3.6 · Generating and distributing electricity and household use

Pembangkitan dan distribusi listrik

Gerakkan magnet, gerakkan arus — muncul p.d. Topik keenam OxfordAQA menelusuri seluruh rantai mulai dari efek generator hingga transformator jaringan nasional hingga peralatan dan sistem keselamatan di rumah. Semua pernyataan dalam topik ini adalah Paper-2 (P).

OxfordAQA International GCSE Physics 9203, topik 3.6 (Versi 5.1) — seluruhnya konten (P).

Pembangkitan listrik (P)

Efek generator menginduksi p.d. pada konduktor yang bergerak melalui medan magnet, atau berada dalam medan yang berubah. Balik gerakan atau polaritas, maka p.d. yang terinduksi akan berbalik; medan sendiri arus terinduksi melawan perubahan tersebut. P.d. meningkat dengan gerakan lebih cepat, medan lebih kuat, lebih banyak lilitan, dan luas kumparan lebih besar.

Alternator memutar kumparan dalam medan untuk menghasilkan a.c.; dynamo menghasilkan d.c. — pahami grafik p.d.–waktu. Pembangkit listrik memutar turbin untuk memutar kumparan di antara magnet.

Transmisi, transformator, dan rumah tangga (P)

Dari stasiun hingga stopkontak, setiap watt menempuh rantai kumparan dan kabel yang sama.

Untuk daya tertentu, tegangan transmisi tinggi berarti arus rendah sehingga pemanasan kabel sangat minim. Trafo terdiri dari dua kumparan pada inti besi lunak: arus bolak-balik di kumparan primer menghasilkan medan yang berubah dan menginduksi beda potensial di kumparan sekunder.

Step-up before the lines, step-down after; switch-mode transformers (50–200 kHz) are small and light — phone chargers.

Worked check. A transformer steps 25 kV up to 400 kV with 1000 primary turns: $n_s = 1000 \times 400/25 = 16\,000$ turns. At 100 MW the line current is $I = P/V = 10^8/(4 \times 10^5) = 250$ A.

Contoh terpecahkan (P) (transformator penurun tegangan). Transformator laptop mengubah 230 V menjadi 11.5 V; kumparan primer memiliki 2000 lilitan. $n_s = 2000 \times 11.5/230 = 100$ lilitan. Jika memberikan 2.0 A ke laptop dan efisiensi 100%, arus primer adalah $I_p = V_s I_s / V_p = 11.5 \times 2.0 / 230 = 0.10$ A. Tegangan lebih rendah di satu sisi selalu berarti arus lebih tinggi di sisi tersebut.

Contoh terpecahkan (P) (membaca jejak). Satu siklus lengkap dari jejak listrik utama pada osiloskop mencakup 4 kotak pada 5 ms per kotak. Periode $= 4 \times 5 = 20$ ms $= 0.020$ s, sehingga frekuensi $= 1 \div 0.020 = 50$ Hz.

Sel menghasilkan d.c.; listrik utama adalah a.c. dengan frekuensi dan tegangan tetap — baca periode dan frekuensi dari jejak bergaya osiloskop. Keselamatan: pembumian mengalirkan arus kesalahan dari casing logam; sekeret meleleh atau pemutus sirkuit aktif pada arus berlebih — pemutus sirkuit dapat diatur ulang, dan waktu aktifnya bergantung pada desain dan arus kesalahannya; alat berisolasi ganda tidak memerlukan pembumian.

Efek motor (P)

Kawat bermuatan arus di dalam medan magnet mengalami gaya (nol jika sejajar dengannya). Gaya meningkat dengan medan yang lebih kuat, arus lebih besar, dan panjang kawat lebih banyak di dalam medan; balikkan salah satu untuk membalik arah gaya — aturan tangan kiri Fleming memprediksi arahnya.

Contoh terpecahkan (P) (menggunakan aturan tangan kiri). Kawat berada antara kutub N di kiri dan S di kanan, sehingga medan mengarah ke kanan; arus mengalir masuk ke dalam halaman. Jari pertama ke kanan, jari kedua masuk ke dalam halaman: ibu jari menunjuk ke bawah, sehingga kawat didorong ke bawah. Balikkan arus (atau kutub-kutubnya) dan gayanya menjadi ke atas.

*Aturan tangan kiri Fleming: medan, arus, dan gaya saling tegak lurus.

Kumparan bermuatan arus di dalam medan akan berputar — ini adalah motor listrik.

Transfer energi listrik (P)

Label peralatan menunjukkan daya; hitung arus untuk memilih sekeret, serta energi dalam kilowatt-jam untuk penagihan (E = Pt; biaya = kWh × harga per unit, baca dari pembacaan meteran).

Pengecekan terarah. Pemanas 2.0 kW selama 3 jam menggunakan 6.0 kWh; pada tarif 0.9 per kWh, biayanya adalah 5.4. Ketel 230 V, 1.1 kW menarik arus I = 1100/230 ≈ 4.8 A — pasang sekring 5 A atau 13 A (rating berikutnya di atasnya).

Contoh terpecahkan (P) (pembacaan meter). Meter listrik menunjukkan 12 345 kWh di awal bulan dan 12 465 kWh di akhir bulan. Energi yang digunakan $= 12\,465 - 12\,345 = 120$ kWh; pada 0.9 per kWh, tagihannya adalah $120 \times 0.9 = 108$. Pemanas 1500 W yang dibiarkan menyala selama 30 menit menggunakan $1.5\ \text{kW} \times 0.5\ \text{h} = 0.75$ kWh: ubah W ke kW dan menit ke jam terlebih dahulu.

Kesalahan umum

• (P) Menyatakan bahwa transformator bekerja pada d.c. Memerlukan a.c., karena hanya arus berubah yang membuat medan berubah di inti.
• (P) Menyatakan bahwa transformator peningkat tegangan meningkatkan daya. Meningkatkan tegangan dan menurunkan arus; pada kondisi terbaik dayanya tetap sama.
• (P) Menyatakan tegangan tinggi digunakan karena perjalanan lebih cepat. Ini berarti arus rendah, sehingga lebih sedikit energi hilang memanaskan kabel.
• (P) Menggunakan watt dan detik untuk kWh. Gunakan kilowatt dan jam: $E\,(\text{kWh}) = P\,(\text{kW}) \times t\,(\text{h})$.
• (P) Memilih sekeret di bawah arus kerja. Gunakan rating berikutnya di atas arus tersebut.
• (P) Menyatakan gaya motor terbesar ketika kawat sejajar dengan medan. Tidak ada gaya saat itu; terbesar pada sudut siku-siku.
• (P) Menyatakan tegangan diinduksi dalam kawat diam di medan stabil. Kawat harus bergerak, atau medan harus berubah.

Periksa diri Anda

1. Sebutkan dua cara untuk menginduksi beda potensial dalam sebuah konduktor.
2. Sebutkan tiga faktor yang meningkatkan besar beda potensial yang terinduksi.
3. Gambarlah grafik beda potensial–waktu dari alternator dan dinamo.
4. Why does the grid transmit at high voltage?
5. Sebuah transformator memiliki 200 lilitan primer dan 3000 lilitan sekunder pada tegangan a.c. 12 V. Hitung beda potensial sekundernya.
6. Nyatakan persamaan rasio lilitan dan daya untuk transformator yang efisiensi-nya 100 %.
7. Jelaskan bagaimana pembumian dan sekring melindungi pengguna bersama-sama.
8. Nyatakan aturan tangan kiri Fleming.
9. Hitung arus dari pemanas 230 V, 2.3 kW, dan tentukan sekring yang sesuai.
10. Hitung energi dalam kWh yang digunakan oleh ketel 1.5 kW selama 20 menit.

Answers: 1 move the conductor through a field; place it in a changing magnetic field; 2 faster motion; stronger field; more turns (also larger coil area); 3 alternator — a sine wave about zero; dynamo — humps all above (or all below) the axis; 4 for the same power the current is smaller, so I²R heating losses in the cables are far lower; 5 $V_s = 12 \times 3000/200 = 180$ V; 6 $V_p/V_s = n_p/n_s$ and $V_p I_p = V_s I_s$; 7 the earth wire gives the fault current a path to earth, and the surge blows the fuse, disconnecting the live wire; 8 first finger Field, second finger Current, thumb Motion — mutually at right angles; 9 I = 2300/230 = 10 A — use a 13 A fuse; 10 t = 1/3 h, so E = 1.5 × 1/3 = 0.5 kWh.