Kuantiti dan Unit Elektrik

Kuantiti yang diukur dalam elektrik ialah cas, kuasa, arus, voltan dan rintangan.

Cas

Tenaga elektrik terdiri daripada cas positif yang dibawa oleh proton dan negative oleh elektron. Suatu objek dikatakan bercas positif jika mempunyai lebih bilangan proton, dan bercas negative jika mempunyai lebih bilangan elektron. Jika bilangan proton dan elektron sama  bilangan, maka dikenali sebagai neutral. Kuantiti cas elektrik yang dibawa oleh satu proton dan satu elektron adalah sama besar. Kuantiti cas elektrik (Q) ini disukat dalam unit Coulomb. Satu coulomb cas ialah jumlah cas yang dipunyai oleh 6.25 × 10¹⁸ elektron. Contoh: Seutas dawai tembaga mempunyai 25.96 x 10¹⁶ elektron bebas. Berapakah jumlah cas yang terdapat dalam dawai tersebut?
Hitung nilai arus yang mengalir dalam satu litar elektrik apabila 75 coulomb cas elektrik melalui titik tertentu selama 30 saat.

Voltan

Voltan ialah tenaga keupayaan yang membolehkan arus mengalir dalam litar. Tenaga keupayaan ini dikenali sebagail daya gerak elektrik (DGE). DGE memberi tekanan berbentuk medan elektrik yang membolehkan arus mengalir melalui beban dalam litar. Arus akan mengalir dari titik tekanan tinggi ke titik tekanan rendah.
Daya gerak elektrik dan beza upaya diukur dalam unit volt. Simbolnya adalah V.

Rintangan

Rintangan merupakan kuantiti yang menghadkan pengaliran arus elektrik dalam sesuatu litar. Jumlah pengaliran arus dalam litar adalah bergantung kepada nilai rintangan yang terdapat pada litar tersebut. Nilai rintangan yang rendah dalam litar membolehkan pengaliran arus yang tinggi manakala nilai rintangan tinggi  hanya membenarkan pengaliran arus yang rendah.
Pengalir yang panjang dan mempunyai luas permukaan yang lebar akan menghasilkan rintangan yang tinggi  berbanding dengan pengalir yang pendek dan mempunyai luas permukaan kecil.
Unit bagi rintangan ialah ohm (Ω). Simbolnya ialah R.

Penyelesaian:

Diberi :    bilangan elektron dawai tembaga ialah 25.96 x 10¹⁸

               1 coulomb ialah 6.25 × 10¹⁸ elektron.

Oleh itu:         Cas (Q)  = 24.96 x 10¹⁸

                                       6.25 × 10¹⁸

                                        = 4 coulomb

Arus

Arus elektrik ialah pergerakan elektron bebas di antara atom-atom. Unit pengukuran arus elektrik ialah ampere (A). Satu ampere bersamaan satu coulomb cas elektrik yang bergerak melalui satu titik dalam satu saat. Di sini, satu coulomb(Q) cas bersamaan dengan 6.25 × 10¹⁸elektron.

Di sini, I adalah mengaliran arus, Q ialah cas elektrik dan t ialah masa dalam saat.

Simbol arus ialah I dan unitnya adalah ampere (A).

Contoh:

Penyelesaian:

Diberi:                        Q = 75 c dan t = 30 s

Arus (I) = Cas (Q)

                Masa (t)

             = 75 /30

             = 2.5 c/s

             = 2.5 A

Pengalir dan Penebat

Pengalir adalah bahan yang boleh membenarkan pengaliran arus elektrik melaluinya dengan mudah. Biasanya, pengalir terdiri daripada logam. Pengalir yang baik biasanya mempunyai elektron valensi kurang daripada 4 elektronnya.  Contoh bahan pengalir adalah seperti di Jadual 1.1.

Jadual 1.1: Contoh Elemen Pengalir

Kumpulan Elemen Simbol Bilangan Atom Elektron valensi Pengalir Emas Au 79 +1 Perak Ag 47 +1 Kuprum Cu 29 +1 Besi Fe 26 +2 Aluminium Al 13 +3

Sumber: Basic Electronics, (1987)

Daripada Jadual 1.1, jelas menunjukkan bahawa pengalir yang baik seperti emas, perak dan kuprum mempunyai elektron valensi +1 . Elektron valensi ini akan mudah digerakkan atu dialirkan dari satu atom ke atom yang lain. Aliran arus dalam suatu pengalir tidak dapat bergerak bebas disebabkan halangan daripada electron dan atom-atom dalam pengalir tersebut. Halangan ini dikenali sebagai rintangan. Suatu bahan pengalir yang mempunyai rintangan yang rendah adalah pengalir yang baik.

Rintangan pada pengalir bergantung kepada empat faktor;

i)    Panjang pengalir: Semakin panjang suatu bahan pengalir, semakin tinggi rintangannya.

ii)   Luas muka keratan Pengalir : Semakin luas permukaan suatu bahan, semakin rendah rintangannya

iii)  Jenis Bahan : Bahan yang berlainan mempunyai rintangan yang berbeza

iv)  Suhu : Kebiasaannya semakin tinggi suhu bahan, semakin tinggi rintanganya

Penebat ialah bahan yang menghalang pengaliran arus elektrik melaluinya. Penebat boleh dikelaskan sebagai unsur bukan logam. Biasanya penebat mempunyai 8 elektron valensi. Ini menyebabkan atom tersebut stabil dan elektronnya susah digerakkan atau dialirkan  dari orbit valensi. Keadaan ini menyebabkan penebat mempunyai rintangan yang sangat tinggi dan ini menyebabkan arus elektrik tidak dapat mengalir melaluinya. Penebat digunakan sebagai pelindung pengalir. Ini dapat mengelakkan pengalir daripada memintas atau bersentuhan sesama sendiri. Contoh penebat ialah kaca, mika, getah, seramik, plastik dan kayu.

Struktur Atom

Semua jirim terddiri dari atom. Rajah 9 dibawah menunjukkan struktur asas suatu atom. Dibahagian tengah ialah nukleus  dan dikelilingi oleh elektron. Nukeus terdiri dari zarah-zarah yang dinamakan proton dan neutron. Proton bercas positif  manakla neutron tidak bercas. Kedua-dua zarah ini sentiasa kekal pada kedudukannya.

 

 

 Struktur Asas Atom

Atom mempunyai electron yang sentiasa bergerak mengelilingi nucleus dalam orbit atau shell. Elektron membawa cas negative dan beratnya ialah 1/1840 berat proton. Bilangan proton bergantung kepada jenis atom, misalnya karbon mempunyai 6 elektron, kuprum mengandungi 29 elektron  dan sebaginya. Dalam keadaan biasa bilangan elektron sesuatu atom adalah sama dengan bilangan proton.

Atom mempunyai orbit berlapis. Setiap orbit mempunyai bilangan elektron dan paras tenaga tertentu. Orbit paling luar sekali dikenali sebagi orbit valensi. Elektron pada orbit valensi dikenali sebagai elektron valensi. Bilangan maksimun yang boleh ditampung oleh setiap orbit ditentukan dengan menggunakan formula 2n², dimana n mewakili nombor orbit mengikut keduudkan nukleus. Bagi memudahkan penentuan bilangan elektron, orbit ditandakan dengan huruf K,L,M,N dan seterusnya.

Elektron akan bergerak mengelilingi nuklues dalam orbitnya. Elektron-elektron ini kekal beredar dalam orbitnya kerana kesan daya tarikan di antara proto dengan elektron. Elektron yang berada hampir dengan nukleus lebih kuat ikatannya Ianya sukar untuk dikeluarkan dari orbitnya berbanding elektron yang berada jauh dari nukleus. Oleh itu jika elektron pada orbit valensi dikenakan dengan tenaga luar maka ia akan keluar dari orbitnya dan menjadi elektron bebas. Terdapat beberapa cara untuk mengeluarkan elektron valensi dari orbitnya. Antaranya ialah tindakan haba, aruhan magnet, kimia, cahaya, tekanan dan elektrik.

Bilangan elektron valensi sesuatu atom menentukan ciri bahan atom itu.

Elektron Valensi	Bahan	Unsur
1,2 dan 3	Pengalir	Kuprum, emas, alluminium
4	Separa pengalir	Karbon, Silikon, Germanium
2,6 atau 7	Penebat	Posferus, sulfur

Jadual 1: Kategori Bahan berdasarkan Bilangan elektron Valensi

Jika dua objek yang berlainan cas dihampirkan,objek tersebut akan menarik antara satu sama lain. Sebaliknya, jika dua objek mempunyai cas yang sama ianya akan menolak antara satu sama lain. Ini dikenali sebagai Hukum cas elektrik dan menajdi asas dalam memahami bagaimana aliran arus elektrik terjadi.

Sumber tenaga elektrik dan kegunaannya

Sumber elektrik

Terdapat pelbagai sumber yang dapat digunakan untuk menghasilkan tenaga elektrik. Antaranya ialah kemagenatan, tindakan kimia dan cahaya.

A. Kemagnetan sebagai sumber elektrik

Kemagnetan digunakan untuk menghasilkan tenaga elektrik dengan menggerakkan sebatang magnet di dalam gegelung wayar, antara contoh ialah dinamo dan turbin.

Dinamo Dinamo terdiri daripada tiga bahagian utama, iaitu magnet kekal, Teras besi, dan gegelung wayar. Gegelung wayar diperbuat daripada  lilitan kuprum. Dinamo dikendalikan atas perinsip aruhan magnet.

                                                                                                                Rajah 1: Dinamo Basikal

Rajah 2: Bahagian dinamo Basikal

Turbin Turbin adalah sejenis alat yang mempunyai rotor yang dapat diputar oleh aliran air, stim atau angin. Ia disambungkan kepada gandar yang disambungkan kepada penjana yang akan berputar dan menghasilkankuasa elektrik.

                                                                                                                Rajah 3: Turbin

B. Tindakan kimia sebagai Sumber Elektrik

Tindakan kimia juga boleh digunakan untuk menghasilkan arus elektrik

Sel Kering Voltan yang dihasilkan oleh sel kering adalah sebanyak  1.5 volt. Karbon yang berada di tengah-tengah bertindak sebagai punca positif. Campuran ammonium klorida dan mangan bertindak sebagai elektrolit. Dan bekas zink bertindak sebagai punca negatif. Ia tidak boleh dicas semula

Sel Basah Tenaga yang dihasilkan lebih tinggi daripada sel kering dan ia dapat dicas semula. Sel basah seperti sel asid plumbum terdiri daripada plumbum peroksida sebagai elektrod positif dan plumbum sebagai elektrod nagetif dan asid sulfurik cari sbagai elektrolitnya

C. Cahaya sebagai sumber elektrik Bahan kimia seperti selenium, natrium dan kalium dapat  ditukarkan kepada tenaga elektrik apabila menerima pancaran cahaya. Prinsip ini digunakan dalam sel solar pada kalkulator dan pada meter dedahan cahaya untuk  kamera.

2. Kegunaan Elektrik

Tenaga elektrik digunakan di dalam alat-alat elektrik. Alat-alat elektrik ini dapat menukarkan tenaga elektrik Kepada tenaga lain seperti tenaga cahaya, haba, kinetik dan bunyi.

A. Kegunaan elektrik untuk menghasilkan haba Pekakas elektrik yang menukarkan tenaga elektrik kepada tenaga haba menggunakan elemen pemanas yang diperbuat dari aloi nikel dan kromium. Contoh, cerek, periuk nasi dll .

                           

B. Kegunaan elektrik untuk menghasilkan tenaga kinetik Alat-alat elektrik yang digunakan untuk menukrrkan tenaga elektrik kepada tenaga kinetik adalah seperti kipas angin, mesin basuh mesin gerudi dll. Ini semua berasaskan motor elektrik.

C. Kegunaan elektrik untuk menghasilkan Cahaya Lampu ialah alat elektrik yang dapat menukarkan tenaga elektrik kepada tenaga cahaya. Lampu pijar menggunakan filamen manakala lampu pendarflour menggunakan gas argon dan merkuri untuk menghasilkan tenaga cahaya

.D. Kegunaan Elektrik untuk menghasilkan Bunyi Tenaga elektrik boleh ditukarkan kepada tenaga bunyi.Perkakas yang digunakan untuk menukarkan tenaga Elektrik kepada tenaga bunyi adalah seperti televisyen, telefon, pembesar suara dan radio