Semua benda adalah terdiri dari gabungan molekul yang membentuk atom. Atom mempunyai nuklius bersama elektron yang mengorbit di sekelilingnya. Nuklius terdiri dari susunan elektron dan neutron, yang biasanya mempunyai bilangan yang sama. Elektron mempunyai cas negatif (-) dan proton pula mempunyai cas positif (+) serta neutron tiada cas (neutral). Cas negatif pada elektron diimbangi oleh cas positif pada proton. Elektron mengelilingi orbit oleh tarikan proton seperti rajah di bawah.
Elektron di linkaran luar boleh menjadi bebas dari orbitnya apabila dikenakan tekanan luar untuk bergerak melalui medan magnet, geseran atau tindakan kimia. Ianya selalu dirujuk sebagai elektron bebas. Elektron bebas meninggalkan ruang kosong yang kemudiannya diisi oleh elektron lain yang juga diberi tekanan dari lain-lain atom. Elektron bebas yang bergerak dari satu atom ke atom yang lain disebut aliran elektron. Ini adalah asa elektrisiti.
KONDUKTOR, PENEBAT DAN SEMI-KONDUKTOR
Konduktor
Arus elektrik ialah hasil dari elektron bebas yang bergerak dari satu atom ke atom yang lain. Bahan yang membenarkan elektron bergerak dengan bebas melaluinya dipanggil konduktor. Kuprum, perak, aluminium, zink, tembaga dan besi adalah bahan konduktor yang baik. Kuprum adalah bahan konduktor yang paling banyak digunakan dan murah.
Penebat (insulator)
Bahan yang tidak membenarkan atau membenarkan sedikit sahaja elektron terbebas disebut penebat. Bahan seperti plastik, getah, kaca, mika dan seramik adalah penebat yang baik.
Kabel elektrik adalah satu contoh yang baik bagaimana konduktor dan penebat ini digunakan. Elektron mengalir di sepanjang konduktor kuprum memberikan tenaga kepada peralatan elektrik seperti lampu, radio
atau motor elektrik. Penebat menyalut sekeliling konduktor untuk mengekalkan elektron dalam konduktor.
Semi-konduktor
Bahan semi-konduktor seperti silicon digunakan dalam pebuatan barangan elektrik atas sifatnya yang boleh menjadi konduktor dan penebat. Banyak peralatan semi-konduktor bertindak menjadi konduktor apabila dikenakan tekanan luar dari satu arah. Apabila tekanan luar dikenakan dari arah yang berlainan menjadikannya bertindak sebagai penebat. Prinsip ini menjadi asa kepada transistor, diod dan lain-lain solidstate elektronik yang lain.
CAS ELEKTRIK
Neutral atom
Elemen selalunya diidentitikan pada bilangan elektron dalam orbit sekeliling nuklius atom, membentuk elemen dan bilangan proton dalan nuklius. Contohnya atom hidrogen yang hanya mempunyai satu elektron dan satu proton. Atom aluminium pula mempunyai 13 elektron dan 13 proton. Atom yang mempunyai bilangan elektron dan proton yang sama banyak disebut neutral elektrikal (electrically neutral).
Cas positif dan negatif
Elektron di lingkaran luar atom dengan mudah dipindahkan oleh tekanan luar yang dikenakan. Elektron yang
dipaksa keluar dari orbit akan menyebabkan elektron yang tinggal berkurangan. Kekurangan elektron disebut positif cas disebabkan kelbihan bilangan proton berbanding elektron. Cas positif atau negatif adalah disebabkan kekurangan atau kelebihan bilangan elektron. Bilangan proton adalah sentiasa tetap.
Tarikan dan tolakan cas elektrik
‘Berlainan menarik’ adalah benar bila merujuk kepada cas elektrik. Cas badan mempunyai medan elektrik yang tak kelihatan di sekelilingnya. Bila dua cas badan yan sama digandingkan, medan elektriknya akan bekerja untuk menolak antara satu sama lain. Medan elektrik sekeliling cas badan diwakili oleh garisan tekanan yang tak kelihatan. Garisan ini mewakili medan elektrik untuk menyebabkan berlaku penolakan dan penarikan. Garisan tekanan menunjukkan ia meninggalkan badan dengan cas positif dan datang ke badan dengan cas negatif.
Coulomb’s law
Satu hukum yang menyatakan tekanan untuk tarikan atau tolakan bergantung pada kekuatan cas badan dan
jarak antaranya. Elektrisi adalah aliran elektron bebas di dalam konduktor dari satu atom ke atom yang lain di dalam arah yang sama. Aliran elektron ini dirujuk sebagai arus (current) dan diwakili oleh simbol I. Elektron bergerak melalui konduktor pada kadaran yang berbeza dan nilai arus elektrik berbeza. Arus ditentukan oleh bilangan elektron yang melalui konduktor dalam sesaat. Perlu diingat atom adalah sangat kecil, memerlukan kira-kira 1,000,000,000,000,000,000,000,000 (1024) atom untuk memenuhi satu sentimeter padu konduktor kuprum. Atas sebab ini arus diukur dalam ampiar, simbolnya ialah A. Arus satu ampiar dalam sesaat bersamaan 6.24 x 1018 elektron bergerak menerusi konduktor.
ARUS
Unit ukuran arus
Arah aliran arus
Sesetengah pihak membezakan antara aliran elektron dan aliran arus. Lazimnya teori aliran arus mengabaikan aliran elektron dan menyatakan aliran arus adalah dari positif ke negatif. Untuk mengelakkan kekeliruan pada pelajaran ini menggunakan konsep aliran elektron yang menyatakan aliran elektron dari negatif ke positif.
VOLTAN
Elektrisiti beleh diumpamakan dengan air yang mengalir melalui paip, daya tekanan diperlukan untuk menolak air mengalir melalui paip. Tekanan ini datangnya sama ada dari pum atau graviti. Voltan adalah daya tekanan yang dikenakan pada konduktor yang menyebabkan arus elektrik mengalir.
Kuasa yang diperlukan untuk membuat elektrisiti mengalair melalui konduktor disebut perbezaan upaya,
daya gerak elektrik (d.g.e) atau electromotive force (emf), secara mudahnya dirujuk sebagai voltan. Simbol
yang digunakan sama ada E atau V. Unit ukuran voltan ialah volt.
Sumber elektrik
Voltan elektrik boleh dihasilkan dengan berbagai cara. Bateri menggunakan menggunakan elektro-kimia dalam proses menghasilakan elektrik. Kenderaan menggunakan dinamo arus tukar (alternator) dan stesen janakuasa menafaatkan proses aruhan magnetik (magnetic induction) untuk mendapatkan elektrik. Sumber voltan berkongsi sifat kelebihan elektron pada satu terminal dan kekurangan pada satu terminal. Menghasilkan beza upaya (difference of potential) antara dua terminal.
Simbol voltan dalam litar
Simbol terminal pada bateri ditunjukkan seperti dalam rajah. Garaiasan panjang adalah terminal positif dan
garisan pendek adalah terminal negatif.
Unit ukuran voltan
RINTANGAN (RESISTANCE)
Fakta ketiga yang memainkan peranan dalam litar elektrik ialah rintangan (resistance). Semua bahan
menghalang pengaliran arus elektrik mengikut takat tertyentu. Banyaknya rintangan bergantung kepada
gabungan antara panjang, keratan rentas (cross-section) dan suhu ikatan bahan.
Rintangan pada konduktor akan meningkat bila panjang bertambah dan keratan rentas berkurang. Simbol
rintangan adalah R dan unit ukurannya adalah ohms (Ω).
Simbol litar rintangan
Terdapat dua simbol yang selalu digunakan dalam lukisan elektrik yang menunjukkan rintangan.
Rintangan boleh didapati di dalam berbagai komponen. Perintang (resistor) boleh diletak dalam litar atau
lain-lain peralatan yang mengandungi perintang.
Unit ukuran rintangan
LITAR MUDAH ELEKTRIK
Litar elektrik
Asas perhubungan telah pun antara arus, voltan dan rintangan. Satu litar mudah diperbuat menunjukkan bekalan voltan, beban dan konduktor yang mengalirkan elektron antara voltan bekalan dan beban. Litar berikut menunjukkan bateri sebagau sumber voltan, wayar sebagai konduktor dan lampu sebagai perintang. Komponen tambahan yang diperlukan di dalam litar ialah suis.
Memerlukan jalan yang lengkap untuk arus mengalir. Jika suis dibuka lampu tidak menyala dan jika suis ditutup lampu akan menyala. Ini kerana dengan menutup suis, elektron telah dibenarkan meninggalkan terminal negatif dan mengalir melalui lampu dan terus ke terminal positif.
Litar skimatik elektrik
Skimatik berikut menunjukkan litar elektrik yang terdiri daripada bateri, perintang, voltmeter dan ammeter. Ammeter disambung siri dalam litar untuk mengukur arus yang mengalir. Voltmeter di sambug selari dengan sumber voltan dan menunjukkan nilai voltan bekalan dari bateri. Sebelum analisa dapat dilakukan dari litar ini, kefahaman tentang Hukum Ohms diperlukan
HUKUM OHMS
Formula perhubungan antara arus, voltan dan rintangan telah diketahui pada kurun ke 19. Hukum Ohms menyatakan arus berubah mengikut voltan dan balikan dengan rintangan. Formulanya seperti berikut:
Hukum Ohms adalah formula asas yang digunakan di dalam semua litar elektrik.
Contoh penggunaan Hukum Ohms
Dengan menggunakan litar di bawah katakan voltan bekalan bateri ialah 10 volt dan perintangnya ialah 5Ω.
Berapakah arus yang digunakan?
Menggunakan litar yang sama, katakan bacaan ammeter ialah 200mA dan rintangannya 10Ω. Kira nilai voltan yang diperlukan.
LITAR SIRI DC
Rintangan dalam litar siri dan formula
Rt = R1 + R2 + R3 + R4
Diberikan litar siri di mana R1= 11kΩ , R2 = 2kΩ, R3 = 2kΩ, R4 = 100 Ω dan R5 = 1kΩ. Berapakah jumlah nilai rintangan.
Rt = R1 + R2 + R3 + R4 + R5
Rt = 11000 + 2000 + 2000 + 100 + 1000
Rt = 16000Ω
Arus dalam litar siri
Voltan dalam litar siri
Voltan boleh diukur melintasi tiap rintangan dalam litar, ini dirujuk sebagai susutan voltan (voltage drop).
Jumlah rintangan:
Rt = 1.5 +1.5 + 1.5 +1.5
Rt = 6Ω
Nilai arus:
I = 2 amps
Nilai voltan melintasi rintangan:
E = I x R
E = 2 x 6
E = 12 volts
Pecahan voltan dalam litar siri
Seringkali diperlukan untuk mencari keupayaan voltan (potential voltage) yang lebih kecil dari voltan bekalan. Untuk itu pecahan voltan seperti dalam lukisan boleh digunakan.
Rintangan Rt = R1 + R2
Rt = 5 + 20
Rt = 25 Ω
Arus I=E in / Rt
I=50/25
I = 2 amps
Voltan R2 Eout = I x R2
Eout = 2 x 20
Eout = 40 volts
