Bab 7 - ELEKTRIK Modul Fizik SPM Bahasa Melayu

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

BAB 2 ELEKTRIK 2.1 Medan elektrik dan pengaliran cas Pengetahuan tentang atom dan cas elektrostatik Atom Orbit Semua jirim terdiri daripada beribu-ribu atom. Di pusat atom terletak nukleus Elektron yang mempunyai subatom yang dinamakan proton dan neutron. Proton bercas positif manakala neutron bercas neutral. Proton Nukleus atom dikelilingi elektron-elektron yang bercas Neutron negatif. Cas elektrik ditulis dengan simbol Q. + p Unit bagi cas elektrik ialah + + – + – + + e– coulomb. Objek bercas positif 1 elektron (cas negatif) 













+

–

–

–

–

–

p+ e–

+



Objek bercas negatif +

–

+

–

+

–

+

p+ e–

–

Objek tidak bercas (Neutral)

mempunyai cas sebanyak – 1.6 10-19 C. 1 proton (cas positif) mempunyai cas sebanyak + 1.6 10-19 C.

Cas elektrostatik Cas elektrostatik ialah cas elektrik yang tidak bergerak atau pegun dalam suatu objek. Terdapat dua jenis cas elektrik: (a) Cas positif (+) (b) Cas negatif (–) 



+

+



–

–

Cas-cas yang sama saling menolak

+

–

Cas-cas yang berlainan saling menarik

Suatu objek bersifat (a) Positif apabila bilangan cas positif melebihi bilangan cas negatif. (b) Negatif apabila bilangan cas negatif melebihi bilangan cas positif. (c) Neutral apabila bilangan cas positif sama dengan bilangan cas negatif.

Aktiviti 1: Penghasilan cas dengan menggunakan Penjana Van de Graaff Prosedur: (1) Penjana Van de Graaff dihidupkan. (2) Dekatkan hujung jari, bola logam dan rambut kepada permukaan kubah. (3) Terang dan bincangkan pemerhatian daripada aktiviti ini.

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan

1

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

Hubungan antara pengaliran cas elektrik (elektron) dengan arus elektrik Aktiviti : Mengkaji hubungan antara pengaliran cas elektrik dengan arus

Konduktor

Penjana Van de Graaff Galvanometer

Sumber cas elektron

0

Pemerhatian: Apabila penjana Van de Graaff dihidupkan dan klip buaya disambung pada konduktor, jarum galvanometer terpesong. Ini menunjukkan terdapat arus elektrik yang mengalir melalui galvanometer. Perbincangan:  Arus yang dihasilkan ini adalah disebabkan oleh pengaliran elektron dalam konduktor dari Bumi menerusi galvanometer ke kubah untuk meneutralkan cas-cas positif padanya. Kesimpulan:  Pengaliran cas (elektron) dalam satu konduktor menghasilkan arus elektrik. 

(1) Rajah di sebelah menunjukkan satu litar ringkas.

Bateri +

I

–

e

(2) Secara konvensional, arus dikatakan mengalir dari terminal positif ke terminal negatif bateri tu. (3) Sebenarnya, daya gerak elektrik (d.g.e) bateri yang menyebabkan elektron mengalir dari terminal negatif ke terminal positif. (4) Arus ditakrifkan sebagai kadar pengaliran cas.

Kuantiti cas yang mengalir, Q Masa yang diambil, t

Arus

Arus,

I

Q t

(5) Unit SI bagi arus ialah Ampere, A. (6) Kuantiti cas, Q = It. Cas mengalir dalam konduktor

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan

2

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

Latihan 2.1 (a) Pengaliran cas dan arus elektrik (1) Ramalkan nilai arus dalam situasi berikut:

(2) Apakah maksud arus elektrik 1A? .......................................................................

Arah arus mengalir ....................................................................... .......................................................................

Nilai arus adalah .....................

(3) Jika satu cas sebanyak 300 C mengalir melalui mentol setiap 2 minit. Berapakah arus yang mengalir melalui mentol itu?

Arah arus mengalir

Nilai arus adalah .......................... (4) Cas sebanyak 6 C mengalir melalui seutas dawai selama 1.2 s. Berapakah arus elektrik yang melalui dawai tersebut?

(5) Sebanyak 1.5 A arus mengalir melalui sebuah lampu. Hitung bilangan elektron yang melalui lampu itu dalam masa 2 minit. Diberi cas untuk satu elektron ialah 1.6 10-19 C.

(6) Kubah logam sebuah penjana Van de Graaff yang telah dicaskan disambungkan ke Bumi melalui sebuah mikroammeter. Jika bacaan mikroammeter ialah 30 A, berapakah jumlah cas yang telah mengalir melalui dawai penyambung dalam masa 5 saat.

(7) Apabila kilat menyambar di antara dua awan bercas, 400A arus elektrik mengalir dalam masa 0.05s. Berapakah kuantiti cas elektrik yang dipindahkan?

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan

3

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

Medan elektik (1) Medan elektrik ialah kawasan yang di sekeliling cas atau suatu objek yang bercas yang menyebabkan cas atau objek lain yang bercas yang berada dalam kawasan itu akan mengalami daya elektrik (sama ada daya tolakan atau tarikan). (2) Medan elektrik diwakili oleh garis-garis anak panah yang dikenali sebagai garis daya elektrik. (3) Garis-garis daya elektrik tidak bersilang dan sentiasa bertindak dari arah cas ke arah negatif. (4) positif Kekuatan satu cas meda n elektrik diwakili oleh keamatan bilangan garis medan. Lebih padat dan banyak garis daya elektrik menunjukkan medan elektrik yang kuat.

+

–

Medan elektrik pada cas positif

Medan elektrik pada cas negatif

Contoh-contoh corak medan elektrik Sfera bercas positif Sfera bercas negatif

+

+

Dua sfera berlainan cas

+

–

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan

+

–

Dua sfera bercas positif

+

+

4

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Dua sfera bercas negatif

Tahun 2013

Plat positif dan plat negatif

– +

–

–

–

+

–

+

–

Sfera bercas positif dan plat bergas negatif

Sfera bercas negatif dan plat positif

+

–

– – – – – – – –––

+++++++++++++

Aktiviti: Menunjukkan kewujudan medan elektrik VLT

Minyak masak

Elektrod

Bijian halus

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan

5

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Pemerhatian B

A

+

Tahun 2013

+

C –

+

–

–

+

–

–

+

–

–

+

–

Aktiviti : Melihat kesan medan elektrik ke atas cas elektrik (1) Bola ping pong yang disalut dengan bahan konduksi Sebiji bola ping pong yang diselaputi cat logam digantungkan dengan benang Bola ping pong nilon di tengah-tengah dua plat logam yang menjadi terminal positif dan terminal negatif. Gerakkan bola ping pong ke arah terminal positif. Apakah yang terjadi?

Plat logam

................................................................... ................................................................... VLT ................................................................... ................................................................... ................................................................... ................................................................... ...................................................................

................................................................... ................................................................... ................................................................... ................................................................... ...................................................................

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan

6

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

(2) Nyalaan lilin

Tahun 2013

Nyalaan lilin ditempatkan di antara dua ceper logam semasa VLT tidak dihidupkan. Kipas harus dimatikan semasa aktiviti ini dijalankan.

(a) VLT tidak dihidupkan

Anod

Katod

Apabila VLT dihidupkan nyalaan lilin terbahagi kepada dua bahagian. Bahagian yang menghala ke arah katod lebih besar berbanding ke arah anod. Jelaskan. ...................................................................... ......................................................................

(b) VLT dihidupkan ...................................................................... ...................................................................... ...................................................................... ......................................................................

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan

7

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

2.2 Hubungan antara arus elektrik dan beza keupayaan Menjana idea tentang beza keupayaan  Tekanan pada titik P ………………....

daripada tekanan pada titik Q.  Apabila injap dibuka, air akan mengalir

dari titik .......... ke titik ..........  Ini disebabkan oleh ...............................

P

Q

tekanan di antara dua titik tersebut.

 Tenaga keupayaan graviti pada titik X

X

............................ daripada titik Y.  Epal itu akan jatuh dari titik ............. ke titik

h

............  Ini disebabkan ................................. tenaga

Y

keupayaan graviti di antara dua titik tersebut.  Keupayaan elektrik pada titik A

lebih tinggi berbanding titik B.  Maka, elektron-elektron yang mengalir

dari titik B ke titik A perlu melakukan kerja.  Arus akan mengalir dari A ke B melalui

Mentol B

A

mentol disebabkan wujudnya pengaliran cas dalam konduktor pada litar tersebut.  Sebelum merentasi mentol, elektron-

Sumber tenaga elektrik

elektron bergerak dengan tenaga yang tinggi.  Selepas merentasi mentol, elektron-

elektron mengalami penyusutan tenaga

A

B

dan kembali kepada sumber tenaga.  Kehilangan tenaga oleh elektron ini

adalah disebabkan tenaga elektrik ditukarkan kepada tenaga cahaya dan tenaga haba semasa merentasi mentol.

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan

8

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

Beza keupayaan (Potential differenc

e/ Voltage)

Keupayaan ele ktrik tinggi

+ A P

Keupayaan elektr ik rendah

+

B Beza keupayaan

(1) Objek bercas positif P menghasilkan satu medan elektrik di sekelilingnya. (2) Medan elektrik ialah kawasan di mana daya elektrik bertindak. (3) Keupayaan elektrik pada titik A lebih tinggi daripada keupayaan elektrik pada titik B kerana A lebih dekat dengan pusat P. (4) Jika satu cas positif diletakkan pada titik A, cas ini akan ditolak oleh medan elektrik jasad P. (5) Cas ini bergerak kerana wujudnya beza keupayaan antara titik A dengan titik B. (6) Sebaliknya, jika cas positif itu digerakkan dari titik B ke titik A, kerja perlu dilakukan untuk menentang daya elektrik iaitu daya tolakan yang bertindak antara jasad P bercas positif dengan cas positif. (7) Beza keupayaan, V , antara dua titik ialah kerja (W ) yang dilakukan atau perlu dilakukan untuk menggerakkan 1 C cas( Q ) antara dua titik dalam medan elektrik, iaitu:

Beza keupayaan, V

kerja, W atau cas, Q

Beza keupayaan, V

tenaga, E cas, Q

(8) Unit beza keupayaan elektrik, V ialah JC-1 atau Volt (V) (9) Beza keupayaan elektrik juga disebut voltan. Apakah maksud 1 volt? Bermaksud:

1 J tenaga diperlukan untuk menggerakkan 1 C cas dari titik A ke titik B. Atau

Beza keupayaaan antara dua titik bernilai 1 volt sekiranya 1 joule tenaga diperlukan untuk menggerakkan 1 coulomb cas melalui dua titik tersebut.

1 volt

1 joule atau 1 V = 1 JC-1 1 coulomb

1 J kerja perlu dilakukan untuk menggerakkan 1 C A cas dari titik A ke titik B. Contoh 1: Apabila suatu perintang elektrik disambung ke satu sel kering, 12 C cas mengalir dan 36J tenaga elektrik di bekalkan kepada perintang. Berapakah beza keupayaan merentasi perintang itu? Contoh Apabila berlaku ribut petir selama 22:saat,12.5 A arus terhasil dan beza 5 keupayaan 5 x 10 kV merentasi awan dan permukaan bumi. Tentukan (a) Jumlah cas terhasil. (b) Jumlah tenaga yang dijanakan. Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan

p.d = 1 volt

B

Penyelesaian:

Penyelesaian:

9

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Bagaimana mengukur beza keupayaan?

Tahun 2013

Beza keupayaan atau voltan di antara dua titik dalam satu litar boleh diukur menggunakan voltmeter. Voltmeter mesti disambung secara selari (in p aralle l ) di antara dua titik tersebut. Sebagai contoh untuk mengukur beza keupayaan yang merentasi sebiji mentol di dalam litar, sebuah voltmeter disambung secara selari dengan mentol itu.

Bagaimana mengukur arus elektrik yang mengalir dalam litar?

Arus elektrik diukur menggunakan ammeter. Ammeter mesti disambung secara sesiri (in series ) dengan komponen elektrik di dalam suatu litar elektrik.

Hubungan antara arus elektrik dengan beza keupayaan Merancang dan menjalankan eksperimen (Laporan PEKA)

Eksperimen untuk menentukan hubungan antara arus dan beza keupayaan bagi satu konduktor ohm.

Inferens : ................................................................................................................................. Hipotesis: ................................................................................................................................. Tujuan : .................................................................................................................................... Pemboleh ubah: (i) Yang dimanipulasikan : ........................... ............................... (ii)

Yang bergerak balas

: ............................ ..............................

(iii)

Yang dimalarkan

: ............................ ..............................

Senarai radas dan bahan : ..................................................................................................... ................................................................................................................................................... Susunan radas:

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan

10

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

Prosedur: 1. ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... 2.

....................................................................................................................................... .......................................................................................................................................

3.

....................................................................................................................................... .......................................................................................................................................

Penjadualan data:

Analisis data:

Kesimpulan: ................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................

Langkah berjaga-jaga semasa eksperimen: ................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan

11

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

Hukum Ohm Hukum Ohm menyatakan bahasa arus, yang mengalir melalui satu konduktor elektrik berkadar langsung dengan beza keupayaan, V merentasi dua hujung konduktor itu, dengan syarat suhu dan keadaan fizikal konduktor itu adalah tetap. Daripada Hukum Ohm : V Maka, V

Daripada graf V melawan dalam eksperimen:

yang diperolehi

V/V

pemalar = kecerunan graf

Kecerunan =

V

Untuk konduktor ohm, pemalar itu dikenali sebagai rintangan, R bagi konduktor itu:

R

V Kecerunan graf V melawan

/A adalah tetap.

Apakah itu Konduktor Ohm dan konduktor Bukan Ohm? (i) (ii)

Konduktor Ohm ialah konduktor elektrik yang mematuhi Hukum Ohm. Konduktor Bukan Ohm ialah konduktor elektrik yang tidak mematuhi Hukum Ohm.

(iii) Definisi Rintangan.

Rintangan, R satu konduktor boleh ditakrifkan sebagai nisbah beza keupayaan, V merentasi konduktor itu terhadap arus elektrik, yang mengalir melaluinya, iaitu

R

V

Unit bagi rintangan ialah volt per ampere (VA-1) atau ohm ( ).

Lakarkan graf V melawan Konduktor Ohm

I

bagi Konduktor Ohm dan Konduktor Bukan Ohm Konduktor Bukan Ohm

V/V

V/V

I/A

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan

I/A

12

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

Faktor-faktor yang mempengaruhi rintangan konduktor (1) Rintangan merupakan satu ukuran halangan terhadap pengaliran arus dalam suatu konduktor.

V

(2) Daripada

, arus elektrik,

adalah berkadar songsang dengan rintangan , R

apabila nilai V dimalarkan, 

1

(3) Apabila rintangan, R besar, arus, yang mengalir dalam satu konduktor adalah rendah dan sebaliknya. (4) Faktor-faktor yang mempengaruhi rintangan satu konduktor ialah: (a) Panjang konduktor (b) Luas keratan rentas/ Diameter konduktor (c) Jenis bahan (d) Suhu konduktor Panjang konduktor, l Rintangan konduktor R berkadar langsung dengan l

panjang konduktor. 2l

Rl

3l l

A 2A

3A

Luas keratan rentas konduktor, A Rintangan konduktor berkadar songsang dengan R luas keratan rentas konduktor. R

1 A

1 A

Eureka

Jenis konduktor logam Jenis konduktor logam yang berbeza mempunyai rintangan yang berbeza.

V

Konstantan Kuprum Perak

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan

13

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

Suhu konduktor, Untuk jenis konduktor sama dan mempunyai panjang, l dan luas keratan rentas, A yang sama, rintangan, R bertambah dengan pertambahan suhu konduktor, .

R

Penyelesaian masalah melibatkan arus, I , beza keupayaan, V dan rintangan, R (1) Suatu komponen elektrik berlabel (2) Jika mentol di dalam litar itu 12V, 2A. Berapakah rintangan mempunyai rintangan 6 , berapakah komponen elektrik itu? bacaan ammeter jika sel kering membekalkan 3 V?

A

(3) Jika arus 0.5 A mengalir merentasi perintang 3.0 di dalam litar, kira voltan yang dibekalkan oleh sel kering tersebut.

(4) Graf menunjukkan keputusan dari satu eksperimen untuk menentukan rintangan dawai. Rintangan dawai itu ialah V /V

1.2

0

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan

I /A

5

14

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

Superkonduktor (1) Rintangan suatu konduktor berkurang apabila suhu konduktor menurun. (2) Untuk bahan tertentu seperti aluminium, rintangan konduktor menjadi sifar sebaik sahaja disejukkan di bawah suhu genting, T c seperti dalam graf di sebelah. (3) Bahan konduktor yang menunjukkan ciri ini dikenali sebagai superkonduktor. (4) Superkonduktor merupakan konduktor yang unggul kerana tidak ada rintangan dalamnya yang boleh menghalang pengaliran elektron. (5) Sekiranya satu arus dihasilkan pada gegelung superkonduktor, arus akan terus mengalir walaupun punca elektrik dihentikan. Arus akan terus mengalir dalam gegelung superkonduktor tanpa kehilangan tenaga.

R( )

T(K)

0

Tc

Superkonduktor R( )

T(K) 0

Konduktor biasa

Kegunaan superkonduktor Kabel penghantaran tenaga elektrik Bidang pengangkutan

Kabel superkonduktor berintangan sifar meningkatkan kecekapan penghantaran tenaga kerana tidak berlaku kehilangan tenaga dalam bentuk haba. Bidang perubatan

Teknik pengimbasan MRI ( Magnetic ) diperkenalkan untuk mengantikan sinar-X.

Resonance Imaging

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan

Kereta api yang terapung diperkenalkan dengan menggunakan magnet superkonduktor yang kuat.

Bidang industri

Gegelung superkonduktor dalam penjana, motor dan transformer menjadikan alatalat elektronik lebih kecil tetapi berkuasa tinggi. 15

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

2.3 Litar sesiri dan Litar selari Aktiviti : Memasang dan mengenal pasti litar sesiri dan litar selari

Litar sesiri Litar selari Lukiskan litar skema bagi gambarajah litar di atas.

Aktiviti : Membuat perbandingan arus dan beza keupayaan bagi litar sesiri dan litar selari Litar sesiri Litar selari A

A

A1 A1

A2 A2

Bacaan ammeter A adalah sama dengan A1 dan A2. A = A1 = A2 Maka, I = I1 = I2 Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan

Bacaan ammeter A ialah jumlah A 1 + A2. A = A1 + A2 Maka, I

= I1 + I2 16

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

V

V1 V1

V2 V V2

Bacaan voltmeter V ialah jumlah V1 + V2.

Bacaan voltmeter V adalah sama dengan V1 dan V2.

Maka, Maka,

V = V1 + V2

V = V1 = V2

Ciri-ciri litar sesiri dan litar selari

I

R1

I

R2

V I

V2

V1 V

I1

R1 I

I

I2

R2

V Arus yang sama mengalir dalam setiap perintang. Beza keupayaan, V adalah hasil tambah V1 dan V2. Jika satu mentol rosak, mentol-mentol lain dalam litar sesiri tidak akan bernyala. Kecerahan semua mentol dalam litar sesiri adalah sama tetapi lebih malap berbanding litar selari.

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan

Arus, I adalah hasil tambah I1 dan I2. Beza keupayaan yang sama untuk setiap perintang. Jika satu mentol rosak, mentol-mentol lain dalam litar selari akan terus bernyala. Kecerahan semua mentol dalam litar selari adalah sama tetapi lebih cerah berbanding litar sesiri.

17

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

Latihan 2.3 (a) Membandingkan arus dan beza keupayaan dalam litar sesiri dan litar selari. (a) Tentukan bacaan ammeter dalam litar-litar berikut:

(b) Tentukan bacaan voltmeter dalam litar-litar berikut:

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan

18

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

Menentukan nilai rintangan berkesan dalam litar sesiri dan litar selari Rintangan berkesan (rintangan senilai) ialah rintangan tunggal yang akan memberikan kesan yang sama kepada litar. Ia membenarkan arus yang sama mengalir dalam litar sekiranya ia digantikan dengan dua atau lebih perintang yang disambung secara sesiri atu selari atau gabungan kedua-dua sambungan litar tersebut. Litar sesiri I

R1

I

Litar selari R2

V I

V2

V1

I1

R1 I

I

V

R2

I2

V I = I1 = I2 V = V1 + V2

I = I1 + I2 V = V1 = V2

Rintangan berkesan, R bagi litar sesiri dikira dengan menggunakan formula:

Rintangan berkesan, R bagi litar selari dikira dengan menggunakan formula:

R = R1 + R2

Contoh 1:

1

1

1

R

R1

R2

Contoh: Hitung rintangan berkesan, R untuk litar-litar berikut: Contoh 2:

Contoh 3:

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan

Contoh 4:

19

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

Petua litar Petua 1

Petua 2

Latihan 2.3 (b) Menentukan rintangan berkesan, R dalam litar sesiri, litar selari dan litar gabungan serta menyelesaikan masalah melibatkan V = IR. (a) Tentukan rintangan berkesan bagi litar-litar berikut:

(b) Selesaikan masalah-masalah berikut: (i)

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan

(ii)

20

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

(iii)

(iv)

(v)

(vi)

(7)

(8)

A

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan

A

21

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

2.4 Daya gerak elektrik (d.g.e) dan rintangan dalam (r) Daya gerak elektrik (d.g.e) D.g.e ialah tenaga yang dibekalkan untuk menggerakkan 1 C cas melalui sel kering dan mengelilingi satu litar elektrik yang lengkap. Unit d.g.e ialah volt (V) atau Joule per coulomb (JC-1)  Nilai voltan yang dilabelkan pada sel kering menunjukkan nilai daya gerak elektrik, d.g.e yang dibekalkan oleh sel kering  Satu sel kering mempunyai d.g.e 1.5 V jika tenaga

elektrik 1.5 J dibekalkan untuk menggerakkan 1 C cas di dalam litar. Perbandingan antara daya gerak elektrik (d.g.e) dan beza keupayaan Persamaan: Daya gerak elektrik dan beza keupayaan diukur dengan unit Joule per coulomb (JC -1) atau volt (V) Perbezaan: Daya gerak elektrik (d.g.e) Beza keupayaan, V

V V  Arus tidak mengalir melalui

 Arus mengalir dalam litar.

voltmeter  Bacaan voltmeter berkurang sedikit  Bacaan voltmeter bernilai .......... V

apabila suatu beban (mentol) disambung di dalam litar.

 Bacaan voltmeter = d.g.e = ........ V  Jika bacaan voltmeter .............V, maka

beza keupayaan merentasi mentol ialah .............V. d.g.e

Tenaga yang dibekalkan , E cas yang mengalir, Q

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan

Beza keupayaan

Kerja yang dilakukan, W cas yang mengalir, Q

22

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

Aktiviti: Membezakan antara daya gerak elektrik dengan beza keupayaan

Suis, S

Bateri

R Mentol  Suis S dalam keadaan dibuka.  Perhatikan mentol.  Rekodkan bacaan ammeter dan

voltmeter  Suis S ditutup.  Perhatikan mentol.  Rekodkan bacaan ammeter dan

voltmeter.

Suis

Terbuka (off)

Tertutup (on)

Keadaan mentol Bacaan ammeter Bacaan voltmeter

Rintangan dalam, r Rintangan dalam, r suatu sel kering ialah rintangan terhadap pengaliran cas oleh elektrolit dan elektrod di dalam sel kering itu.

Sel kering

Kerja perlu dilakukan oleh cas bagi menentang rintangan dalam yang wujud dalam sel kering. Ini menyebabkan jatuhan nilai beza keupayaan yang merentasi sel kering apabila cas bergerak melaluinya ke litar elektrik yang disambungkan dengan suatu beban rintangan atau mentol.

Rintangan dalam Unit Ohm ( )

Persamaan daya gerak elektrik:

Sel kering

Daya gerak elektrik = E Beza keupayaan litar luar = V Nilai jatuhan beza keupayaan di dalam sel = Ir Ir

=E-V

Atau E = V + Ir Atau E = IR + Ir

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan

V

23

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

Eksperimen : Menentukan daya gerak elektrik dan rintangan dalam suatu sel kering Tujuan: Menentukan rintangan dalam suatu sel kering. Pemboleh ubah: (i) Dimanipulasikan : Arus (ii) Bergerak balas :Beza keupayaan (iii) Dimalarkan : Rintangan dalam Radas : Sel kering baru, pemegang sel, voltmeter, ammeter, rheostat, suis dan dawai penyambung. Prosedur: (1) Suis dihidupkan dan rheostat dilaraskan supaya arus yang mengalir melaluinya adalah 0.2 A. Bacaan ammeter, I dan bacaan voltmeter, V yang sepadan dicatatkan. (2) Eksperimen diulang dengan melaraskan rheostat supaya arus mengalir = 0.3 A, 0.4 A, 0.5 A dan

Susunan radas: Sel kering

reostat

0.6 A. Penjadualan data: I/

A

Analisis data: V/V

Plotkan graf V melawan I V/V

I/A

Perbincangan: ................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................. Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan

24

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

Latihan 2.4 : Daya gerak elektrik dan rintangan dalam (1)

Dalam rajah apabila suis S dimatikan, bacaan voltmeter ialah 1.5 V. Apabila suis S dihidupkan bacaan voltmeter ialah 1.35 V dan bacaan ammeter ialah 0.3 A. Tentukan: (a) d.g.e sel (b) rintangan dalam sel (c) Nilai perintang R

(3) Suatu sel kering membekalkan arus 0.5 A apabila disambung kepada perintang 2 . Sel yang sama membekalkan arus 0.4 A apabila disambung kepada perintang 4 . Tentukan d.g.e sel kering tersebut.

(2)

Apabila suis S dimatikan, bacaan voltmeter adalah 1.5 V. Apabila suis S dihidupkan bacaan voltmeter dan ammeter adalah 1.3 V dan 0.2 A masingmasing. Tentukan rintangan dalam sel itu.

(4)

Sebuah bateri dengan daya gerak elektrik 12 V dan mempunyai rintangan dalam 3 disambungkan kepada dua perintang 6 . Kira arus yang melalui setiap perintang 6 .

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan

25

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

2.5 Tenaga dan kuasa elektrik Tenaga elektrik Tenaga elektrik, E ialah kerja yang dilakukan semasa cas elektrik, Q dipindahkan di antara dua titik yang mempunyai beza keupayaan, V. Tenaga elektrik boleh ditukar kepada bentuk tenaga yang lain oleh peralatan elektrik yang disambung di dalam litar. Contoh penukaran tenaga elektrik kepada tenaga-tenaga lain: Tenaga elektrik Tenaga cahaya + tenaga haba (mentol) Tenaga elektrik Tenaga bunyi (loceng elektrik) Tenaga elektrik Tenaga mekanik (Motor elektrik)  Daripada takrifan beza keupayaan, V: Hubungan antara tenaga(E) , voltan(V ), arus (I ) dan masa (t ) tenaga elektrik, E Beza keupayaan, V , maka tenaga cas, Q Cuba terbitkan elektrik, E boleh ditulis sebagai formula-formula tenaga elektrik: E = VQ  Oleh kerana cas elektrik, Q = I t, maka tenaga elektrik,

E = VQ boleh ditulis sebagai E = VI t

 Daripada hukum Ohm, V = I R, maka tenaga elektrik,

E = VI t boleh ditulis sebagai E = I 2Rt

atau

E=

V2t R

 Unit SI bagi tenaga elektrik ialah joule (J)

Contoh 1: Satu cerek air disambung kepada bekalan kuasa 240 V. Jika rintangan unsur pemanas di dalam cerek ialah 40 , kira (a) Arus mengalir melalui unsur pemanas (b) Kuantiti tenaga haba yang dihasilkan dalam masa 10 minit pemanasan. Contoh 2: Suatu gegelung pemanas dialirkan arus 5A dan beza keupayaan merentasinya ialah 240 V dibekalkan selama 15 minit. Tentukan jumlah tenaga elektrik yang dihasilkan.

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan

26

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

Kuasa elektrik Kuasa elektrik, P ditakrifkan sebagai kadar pemindahan tenaga elektrik. Kuasa elektrik, P

tenaga elektrik yang dipindahkan, E

Hubungan antara kuasa (P ), voltan (V ) dan arus (I ). Cuba terbitkan sendiri formula-formula kuasa elektrik:

Masa, t

atau P =

E t

 Daripada takrifan kuasa elektrik, P =

E

. t  Oleh kerana tenaga elektrik, E = V I t, maka P = VI

 Daripada E =

I

2

Rt, kuasa elektrik, P P = I 2R

 Daripada E =

V2t R

, kuasa elektrik, P

2 P= V R

 Unit SI bagi kuasa elektrik ialah Joule per saat

(Js-1) atau watt (W). Contoh 1: Sebiji mentol berlabel 12V, 36 W disambut kepada suatu sumber kuasa 12 V. (a) Hitung arus yang mengalir melalui mentol itu. (b) Berapakah tenaga elektrik yang digunakan jika mentol itu dihidupkan selama 30 minit?

Penyelesaian:

Contoh 2: Satu pemanas rendam mempunyai label 140V, 750 W. (a) Berapakah rintangan pemanas rendam itu? (b) Berapakah tenaga elektrik yang dibekalkan selama 15 minit pemanasan?

Penyelesaian:

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan

27

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

 Semua peralatan elektrik dilabelkan dengan kadar kuasa (pow er ra ting ).  Contoh:

Kadar kuasa (pow er rat ing )

Satu cerek elektrik dilabelkan 240 V, 1500W bermaksud cerek elektrik itu akan menggunakan 1500J tenaga elektrik setiap 1 saat j ika disambungkan dengan bekalan kuasa 240 V. Contoh label kadar kuasa (power rating) pada peralatan elektrik:

Formula tenaga elektrik yang digunakan oleh sesuatu alat elektrik.

Jumlah tenaga elektrik yang digunakan oleh sesuatu peralatan elektrik dalam masa tertentu ialah Tenaga elektrik yang digunakan = kadar kuasa

masa

E = Pt Perbandingan kadar kuasa dan penggunaan tenaga elektrik bagi peralatan elektrik.  Semakin besar nilai kadar kuasa (power rating) sesuatu peralatan elektrik, semakin besar tenaga elektrik digunakan dalam setiap saat.  Semakin panjang masa digunakan, semakin besar tenaga elektrik digunakan. Peralatan Kipas

Kadar kuasa / W 50

Masa/ Jam 1

Televisyen

100

1

Komputer

200

1

Penyaman udara Mesin basuh

1000 1800

1 ½

Cerek air elektrik

3600

½

Penggunaan tenaga/ J

a Kos penggunaan tenaga elektrik  Tenaga elektrik yang digunakan dalam kehidupan

disukat dalam unit kilowatt-jam (kWj).  1 kWj = 1 unit penggunaan tenaga elektrik  Kos penggunaan tenaga elektrik dikira dengan

mendarabkan bilangan unit yang digunakan dengan harga satu unit: Kos = bilangan unit

harga satu unit elektrik

 Kos bagi satu unit elektrik dikenali sebagai kadar

tariff.

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan

Bil penggunaan tenaga elektrik

28

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

Kecekapan pelbagai peralatan elektrik  Kecekapan alat elektrik ditakrifkan sebagai peratusan kuasa output kepada kuasa

inputnya iaitu Kecekapan =

Kuasa output Kuasa input

100 %

atau Kecekapan =

tenaga output tenaga input

100 %

 Kecekapan sesuatu alat elektrik sentiasa kurang daripada 100% disebabkan

sebahagian tenaga hilang dalam bentuk haba dan tenaga bunyi. Perbandingan peralatan elektrik dari segi kecekapan penggunaan tenaga

Kuasa cahaya output = 3 W

Mentol berfilamen 60 W

Kuasa elektrik input = 60 W Kuasa haba output = 57 W

Kuasa cahaya output = 3 W

Lampu penjimat tenaga 12 W

Kuasa elektrik input = 12 W Kuasa haba output = 9 W

Cara-cara meningkatkan kecekapan tenaga  Menukarkan penggunaan lampu berfilamen dengan lampu “ energy saving lamps ”. pola penggunaan alat elektrik dengan misalnya menghidupkan  Merancang penghawa dingin hanya bila diperlukan sahaja dancekap menggosok pakaian dalam kuantiti yang banyak dalam satu penggunaan seterika.  Mereka bentuk alat elektrik yang l ebih cekap.  Menyelenggara alat elektrik supaya sentiasa berada dalam keadaan baik dan

dengan itu dapat berfungsi pada kecekapan maksimum. Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan

29

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

Latihan 2.5 Tenaga dan kuasa elektrik (1) Beza keupayaan merentasi satu perintang ialah 6.0V apabila arus melaluinya 200 mA selama 2 minit. Kira jumlah tenaga yang dijanakan pada perintang itu.

(2) 15 J tenaga haba dihasilkan apabila arus 1.0 A mengalir melalui sebuah mentol lampu suluh selama 10 s. Kira beza keupayaan merentasi lampu suluh itu.

(3) Sebuah lampu elektrik berlabel 240 V, 60 W. Kira arus menerusi filamennya dan rintangan filamen itu.

(4) Arus 2 A mengalir melalui sebuah lampu yang filamennya berintangan 5 . Kira kuasa yang dijanakan oleh lampu itu.

(5) Sebuah motor elektrik digunakan

(6) Sebuah motor elektrik mengangkat

untuk mengangkat beban 50 kg setinggi 2m dalam masa 10s. Jika voltan 25V merentasi perintang 5 yang terdapat pada mesin itu, tentukan kecekapan enjin tersebut.

beban berjisim 8 kg setinggi 5 m dalam masa 5 s apabila arus mengalir melaluinya 4.0 A. Kirakan beza keupayaan merentasi motor jika kecekapannya ialah 100%.

(7) Jika kos 1 unit tenaga elektrik ialah 24 sen, kirakan kos menonton sebuah televisyen 250W, 240 V selama 5 jam sehari selama sebulan.

(8)

Rajah di atas menunjukkan tarif elektrik yang dikenakan pada rumah kediaman. Jika pada bulan Ogos bacaan meter ialah 6020 unit dan pada bulan September ialah 7450 unit, kira kos bil elektrik rumah tersebut.

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan

30