ASAS ELEKTRIK

OBJEKTIF PEMBELAJARAN

1. MENGETAHUI KONSEP DAN PRINSIP ELEKTRIK DAN LITAR ASAS 
   DI APLIKASIKAN
2. MENGENAL PASTI PUNCA TENAGA ELEKTRIK
3. MENGETAHUI BAGAIMANA PENGALIRAN ARUS 
4. MENGENAL PASTI ISTILAH ELEKTRIK
5. MENGENAL PASTI HUKUM ELEKTRIK

TEORI ELEKTRON

Elemen atom

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 bebas

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