Pengenalan Kepada Mesin Elektrik- Medan Magnet

4.1                Pengenalan

Magnet ialah sejenis bahan yang boleh menarik sesuatu bahan  tertentu seperti besi dan sebagainya (iaitu kobalt dan nikel).  Bahan yang boleh ditarik oleh magnet dinamakan bahan magnet.Sifat seumpama ini iaitu keupayaan atau kebolehan sesuatu magnet menarik bahan magnet dikenali sebagai “kemagnetan” (iaitu daripada perkataan Magnesia tempat di mana bijih besi magnet mula dijumpai) kemagnetan seperti.Kemagnetan seperti juga elektrik, iaitu suatu daya yang tidak kelihatan (invisible force), Cuma kesan yang dihasilkan oleh daya boleh dilihat.Daya ini dikenali sebagai “daya kemagnetan” (magnetizing force).

   4.2    Medan magnet (Magnetic field)

·         Medan magnet – ialah ruang yang mengelilingi sesuatu magnet, di mana daya magnet dibangkitkan.

·         Garisan daya magnet ditakrifkan sebagai satu garisan dalam satu medan magnet, yang merupakan satu laluan menuju ke kutub utara, jika tiada halangan sepanjang laluan tersebut.

·         Takat neutral: ditakrifkan sebagai satu sempadan yang mana paduan medan magnet itu sifar.

·         Memplot medan-medan magnet:

-             dengan menggunakan kompas-pelotan.

-             Dengan menggunakan kaedah serbuk besi.

·         Medan magnet ialah pembentukan garisan fluks magnet (lines of magnetic flux) yang mempunyai sifat-sifat atau ciri-ciri medan magnet. 

·         Sifat-sifat medan magnet (pembentukan garisan fluks magnet):

i.         membentuk gelung tertutup.

ii.        tidak melintasi antara satu sama lain.

iii.      Mempunyai arah yang tertentu.

iv.      Menolak antara satu sama lain.

v.       Mempunyai ketegangan (tension) sepanjang jaraknya di mana ia cuba memendekkan setakat yang mungkin (tends to make them as short as possible).

Contoh 7-1:

Berdasarkan kepada sifat-sifat garisan daya magnet , lukiskan medan magnet paduan untuk magnet di Rajah 1-1 (a). 

Penyelesaian ditunjukkan dalam Rajah 1-1(b).

Rajah 7-1              Ciri-ciri medan magnet

4.3                Keelektromagnetan (Electromagnetism)

Suatu elektromagnet ialah lilitan wayar pada teras besi (atau gegelung) yang mempunyai kemagnetan seperti magnet kekal bila arus mengalir melaluinya.  Medan magnet boleh dihasilkan apabila arus mengalir melalui suatu pengalir, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 7-2.

Rajah 7-2    Uratdaya magnet terhadap arus

Arah medan magnet boleh ditentukan dengan:

i.                     Kompas

ii.                    Hukum tangan kanan.

iii.                  Hukum skru

        Rajah 7-3  Hukum Tangan Kanan          Rajah 7-4  Hukum Skru

Medan magnet adalah mengelilingi sepanjang pengalir yang membawa arus, iaitu bentuk medan magnet di sekeliling pengalir lurus ialah dalam bentuk selinder sepusat (concentric cylinders).  Ini ditunjukkan dalam Rajah 1-5 (a).  Arah uratdaya medan magnet adalah bergantung kepada arah arus yang mengalir daalam sesuatu pengalir.  Rajah 1-5(b) menunjukkan arah uratdaya yang mengikut arah putaran jam apabila arah arus dalam pengalir adalah menuju masuk ke dalam yang ditandakan dengan “+” di pusat penaglir.  Rajah 1-5(b) pula sebaliknya, iaitu arah arus menuju keluar, yang ditandakan dengan “·”, akan menghasilkan arah uratdaya medan magnet berlawanan arah putaran jam.  

       (a)  Medan magnet           (b)  Arah arus masuk           (c) Arah arus keluar 

                                                                                   sepanjang pengalir

Rajah 7-5   Polar  uratdaya medan magnet terhadap arus 

Contoh 7-2:

a)       Lukiskan medan magnet yang terbentuk apabila dua pengalir membawa arus diletakkan berdekatan:

i.                     Arus mengalir pada arah yang sama pada kedua-dua pengalir.

ii.                    Arus mengalir pada arah yang berlawanan antara kedua-dua pengalir


Penyelesaian 7-2:

                       (a)  Arah arus sama             (b) Arah arus berlawanan

7.4    Mentakrifkan

7.4.1           Daya gerak magnet d.g.m (Magnetomotive force)

Ialah daya gerak magnet dalam satu litar megnet berpasangan dengan daya gerak elektrik dalam litar elektrik.Ia boleh diperolehi dari medan magnet apabila arus mengalir melalui suatu gegelung dawai.

-          Daya yang mengeluarkan kesan magnet dinamai daya gerak magnet

Untuk 1 pengalir, dgm = arus dalam ampiar

Untuk N pengalir, dgm = IN ampiar

-          Simbolnya ialah Fm

-          Unitnya iaialh lilit-ampiar (LA)(Ampiar turns) (AT)

Iaitu   Fm = IN    (LA)

7.4.2           Engganan

-          Engganan atau reluktans dalam litar magnet ialah berpasangan dengan rintangan dalam litar elektrik.

-          Ialah sifat penentangan satu litar magnet terhadap wujudnya fluks magnet.

-          Simbolnya ialah S

Iaitu    S = dgm /f = Fm /f = IN/f

-          Unitnya ialah lilit-ampiar/weber

S = dgm /f = Fm /f = IN/f       (LA/Wb)

7.4.3           Kekuatan medan magnet

-          Ditakrifkan sebagai daya gerak magnet (Fm) yang menghasilkan fluks per unit panjang bagi litar magnet.

-          Dikenali juga sebagai Daya Pemagnetan dan simbolnya ialah H

-          Unitnya ialah lilit-ampiar/meter (LA/m)(AT/m)

-          Iaitu   H= dgm/l = Fm/l = IN/l     (lilit-ampiar/meter)

Catatan:  l = panjang lorong fluks ( flux path)

Untuk lorong bulat (Circular path), l= 2pr

H = IN/2pr  (LA/m)

7.4.4           Ketumpatan fluks

-          Ketumpatan fluks ialah ukuran bilangan garisan daya (f) per unit luas yang diambil bersudut tepat kepada arah fluks.

-          Simbolnya ialah B

-          Unitnya ialah  Wb/matau Tesla (T)

Iaitu B = f/A (weber/metersquare) atau Tesla

7.4.5           Telapan dan kebolehtelapan.

-          Ketelapan dalam satu litar magnet adalah berpasangan dengan aliran (conductance) dalam litar elektrik iaitu salingan bagi reluktans.

-          Unitnya ialah Wb/LA

-          Ketelapan dalam satu litar magnet ialah berpasangan dengan kealiran dalam litar elektrik.

-          Kebolehan sesuatu litar magnet untuk menghasilkan garisan (fluks) magnet di dalam suatu bahan yang terbentuk dengan suatu daya pemagnetan dinamai ketelapan.

-          Simbol untuk ketelapan ialah m (mm)
Iaitu  m == ketumpatan fluks/ daya pemagnetan

momr = B/H

m= ketelapan mutlak (obsolute permeability)

mo= ketelapan ruang bebas (free space ) 4p x
Henry/meter

mr= ketelapan bandingan (relative permeability

  = nisbah ketumpatan fluks suatu bahan kepada  ketumpatan fluks yang dihasilkan dalam hampagas (vacuum) oleh daya pemagnetan yang sama.

mr                  = untuk H yang sama

mr                  = B/Bo

Catatan: untuk udara, hampagas dan bahan bukan magnetic mr=1

Iaitu  m=mo

     

7.5  Membezakan bahan magnet dan bahan bukan magnet dari segi kebolehtelapan.

7.5.1           Bahan Bukan Magnetik (Non-magnetic)

-          bahan yang teidak memberikan sebarang kesan terhadap litar magnet.

-          Mempunyai ketelapan yang sama dengan ruang bebas                 iaitu  m = mo = 4p x

7.5.2           Bahan Magnetik

7.5.2.1             Bahan  “diamagnetic”

-          bahan yang memberi sedikit penentangan kepada fluks magnet

-          mempunyai ketelapan yang kecil sedikit dari ketelapan ruang bebas    m<mo

-          Contoh : perak, tembaga dan hidrogen

7.5.2.2             Bahan “paramagnetic”

-          bahan yang hanya terlalu sedikit bermagnet ( very slightly magnetic)

-          mempunyai ketelapan yang lebih sedikit daripada ketelapan ruang bebas iaitu   m>mo

-          Contoh: platinum, aluminium dan oksigen.

7.5.2.3             Bahan “ ferromagnetic”

-       bahan yang mempunyai ketelapan beratus kali besarnya daripada ketelapan ruang bebas iaitu   m>>mo

-               Contoh : Besi, Nikel dan kobalt.

Asas Motor Elektrik- Motor

7.7.1       Penghasilan putaran dalam motor A.T berdasarkan kepada Hukum (Daya) Ampiar dan persamaan F = BIL

Motor adalah merupakan mesin yang menukarkan tenaga elektrik kepada tenaga mekanik. Tindakannya adalah berdasarkan kepada prinsip di mana apabila satu pengalir yang membawa arus ditempatkan di dalam rnedan magnet, ia akan rnengalami satu daya mekaniak yang mernpunyai arah yang diberi oleh  Hukum Tangan  kiri Fleming dan magnitud yang boleh diberikan sebagai

F = B.I.1 Newton

Dari segi binaan, sebuah rnotor AT adalah serupa dengan penjana AT, malah sebagaimana yang telah dinyatakan dalam bahagian yang 1alu, sebuah mesin AT boleh saling tukar kegunaannya, sebagai sebuah penjana atau sebagai sebuah motor. Jenis motor AT juga dikelaskan serupa  seperti penjana; mengikut tatarajah sambungan medan dan angker; iaitu jenis pirau, siri dan majmuk.

Rajah 7.18a menunjukkan sepasang (satu belitan) pengalir ditempatkan merentasi teras angker di dalam rnedan magnet sebuah motor AT   2 kutub  yang mempunyai ketumpatan fluks yang seragam. Apabila arus dialirkan ke dalam pengalir tersebut, ia akan menghasilkan fluks sepusat di sekelilingnya. Seandainya pengalir di sebelah kanan membawa arus ke dalam manakala pengair di sebelah kiri pula membawa arus ke luar maka fluks yang dihasilkan oieh kedua-dua pengalir tersebut adalah seperti yang ditunjukkan dalam Rajah  7.18b Gabungan kedua-dua fluks yang dihasilkan oleh pengalir angker dan kutub utama ditunjukan da1am Rajah 7.18c.

Dalam contoh yang ditunjukkan tersebut, kita dapati bahawa ketumpatan fluks adatah tertinggi di bahagian atas pengalir di sebelah kanan yang terletak di bawah kutub S dan di bahagian bawah pengalir sebelah kiri yang terletak di bawah kutub U. Hasil daripada keadaan ketidakseimbangan tersebut, pengalir di sebelah kanan mengalami satu daya yang berkecenderungan untuk menggerakkannya ke bawah manakala pengalir di sebelah kiri pula rnengalami satu daya yang berkercenderungan untuk menggerakkannya ke atas. Seandainya  pengalir tersebut dilekapkan ke atas struktur  yang bebas untuk berputar maka dayakilas paduan akan menghasilkan putaran dalam arah  ikut jam.

Rajah 7.18  Prinsip tindakan motor hasil daripada proses saling tindak  di antara medan magnet yang dihasi1kan oleh kutub utama dan pengalir yang membawa arus.

Andainya kini arah arus di dalam pengalir tadi disongsangkan, kita akan dapati bahawa angker akan berputar dalam arah yang berlawanan. Hasil yang sama juga diperolehi sekiranya kekutuban medan utama disongsangkan. Dengan ini dapatlah dirumuskan bahawa putaran motor AT boleh dibalikkan dengan menukar arah arus angker atau arah arus medan, tetapi tidak kedua-duanya. Motor tidak akan bertukar arah putaran sekiranya kedua arah, arus angker dan arus medan ditukar seren taR.

Di dalam konteks tindakan sebenar bagi motor yang menggunakan angker yang berlubang alur, dayakilas yang terhasil bukanlah disebabkan oleh daya rnekanik ke atas pengalir secara mutlak, tetapi disebabkan oleh tarikan tangen ke atas gigi angker seperti yang ditunjukkan Rajah 7.19. Rajah 7.19a menunjukkan agihan fluks medan utama; yang kelihatan lebih tertumpu pada gigi angker manakala fluks angker melingkungi lubang alur. Kesan yang ditimbulkan oleh fluks angker ke atas fluks utama ialah:

(a)  Ia meninggikan fluks pada bahagian kiri gigi angker dan inengurangkan fluks pada sebelah kanan gigi angker.

(b) Ia mencondongkan arah urat daya di celah udara seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 7.19b. Tarikan yang dikenakan oleh kutub ke atas gigi angker boleh dileraikan ke dalam dua komponen; satu komponen tangen Fl dan satu komponen menegak  F2. Tetapi sekiranya semua komponen menegak F2 yang terdapat pada setiap gigi di persisian angker digabungkan, ia akan menjadi sitar. Tetapi tidak bagi F1, malah komponen inilah yang bertindak ke atas gigi angker yang menghasilkan dayakilas.

 (a)

(b)

Rajah 7.19  Tarikan kutub ke atas gigi angker

7.7.2       D.g.e Balikan

Apabila motor berputar, pengalir angker akan memotong fluks dan berdasarkan kepada hokum aruham electromagnet,d.g.e akan teraruh di dalamnya. Menurut petua tangan kanan fleming, arah  d.g.e yang teraruh ini adalah berlawanan dengan voltan bekalan seperti yang ditunjukkan dalam rajah di bawah. Dan disebabkan oleh arahnya yang bertentangan itu, ia dirujuk sebagai d.g.e balikan Eb.

Penghasilan  d.g.e balikan inilah yang memungkinkan  pertukaran tenaga  dari elektrik ke mekanik berlaku dalam motor AT.Pergerakan angker dalam menghasilkan d.g.e balikan Eb bolehlah diibaratkan seperti meletakkan bateri yang mempunyai bezaupaya Eb merintangi bekalan utama V volt.Untuk menghasilkan arus Ia, semestinyalah V terpaksa menghadapi tentangan daripada Eb. Dan kuasa yang diperlukan untuk mengatasi tentangan tersebut ialah:

   Rajah 7.20

                                P     =  Eb. Ia watt

Dimana            Eb   =  ØPZn/a volt         n = kelajuan putaran angker dalam pss                                                                          

                                Ia     ==A

                                                                                               

                                                                                                                             

                                                                Ra    =  rintangan litar angker

Daripada persamaan di atas dapat diperhatikan bahawa d.g.e balikan bergantung kepada kelajuan putaran angker. Apabila kelajuan tinggi, Eb juga tinggi dan arus Ia kecil. Jika kelajuan kurang maka Eb akan menurun menyebabkan Ia tinggi untuk menghasilkan lebih .dayakilas