Contoh soalan dan formula untuk tenaga dan kuasa elektrik
Tenaga dan Kuasa Elektrik
1. Kadar elektrik setiap kWh ialah Rp. 400. Di dalam sebuah rumah, sebuah TV 100 Watt berfungsi selama purata 4 jam sehari, dan dua lampu 20 Watt setiap satu digunakan selama 10 jam sehari. Kos penggunaan elektrik sebulan (30 hari) ialah….
A. Rp. 4.800,-
B. Rp. 9.600,-
C. Rp. 19.200,-
D. Rp. 21.120,-
Perbincangan
Adalah diketahui bahawa:
Tarif elektrik ialah Rp. 400/kWh
Kuasa TV = 1 x 100 Watt = 100 Watt dan masa penggunaan TV = 4 jam x 30 = 120 jam
Kuasa lampu = 2 x 20 Watt = 40 Watt dan masa penggunaan lampu = 10 jam x 30 = 300 jam
Ditanya: Kos penggunaan elektrik sebulan
Jawapan:
Tenaga elektrik = kuasa elektrik x masa penggunaan
Tenaga elektrik TV = 100 Watt x 120 jam = 12.000 Watt jam
Tenaga lampu = 40 Watt x 300 jam = 12.000 Watt jam
Jumlah tenaga = 12.000 Watt jam + 12.000 Watt jam = 24.000 Watt jam = 24 kilo Watt jam = 24 kilo Watt jam = 24 kWh
Kos penggunaan elektrik sebulan = (24 kWh)(Rp. 400/kWh) = (24)(Rp. 400) = Rp. 9.600,-
Jawapan yang betul ialah B.
2. Dua lampu, setiap satunya berlabel 24 Watt / 12 Volt, disambungkan secara selari, kemudian disambungkan secara siri dengan perintang 2 Ohm. Litar ini kemudiannya disambungkan kepada sumber voltan supaya kedua-dua lampu menyala hanya pada 25% daripada kecerahan maksimumnya. Jika satu lampu tiba-tiba rosak, lampu yang satu lagi akan menyala dengan kuasa….
A. 12 Watt
B. 7,5 Watt
C. 6 Watt
D. 3 Watt
Perbincangan
Formula kuasa:
P = VI
I = PV
atau
P = VI —–> I = V / R
P = V (V / R)
P = V2 /r
R = V2 / P
atau
P = VI —–> V = IR
P = (IR) I
P=I2 R
I2 = P / R
Penerangan: P = kuasa elektrik, V = voltan elektrik, I = arus elektrik, R = rintangan lampu
Kirakan rintangan litar:
Dua lampu setiap satu ditanda 24 Watt / 12 Volt, bermakna setiap lampu akan menyala pada kuasa maksimum 24 Watt apabila disambungkan kepada voltan 12 Volt.
Rintangan setiap lampu dikira menggunakan formula kuasa:
R = V2 / P = 122 / 24 = 144 / 24 = 6 Ohm
Kedua-dua lampu disambungkan secara selari jadi rintangan setara ialah:
1 / R12 = 1/R1 +1/R2 = 1/6 + 1/6 = 2/6
R12 = 6/2 = 3 Ohm
Kedua-dua lampu disambungkan secara sesiri dengan perintang 2 Ohm jadi rintangan setara ialah:
R = 3 Ohm + 2 Ohm = 5 Ohm
Jadi rintangan litar = R = 5 Ohm.
Kira arus elektrik yang mengalir dalam litar:
Jika kedua-dua lampu menyala dengan tahap kecerahan 25% maka kedua-dua lampu menyala dengan kuasa 25/100 x 24 Watt = 1/4 x 24 = 24/4 = 6 Watt.
Arus elektrik yang mengalir melalui lampu dikira menggunakan formula kuasa:
I2 = P / R = 6 Watt / 6 Ohm = 1 Ampere
Arus elektrik yang mengalir melalui setiap lampu ialah 1 Ampere. Kedua-dua lampu disambungkan secara selari, jadi mengikut hukum pertama Kirchhoff, jumlah arus elektrik yang mengalir melalui kedua-dua lampu ialah 2 Ampere. Kedua-dua lampu disambungkan secara sesiri dengan perintang 2 Ohm, jadi arus elektrik yang mengalir melalui perintang 2 Ohm juga ialah 2 Ampere.
Jadi arus elektrik yang mengalir dalam litar = I = 2 Ampere.
Kira voltan sumber emf:
Voltan elektrik ialah:
V = IR = (2 Ampere)(5 Ohm) = 10 Volt
Ini ialah voltan sumber EMF yang nilainya tidak berubah sama ada sebelum salah satu lampu rosak atau selepas salah satu lampu rosak.
Kirakan rintangan litar selepas salah satu lampu putus:
Jika salah satu lampu rosak, lampu lain yang masih menyala akan disambungkan secara bersiri dengan perintang 2 Ohm. Oleh itu, rintangan litar berubah kepada:
R = 6 Ohm + 2 Ohm = 8 Ohm
Kira arus elektrik yang mengalir dalam litar selepas salah satu lampu terputus:
Arus elektrik yang mengalir dalam litar tersebut ialah:
I = V / R = 10 Volt / 8 Ohm = 1,25 Ampere
Lampu dan perintang disambungkan secara bersiri supaya arus elektrik yang mengalir dalam litar = arus elektrik yang mengalir dalam lampu = arus elektrik yang mengalir dalam perintang.
Kira kuasa lampu:
Selepas salah satu lampu rosak, lampu-lampu lain menyala dengan kuasa:
P = VI = (10 Volt)(1,25 Ampere) = 12,5 Watt
Pergerakan elektron
3. Jisim elektron diketahui sebagai 9,1 x 10-31 kg dan cas elektron 1,6 x 10-19 C. Beza keupayaan yang diperlukan untuk memecut elektron daripada kadar 1 x 105 m/s menjadi 3 x 105 m/s ialah….
A. 28,4375 mV
B. 56,875 mV
C. 113,75 mV
D. 227,5 mV
Perbincangan
Adalah diketahui bahawa:
Jisim elektron (m) = 9,1 x 10-31 kg
Cas elektron (q) = 1,6 x 10-19 C
Halaju awal (vo) = 1 x 105 m/s —> vo2 = 1 x 1010 m2/s2
Halaju akhir (vt) = 3 x 105 m/s —> vt2 = 9 x 1010 m2/s2
Ditanya: Beza keupayaan (V) yang diperlukan untuk memecutkan elektron
Jawapan:
Perubahan tenaga keupayaan elektrik = q V = (1,6 x 10-19 C) V
Perubahan tenaga kinetik = EKt – EKo = 1/2 m (vt2 - vo2) = 1/2 (9,1 x 10-31 kg)(9 x 1010 m2/s2 - 1 x 1010 m2/s2) = (4,55 x 10-31 kg)(8 x 1010 m2/s2) = 36,4 x 10-21 kg m2/s2
Tenaga adalah abadi supaya tenaga keupayaan elektrik berubah menjadi tenaga kinetik:
EPL tewas = EK muncul
(1,6x10-19) V = 36,4 x 10-21
V = 36,4 x 10-21 / 1,6 x 10-19
V = 22,75 x 10-2 Volt
V = 227,5 x 10-3 Volt
V = 227,5 miliVolt
Jawapan yang betul ialah D.
4. Soalan Olimpiad Sains Kebangsaan 2011 untuk Sekolah Menengah Rendah di Peringkat Daerah/Bandar No. 56
Dalam sebuah makmal, pancaran elektron ditembakkan ke arah utara. Dari atas, diperhatikan bahawa pancaran itu membengkok ke kiri. Kemudian, pancaran elektron ditembakkan ke arah selatan. Dari atas, diperhatikan bahawa pancaran itu membengkok ke kiri. Ini bermakna terdapat…
A. medan elektrik yang menghala ke barat
B. medan elektrik yang menghala ke timur
C. medan magnet yang menghala ke atas
D. medan magnet yang menghala ke bawah
Perbincangan
Elektron bercas elektrik dan boleh digerakkan oleh daya elektrik atau magnet apabila ia berada dalam medan elektrik atau magnet. Perbezaannya ialah daya elektrik boleh menggerakkan elektron semasa ia berehat dan semasa ia bergerak, manakala daya magnet hanya boleh menggerakkan elektron apabila ia bergerak.
Satu lagi perbezaan ialah daya elektrik berada dalam arah yang sama dengan medan elektrik, manakala daya magnet berserenjang dengan medan magnet. Jadi, jika elektron digerakkan oleh daya elektrik, arah gerakannya adalah sama dengan arah medan elektrik. Sebaliknya, jika elektron digerakkan oleh daya magnet, arah gerakannya adalah sama dengan arah daya magnet, iaitu berserenjang dengan arah medan magnet.
Berdasarkan soalan di atas, nampaknya apabila elektron ditembak ke utara, ia akan terpesong ke kiri (ke arah barat), dan apabila ia ditembak ke selatan, ia akan terpesong ke kiri (ke arah timur). Jika elektron dipesongkan oleh daya elektrik, maka arah daya elektrik, yang sama dengan arah medan elektrik, sentiasa berubah. Arah medan elektrik hendaklah malar. Oleh itu, elektron tidak dipesongkan oleh daya elektrik.
Dapat disimpulkan bahawa daya magnet memesongkan elektron. Untuk menentukan arah daya magnet (arah elektron dipesongkan), arah medan magnet, dan arah elektron dipecat, gunakan petua tangan kanan.
Gunakan petua tangan kanan seperti yang dijelaskan di bawah. Luruskan tangan kanan anda, luruskan ibu jari anda dan tutup empat jari anda yang lain. Letakkan ibu jari anda supaya ia menghala ke utara (arah pergerakan elektron) dan empat jari anda menghala ke barat (arah daya magnet = arah pesongan elektron), kemudian belakang tangan kanan anda akan menghala ke bawah (arah medan magnet). Sebaliknya, letakkan ibu jari anda supaya ia menghala ke selatan (arah pergerakan elektron) dan empat jari anda menghala ke timur (arah daya magnet = arah pesongan elektron), kemudian belakang tangan kanan anda akan menghala ke bawah (arah medan magnet). Dapat disimpulkan bahawa elektron berada dalam medan magnet yang menghala ke bawah.
Jawapan yang betul ialah D.
Sumber soalan:
Soalan OSN Fizik Sekolah Menengah Rendah
