Nota Penuh 5

Unit 5 SRF3023 Keelektrikan, Kemagnetan dan Gelombang Aruhan Elektromagnet

1

Unit 5

Aruhan Elektromagnet

Pembelajaran lalu menceritakan tentang

bagaimana terwujudnya medan magnet apabila

adanya arus elektrik mengalir dalam konduktor

Pada unit ini, kita akan mempelajari keadaan

sebaliknya berlaku, iaitu medan magnet akan

menghasilkan arus (tetapi dengan keadaan dan

syarat yang tertentu)

D.g.e Aruhan: Hukum Faraday dan Hukum

Lenz

Pertimbangkan rajah di bawah yang menunjukkan

suatu magnet dikekalkan tetap dekat suatu

gegelung.


2

Didapati tiada gerakan pada jarum galvanometer,

iaitu tidak wujud arus pada gegelung.

Rajah di bawah pula menunjukkan suatu magnet

digerakkan menghampiri dan kemudian menjauhi

suatu gelung wayar.

Terdapat gerakan pada jarum galvanometer dan

apabila arah gerakan berubah, arah pesongan

jarum berubah. Bermakna wujud arus pada

gegelung

Rajah di bawah pula menunjukkan dua gegelung,

iaitu satu disambung kepada bateri dan satu lagi

disambung kepada galvanometer.


3

Gelung yang disambungkan kepada bateri

dihidupkan, dan arus mengalir pada gegelung

tersebut.

Terdapat pesongan pada jarum galvanometer dan

ia kembali pada tempat asalan. Gegelung

disambung pada bateri dibuka suisnya, dan tiada

arus yang mengalir pada gegelung tersebut.


4

Jarum galvanometer terpesong pada arah yang

bertentangan dan kembali pada kedudukan asalan.

Pemesongan jarum galvanometer menunjukkan

adanya arus yang terhasil. Arus ini dinamakan

sebagai arus aruhan, hasil dari wujudnya d.g.e

aruhan dalam gelung.

Dari kajian Faraday, beliau mendapati bahwa

faktor dalam 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.

Fluks Magnet

Bagaimana kita dapat menggambarkan bilangan

garis medan magnet. Untuk itu, kita diperkenalkan

dengan suatu kuantiti fizik dinamakan fluks

magnet, . Fluks magnet ialah ukuran bilangan garis medan magnet melalui sesuatu luas kawasan.

Secara matematik, fluks magnet, diberikan oleh

=BAkos (1)


5

Di mana 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)

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). Pertimbangkan rajah di bawah yang

menunjukkan orientasi suatu gegelung terhadap

medan magnet seragam. Perhatikan satah gegelung

adalah berserenjang dengan medan magnet B

Pandangan tiga dimensi Pandangan sisi

B

A

=BA


6

Rajah di bawah menunjukkan beberapa orientasi

gegelung terhadap medan magnet seragam pada

pandangan sisi.

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


7

Secara matematik ditulis sebagai

=t

N

(2)

Di mana ialah perubahan fluks magnet pada gegelung untuk satu putaran. Bagi gegelung yang

mempunyai N putaran, jumlah perubahan fluks

magnet ialah N. Ianya dinamakan hukum Faraday. Tandaan negatif pada persamaan

memberikan maklumat mengenai polariti atau arah

d.g.e. Ianya diringkaskan oleh Hukum Lenz, iaitu

Arah arus aruhan adalah sedemikian sehingga kesannya menentang perubahan fluks yang

menghasilkannya.

Hukum Lens merupakan suatu pernyataan prinsip

keabadian tenaga.

Persamaan d.g.e aruhan, persamaan (2) boleh

ditulis sebagai

=t

N

=

t

)BAkos(N

(3)


8

Kembangkan persamaan di atas, menjadi:

t

KosBA

t

A)Bkos(

t

B)Akos(N

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)


9

Contoh 1

Gegelung wayar mengandungi 20 lilitan dengan

luas 0.0015 m2. Medan magnet 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

terhasil dalam gegelung.

Penyelesaian:

Contoh 2

Satu gelung segiempat seperti rajah di bawah

ditolak ke dalam medan magnet yang mengarah

ke dalam satah. Dapatkan arah arus aruhan?

V 100.3

s 0.10

T 050.0T 060.00cosm 0015.020

t

BBcosNA

t

cosABcosBAN

tN

3

2o

o


10

Penyelesaian:

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 dari satah, maka arus aruhan melawan

arah jam.

Generator Arus Ulang Alik

Generator merupakan suatu alat yang menukar

tenaga mekanikal kepada tenaga elektrik. Ia boleh

menghasilkan samada arus terus (dc) atau arus

ulangalik (ac). Arus elektrik di rumah dan industri

adalah dari arus ulangalik. Binaan skematik suatu

generator ditunjukkan pada rajah di bawah.


11

Gelung wayar dipusingkan di dalam medan

magnet oleh suatu faktur luaran. Pusingan gelung

wayar menyebabkan fluks medan megnet berubah,

menghasilkan suatu arus aruhan dalam gelung

wayar.

Apabila gelung dipusingkan dengan laju sudut

seragam, , maka sudut, antara vektor luas dan

medan magnet berubah dengan masa, iaitu =t.

Dengan itu fluks magnet diberikan oleh:

= BA kos =BA kos t (4)

Mengikut Hukum Faraday, d,g,e aruhan bagi

gelung yang berputar diberikan sebagai

=t

N

=

t

)BAkos(N

Nota: Gelung mempunyai N gelungan

=t

)tkos(NBA


12

Secara matematik, jawapan bagi pembedaan di

atas diberikan sebagai:

= tsinNBA (5)

NBA ialah nilai d.g.e maksima, berlaku pada

sint = 1. Gantikan NBA=o, maka:

= tsino (6)

Nota: Perhatikan bahwa d.g.e maksima berlaku

pada =90o, 270o, iaitu apabila arah vektor A dan B adalah berserenjang.

Lihat rajah di bawah


13

Arah arus berubah secara berkala, dan ianya

disebut arus ulangalik. Oleh kerana =2f, maka persamaan (6) menjadi:

= ft2sino (7)

Transformer dan Penghantaran Kuasa

Tenaga elektrik dihantar menggunakan kabel

penghantaran melalui suatu jarak yang jauh.

Keadaan ini akan menyebabkan kehilangan kuasa

elektrik pada proses penghantaran tenaga melalui

kabel penghantaran. Kehilangan kuasa elektrik

diberikan oleh persamaan:

P=I2R (8)

Di mana I ialah arus elektrik melalui kabel dan R

ialah rintangan kabel penghantaran. Rintangan

kabel penghantaran adalah tetap, bermakna bagi

mengurangkan kuasa elektrik, nilai arus

penghantaran mesti dikurangkan.


14

Masalahnya, kuasa output generator ditentukan

oleh (P=IV), dan bagi voltan yang tetap

(contohnya 120V), pengurangan arus akan

menyebabkan kuasa output juga berkurang.

Transformer

Adalah 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.

Gegelung primer disambung kepada arus

ulangalik, supaya arus yang berubah-ubah

mengalir di dalam gegelung dan menghasilkan

fluks magnet yang berubah-ubah.


15

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

Ns

(9)

Di mana Ns ialah bilangan lilitan gegelung

sekunder. Di dalam tranformer ideal, rintangan

gegelung adalah kecil dan boleh diabaikan.

Perubahan fluks magnet pada gegelung sekunder

menghasilkan pengaruhan d.g.e balik. Nilainya

bersamaan dengan voltan yang dibekalkan oleh

sumber voltan. Maka

Vp=t

Np

(10)

Di mana Np ialah bilangan lilitan gegelung primer.

Dapatkan nisbah Vs terhadap Vp, menjadikan:


16

)t/(N

)t/(N

V

V

p

s

p

s

atau

p

s

p

s

N

N

V

V (11)

Jika transformer dianggapkan cekap (100%), kuasa

input adalah sama dengan kuasa output. Oleh

kerana P=IV, maka

IpVp=IsVs (12)

Persamaan (12) hanya benar jika kecekapan 100%.

Biasanya transformer yang baik mempunyai

kecekapan melebihi 95%

Seterusnya

p

s

s

p

V

V

I

I =

p

s

N

N

Dengan ini,

Vs= pp

s VN

N

dan Is= p

s

pI

N

N

(13)


17

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

NsNp, voltan meningkat (voltan sekunder besar dari voltan primer).Transformer menaik. Tetapi

arus sekunder berkurangan dibandingkan dengan

arus primer.

Keadaan sebaliknya adalah bagi kes tranformer

menurun.

Contoh 3: Transformer

Satu transformer mempunyai 50 lilitan pada

gegelung primer dan 100 lilitan pada gegelung

sekunder.

(a) Jika gegelung primer disambung kepada

bekalan 120V, kirakan voltan pada gegelung

sekunder

(b) jika operasi transformer diterbalikkan, iaitu

bekalan 120V disambung kepada gegelung 100

lilitan, kirakan voltan output.


18

Penyelesaian

(a) Ini adalah transformer menaik, iaitu

pp

ss V

N

NV

=(2)(120)

=240V

(b) Ini adalah transformer menurun, iaitu

pp

ss V

N

NV

= )120(2

1

=60V


19

Penghantaran Kuasa Elektrik

Rajah menunjukkan suatu sistem kabel ringkas

penghantaran kuasa elektrik.

Transformer merupakan alat yang digunakan bagi

mengurangkan kehilangan kuasa elektrik semasa

proses penghantaran melalui kabel pada 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.

Documents

Nota Penuh 5