet. Bagi domain
yang sama, spin elektron dijajar pada arah yang
sama, ia menghasilkan medan magnet bersih
Contohnya besi, nikel dan kobalt.
Bahan ferromagnet yang tidak dimagnetkan,
orientasi domain adalah secara rawak dan tiada
kesan bersih kemagnetan.
Unit 4 SRF3023 Keelektrikan, Kemagnetan dan Gelombang Medan Magnet
19
Bila bahan ferroelektrik diletakkan di dalam
medan magnet luaran, dua keadaan mungkin
berlaku.
(a) Sempadan domain mungkin berubah, dengan
sempadan domain yang mempunyai orientasi
selari dengan medan magnet luaran bertambah.
(b) Orientasi setengah-setengah orientasi domain
berubah kepada orientasi medan.
Hasilnya bahan menjadi termagnet atau
menunjukkan ciri-ciri magnet.
Unit 4 SRF3023 Keelektrikan, Kemagnetan dan Gelombang Medan Magnet
20
Kesannya tak kekal. Ia akan hilang kemagnetan
selepas beberapa ketika. Tapi kalau magnet luar
yang digunakan mempunyai medan magnet
luaran yang kuat maka kemagnetan besi mungkin
dapat kekal lebih lama. Maka kita boleh hasilkan
magnet kekal dengan mengaruh besi dengan
magnet yang amat kuat.
Elektromagnet dan Pemalar Ketelusan Bahan
Bahan-bahan ferromagnet digunakan bagi
menghasilkan elektromagnet, iaitu dengan melilit
suatu wayar mengelilingi besi “lembut” seperti
rajah di bawah.
Apabila elektromagnet dihidupkan, besi teras
dimagnetkan dan menambahkuatkan medan
magnet pada solenoid. Magnitud medan magnet
paduan diberikan sebagai oleh
B=nI (8)
Suis terbuka
Suis tertutup
Unit 4 SRF3023 Keelektrikan, Kemagnetan dan Gelombang Medan Magnet
21
Perhatikan persamaan (8) seiras dengan
persamaan magnitud medan magnet di tengah
solenoid, iaitu
B=onI
Di mana ialah pemalar ketelusan bahan.
Hubungan antara dan o bagi bahan bermagnet
diberikan oleh
= Mo (9)
Di mana M pemalar ketelusan relatif magnet,
dan ianya boleh dianalogikan dengan pemalar
ketelusan relatif dielektrik.
Gantikan dalam persamaan menjadi
B=M onI (10)
M adalah merupakan sifat bahan. Apabila satu
bahan dengan nilai M tinggi akan meningkatkan
nilai medan elektromagnet.
Unit 4 SRF3023 Keelektrikan, Kemagnetan dan Gelombang Medan Magnet
22
Daya Magnet Dialami Oleh Konduktor Berarus
Cas elektrik yang bergerak dalam medan magnet
akan mengalami daya kecuali ianya bergerak
selari dengan arah medan magnet, iaitu
F=qvBsin
Bermakna, konduktor berarus di dalam medan
magnet juga akan mengalami daya kerana arus
ialah kadar pengaliran cas. Pertimbangkan rajah
yang ditunjukkan.
Dalam masa t, satu cas q1 akan bergerak secara
purata sejauh L=vt, di mana v= halaju hanyutan
dan arah v dan B dijadikan berserenjang.
Bermakna cas itu akan mengalami daya
sebanyak
F1=q1vB (11)
F F
B
I
Arah arus
L=vt
Unit 4 SRF3023 Keelektrikan, Kemagnetan dan Gelombang Medan Magnet
23
Oleh kerana terdapat banyak cas yang mengalir
melalui wayar itu, maka jumlah magnitud daya
yang dialami wayar ialah,
Fwayar=(iqi)vB= Bt
Lqi
(12)
Maka,
F=ILB (13)
Secara umumnya, jika sudut antara arah arus dan
B ialah , persamaan menjadi:
F=ILBSin
Arah daya magnet terhadap konduktor berarus
diberikan oleh hukum genggaman tangan kanan,
iaitu:
“Apabila semua jari pada tangan kanan
diarahkan pada arah arus I, kemudian
digenggam ke vektor medan magnet B, arah ibu
jari ialah arah daya magnet.”
Unit 4 SRF3023 Keelektrikan, Kemagnetan dan Gelombang Medan Magnet
24
LATIHAN UNIT 4
1. Jika kutub utara dua magnet bar di bawa
berdekatan di antara satu sama lain, kedua-dua
magnet akan
a. Menarik
b. Menolak
2. Cas positif memasuki medan magnet seragam
seperti ditunjukkan dalam Rajah di bawah.
Apakah arah daya magnet?
a) keluar daripada satah mukasurat
b) ke dalam satah mukasurat
c) ke kanan
d) ke kiri
Unit 4 SRF3023 Keelektrikan, Kemagnetan dan Gelombang Medan Magnet
25
3. Cas negatif memasuki medan magnet seragam
seperti ditunjukkan dalam Rajah di bawah.
Apakah arah daya magnet?
a) keluar daripada satah mukasurat
b) ke dalam satah mukasurat
c) ke kanan
d) ke kiri
4. Cas negatif memasuki medan magnet seragam
seperti ditunjukkan dalam Rajah di bawah.
Apakah arah daya magnet?
a) Keluar daripada satah mukasurat
b) Masuk ke dalam satah mukasurat
c) Sifar
d) Ke kanan
Unit 4 SRF3023 Keelektrikan, Kemagnetan dan Gelombang Medan Magnet
26
5. Nyatakan Hukum Genggaman Tangan Kanan ?
6. Apakah arah medan magnet pada pusat ( titik P )
gelung arus segiempat sama seperti ditunjukkan
dalam Rajah di bawah?
a) ke kanan
b) sifar
c) ke dalam mukasurat
d) ke luar daripada mukasurat