STUDY Fizik Tingkatan studymaniaRujukan lengkap Ringkas . Padat . Komprehensif MANIA yong ii yang FIZIKSPM Berwarna! Halaman 4&5 Tingkatan4&5
iv KANDUNGAN TINGKATAN 4 PENGUKURAN BAB 1 1.1 Kuantiti Fizik 1 1.2 Penyiasatan Saintifik 5 DAYA DAN GERAKAN I BAB 2 2.1 Gerakan Linear 11 2.2 Graf Gerakan Linear 19 2.3 Gerakan Jatuh Bebas 25 2.4 Inersia 28 2.5 Momentum 31 2.6 Daya 35 2.7 Impuls dan Daya Impuls 37 2.8 Berat 38 KEGRAVITIAN BAB 3 3.1 Hukum Kegravitian Semesta 39 Newton 3.2 Hukum Kepler 46 3.3 Satelit Buatan Manusia 48 HABA BAB 4 4.1 Keseimbangan Terma 53 4.2 Muatan Haba Tentu 56 4.3 Haba Pendam Tentu 61 4.4 Hukum Gas 67 GELOMBANG BAB 5 5.1 Asas Gelombang 75 5.2 Pelembapan dan Resonans 79 5.3 Pantulan Gelombang 79 5.4 Pembiasan Gelombang 83 5.5 Pembelauan Gelombang 85 5.6 Interferens Gelombang 89 5.7 Gelombang Elektromagnet 92 CAHAYA DAN OPTIK BAB 6 6.1 Pembiasan Cahaya 95 6.2 Pantulan Dalam Penuh 100 6.3 Pembentukan Imej oleh Kanta 102 6.4 Formula Kanta Nipis 105 6.5 Peralatan Optik 108 6.6 Pembentukan Imej oleh 110 Cermin Sfera TINGKATAN 5 DAYA DAN GERAKAN II BAB 1 1.1 Daya Paduan 115 1.2 Leraian Daya 118 1.3 Keseimbangan Daya 119 1.4 Kekenyalan 121 TEKANAN BAB 2 2.1 Tekanan Cecair 127 2.2 Tekanan Atmosfera 133 2.3 Tekanan Gas 136 2.4 Prinsip Pascal 138 2.5 Prinsip Archimedes 140 2.6 Prinsip Bernoulli 145 ELEKTRIK BAB 3 3.1 Arus dan Beza Keupayaan 147 3.2 Rintangan 152 3.3 Daya Gerak Elektrik 165 dan Rintangan Dalam 3.4 Tenaga dan Kuasa Elektrik 169 KEELEKTROMAGNETAN BAB 4 4.1 Daya ke Atas Konduktor 171 Pembawa Arus dalam Suatu Medan Magnet 4.2 Aruhan Elektromagnet 176 4.3 Transformer 183 ELEKTRONIK BAB 5 5.1 Elektron 187 5.2 Diod Semikonduktor 191 5.3 Transistor 196 FIZIK NUKLEAR BAB 6 6.1 Reputan Radioaktif 203 6.2 Tenaga Nuklear 207 FIZIK KUANTUM BAB 7 7.1 Teori Kuantum Cahaya 211 7.2 Kesan Fotoelektrik 215 7.3 Teori Fotoelektrik Einstein 217
41 BAB 3Tingkatan 4 Contoh 3 Daya tarikan graviti di antara Matahari dan Bumi ialah 3.576 × 1022 N. Diberi jisim Matahari ialah 2 × 1030 kg manakala jisim Bumi ialah 6 × 1024 kg. Berapakah jarak di antara Matahari dengan Bumi? Penyelesaian F = G Mm r 2 3.576 × 1022 = (6.67 × 10-11) × (2 × 1030)(6 × 1024) r 2 = (6.67 × 10-11) × (1.2 × 1055) r 2 r 2 = (6.67 × 10-11) × (1.2 × 1055) (3.576 × 1022) r = (8.004 × 1044) (3.576 × 1022) = 1.50 × 1011 m Hubung Kait antara Pecutan Graviti dan Pemalar Kegravitian Semesta 1 Daya tarikan graviti yang bertindak ke atas sesuatu jasad akan menyebabkan jasad tersebut bergerak ke arah daya tarikan dan mengalami pecutan graviti. 2 Rumus pecutan graviti, g adalah seperti berikut: g = GM r 2 Di mana: g adalah pecutan graviti; G adalah pemalar kegravitian; M adalah jisim Bumi; r adalah jarak di antara pusat Bumi dengan pusat jasad. 3 Rajah 3.2 menunjukkan graf yang melibatkan variasi nilai pecutan graviti, g dengan jarak jasad dari pusat Bumi, r. 0 g= R 2R 3R GM r 3 g = GM r 2 R g 0 r 2R 3R Rajah 3.2 Variasi g dengan r
42 BAB 3Tingkatan 4 4 Ciri-ciri graf pecutan graviti dengan jarak jasad dari pusat bumi adalah seperti berikut: (a) Pecutan graviti di bawah permukaan Bumi adalah berkadar terus dengan jarak jasad dari pusat Bumi; (b) Pecutan graviti dari permukaan Bumi sehingga ke infiniti adalah berkadar songsang dengan kuasa dua jarak jasad dari pusat Bumi. 5 Bagi suatu jasad yang berada pada ketinggian, h dari permukaan Bumi, maka jarak di antara pusat Bumi dengan pusat jasad adalah seperti berikut: r = R + h Di mana: r adalah jarak di antara pusat Bumi dengan pusat jasad; R adalah jejari Bumi; h adalah ketinggian jasad dari permukaan Bumi. 6 Oleh itu, rumus bagi nilai pecutan graviti bagi suatu jasad pada ketinggian, h dari permukaan Bumi adalah seperti berikut: g = GM (R + h)2 Di mana: g ialah pecutan graviti; G ialah pemalar kegravitian; M ialah jisim Bumi; R adalah jejari Bumi; h adalah ketinggian jasad dari permukaan Bumi. Contoh 4 Sebuah kapal angkasa berada pada suatu jarak dari permukaaan Bumi. Diberi jejari bumi ialah 6.4 × 106 m manakala jisim Bumi ialah 6 × 1024 kg. (a) Hitung pecutan graviti yang dialami oleh kapal angkasa tersebut sekiranya jarak kapal angkasa dari permukaan Bumi ialah 200 km, (b) Hitung jarak kapal angkasa dari pusat Bumi sekiranya pecutan graviti yang dialami oleh kapal angkasa ialah 5 m s-2. Penyelesaian (a) g = GM r 2 = (6.67 × 10-11)(6 × 1024) (6.4 × 106 + 200 000)2 = 4.002 × 1014 4.356 × 1013 = 9.19 m s-2 (b) g = GM r 2 5 = (6.67 × 10-11)(6 × 1024) r 2 r 2 = (6.67 × 10-11)(6 × 1024) 5 r = 4.002 × 1014 5 = 8.95 × 106 m
43 BAB 3Tingkatan 4 Contoh 5 Suatu objek berada di atas permukaan Bulan. Diberi jejari Bulan ialah 1.74 × 106 m manakala jisim Bulan ialah 7.4 × 1022 kg. Hitung (a) pecutan graviti yang dialami oleh objek tersebut di atas permukaaan Bulan, (b) pecutan graviti yang dialami oleh objek tersebut sekiranya objek tersebut dinaikkan sehingga jaraknya dari permukaaan Bulan ialah 100 km. Penyelesaian (a) g = GM r 2 = (6.67 × 10-11)(7.4 × 1022) (1.74 × 106 )2 = 4.9358 × 1012 3.0276 × 1012 = 1.63 m s-2 (b) g = GM r 2 = (6.67 × 10-11)(7.4 × 1022) (1.74 × 106 + 100 000)2 = 4.9358 × 1012 3.3856 × 1012 = 1.46 m s-2 Daya Memusat 1 Daya memusat ialah suatu daya yang bertindak ke atas jasad yang melakukan gerakan membulat di mana arah daya memusat adalah sentiasa menuju ke arah pusat bulatan tersebut. Jisim objek, m Jejari bulatan, r Daya memusat, F Laju linear, v Rajah 3.3 Daya memusat 2 Semua jasad yang bergerak mengikut lintasan membulat akan mengalami pecutan memusat.
44 BAB 3Tingkatan 4 3.1 Memahami Daya Memusat dengan Menggunakan Kit Daya Memusat EKSPERIMEN 3 Rumus bagi daya memusat yang bertindak ke suatu jasad adalah seperti berikut: F = mv 2 r Di mana: F ialah daya memusat; m ialah jisim jasad; v ialah laju linear jasad; r ialah jejari bulatan. 4 Rumus bagi pecutan memusat, a bagi suatu jasad adalah seperti berikut: a = v 2 r Tujuan Memahami daya memusat dengan menggunakan Kit Daya Memusat. Radas/ Bahan Kit Daya Memusat (terdiri daripada tiub plastik, penyumbat getah, penggantung pemberat berslot, tiga buah pemberat berslot yang berjisim 50 g, klip buaya, dan benang tebal), dan pembaris. Prosedur (i) Radas disediakan seperti dalam Rajah 3.4. Penyumbat getah Benang Pemberat berslot Tiub plastik Klip buaya Rajah 3.4 Susunan radas dalam aktiviti 5 Rumus bagi laju linear bagi suatu jasad adalah seperti berikut: v = 2πr T Di mana: v ialah laju linear jasad; r ialah jejari bulatan; T ialah tempoh masa bagi jasad membuat satu lintasan membulat. 6 Untuk memahami daya memusat, suatu aktiviti boleh dijalankan dengan menggunakan Kit Daya Memusat.
45 BAB 3Tingkatan 4 (ii) Benang tebal dilaraskan supaya berupaya membuat gerakan membulat dengan jejari, r = 50 cm. (iii) Pemberat berslot berjisim 50 g dimasukkan ke dalam penggantung pemberat berslot. (iv) Penyumbat getah diputarkan dengan laju yang malar dalam suatu bulatan mengufuk di atas kepala seperti dalam Rajah. Pastikan klip buaya berada pada jarak hampir 1 cm dari hujung bawah tiub plastik untuk menghasilkan jejari bulatan yang tetap. (v) Laju pergerakan penyumbat getah tersebut diperhatikan. (vi) Langkah (ii) hingga (v) diulangi dengan menggunakan jumlah pemberat berslot yang berbeza. Perbincangan (i) Semasa penyumbat getah membuat gerakan membulat, benang tebal mengenakan daya ke atas penyumbat getah dan arah daya tersebut adalah ke pusat bulatan. Daya tersebut merupakan daya memusat. (ii) Jumlah pemberat berslot yang lebih besar akan membolehkan benang tebal mengenakan daya yang lebih besar ke atas penyumbat getah. (iii) Daya memusat yang besar akan menghasilkan laju penyumbat getah yang tinggi untuk jejari bulatan yang tetap. Kesimpulan Semakin besar daya memusat, semakin tinggi laju penyumbat getah untuk jejari bulatan yang tetap. Contoh 6 Sebuah satelit bergerak mengelilingi Bumi dengan laju linear 5 000 m s-1. Diberi jisim satelit tersebut ialah 1 500 kg manakala jarak satelit dari pusat Bumi ialah 16 000 km. Hitung (a) daya memusat yang bertindak ke atas satelit tersebut, (b) pecutan memusat yang dialami oleh satelit tersebut. Penyelesaian (a) F = mv 2 r = 1 500(5 000)2 16 000 000 = 2 343.75 N (b) a = v 2 r = 5 0002 16 000 000 = 1.5625 m s-2
46 BAB 3Tingkatan 4 Contoh 7 Bumi beredar mengelilingi Matahari dalam tempoh 365 hari. Diberi jisim Bumi ialah 6 × 1024 kg manakala jarak di antara Bumi dengan Matahari ialah 1.496 × 1011 m. Hitung (a) laju linear bagi Bumi, (b) daya memusat yang bertindak ke atas Bumi, (c) jisim Matahari. Penyelesaian (a) v = 2πr T = 2π(1.496 × 1011) 365 × 24 × 60 × 60 = 2.98 × 104 m s-1 (b) F = mv 2 r = (6 × 1024)(29 8062 ) 1.496 × 1011 = 3.56 × 1022 N (c) F = G Mm r 2 3.56 × 1022 = (6.67 × 10-11) × M(6 × 1024) (1.496 × 1011)2 M = (3.56 × 1022)(1.496 × 1011)2 (6.67 × 10-11)(6 × 1024) = 1.99 × 1030 kg 3.2 Hukum Kepler 1 Secara umumnya, setiap planet akan bergerak mengelilingi Matahari dalam orbitnya sendiri. 2 Orbit merupakan laluan yang diambil oleh planet-planet untuk mengelilingi Matahari. 3 Terdapat tiga jenis Hukum Kepler yang mempunyai definisi yang berbeza iaitu: (a) Hukum Kepler I menyatakan bahawa orbit bagi setiap planet adalah berbentuk elips dengan Matahari berada di salah satu daripada dua titik fokusnya. (b) Hukum Kepler II menyatakan bahawa garis yang menyambungkan planet dengan Matahari akan mencakupi luas yang sama dalam selang masa yang sama apabila planet tersebut bergerak dalam orbitnya. (c) Hukum Kepler III menyatakan bahawa kuasa dua tempoh orbit planet adalah berkadar terus dengan kuasa tiga jejari orbit planet tersebut. Secara matematik, T2 r 3 di mana T ialah tempoh orbit planet dan r ialah jejari orbit.
49 BAB 3Tingkatan 4 3 Sekiranya sebuah satelit berada pada ketinggian, h di atas permukaan Bumi, jejari orbit, r = R + h iaitu R ialah jejari Bumi. Maka, v = GM R + h Di mana: v adalah laju linear satelit; G adalah pemalar kegravitian; M adalah jisim Bumi; R adalah jejari Bumi; h adalah ketinggian satelit dari permukaan Bumi. 4 Jika satelit bergerak dengan laju linear yang terlalu rendah daripada laju linear yang sepatutnya, maka satelit tersebut akan jatuh ke orbit yang lebih rendah, dan terus memusar mendekati Bumi sehingga masuk ke atmosfera Bumi. 5 Sebaliknya, apabila satelit bergerak dengan laju linear yang terlalu tinggi daripada laju linear yang sepatutnya, maka satelit tersebut akan terkeluar daripada orbitnya. Satelit Geopegun dan Satelit Bukan Geopegun 1 Satelit buatan manusia terdiri daripada satelit geopegun dan satelit bukan geopegun. 2 Jadual 3.1 menunjukkan perbezaan antara satelit geopegun dan satelit bukan geopegun. Jadual 3.1 Perbezaan antara satelit geopegun dan satelit bukan geopegun Satelit geopegun Satelit bukan geopegun Berada dalam suatu orbit khas yang dikenali sebagai Orbit Bumi Geopegun Berada dalam orbit yang lebih rendah atau lebih tinggi daripada Orbit Bumi Geopegun Tempoh orbit ialah 24 jam iaitu bersamaan dengan tempoh putaran Bumi Tempoh orbit adalah lebih pendek atau lebih panjang daripada 24 jam Berada di atas kedudukan geografi yang sama di permukaan Bumi Berada di atas kedudukan geografi yang berubah-ubah di permukaan Bumi Bergerak mengelilingi Bumi dalam arah yang sama dengan arah putaran Bumi Bergerak mengelilingi Bumi dalam arah yang tidak perlu sama dengan arah putaran Bumi Digunakan sebagai satelit komunikasi Digunakan untuk tujuan pengimejan Bumi, GPS dan kaji cuaca Contoh satelit: MEASAT Contoh satelit: TiungSAT, RazakSAT, Pipit, ISS
50 BAB 3Tingkatan 4 Contoh 10 Sebuah satelit yang berjisim 50 000 kg bergerak mengelilingi Bumi. Diberi jisim Bumi ialah 6 × 1024 kg manakala jejari Bumi ialah 6.4 × 106 m. Berapakah laju linear satelit tersebut sekiranya satelit berada pada jarak 7 000 km dari pusat Bumi? Penyelesaian v = GM r = (6.67 × 10-11) × (6 × 1024) 7 000 000 = 4.002 × 1014 7 000 000 = 7.56 × 103 m s-1 Contoh 11 Sebuah satelit yang berjisim 10 000 kg beredar mengelilingi Bumi mengikut orbitnya sendiri. Satelit tersebut telah bergerak dengan laju linear 1 000 m s-1. Diberi jisim Bumi ialah 6 × 1024 kg manakala jejari Bumi ialah 6.4 × 106 m. Berapakah jarak satelit tersebut dari permukaan Bumi? Penyelesaian Katakan h = jarak satelit dari permukaaan Bumi dan R ialah jejari Bumi v = GM r v = GM R + h 1 000 = (6.67 × 10-11) × (6 × 1024) (6.4 × 106 ) + h 1 0002 = (6.67 × 10-11) × (6 × 1024) (6.4 × 106 ) + h (6.4 × 106 ) + h = (6.67 × 10-11) × (6 × 1024) 1 0002 h = (6.67 × 10-11) × (6 × 1024) 1 0002 – (6.4 × 106 ) = (4.002 × 108 ) – (6.4 × 106 ) = 3.938 × 108 m
51 BAB 3Tingkatan 4 Halaju Lepas 1 Halaju lepas, v ialah halaju minimum yang diperlukan oleh objek di permukaan Bumi untuk mengatasi daya tarikan graviti dan terlepas ke angkasa lepas. 2 Halaju lepas akan dicapai oleh sesuatu objek apabila tenaga kinetik minimum yang dibekalkan kepada objek tersebut telah mengatasi tenaga keupayaan gravitinya. 3 Rumus bagi tenaga keupayaan graviti untuk suatu objek dari pusat Bumi adalah seperti berikut: U = – GMm r Di mana: U ialah tenaga keupayaan graviti bagi objek; G ialah pemalar kegravitian; M ialah jisim Bumi; m ialah jisim objek; r ialah jarak objek dari pusat Bumi. 4 Rumus bagi halaju lepas dari Bumi untuk suatu objek adalah seperti berikut: v = 2GM r Di mana: v ialah halaju lepas bagi objek; G ialah pemalar kegravitian; M ialah jisim Bumi; r ialah jarak objek dari pusat Bumi. 5 Rumus halaju lepas juga boleh digunakan untuk menghitung halaju lepas dari jasad lain seperti Bulan dan Matahari. Contoh 12 Sebuah kapal angkasa yang berjisim 50 000 kg berlepas ke angkasa lepas dari permukaan Bumi. Diberi jisim Bumi ialah 6 × 1024 kg manakala jejari Bumi ialah 6.4 × 106 m. Hitung (a) halaju lepas bagi kapal angkasa tersebut, (b) halaju lepas bagi suatu objek berjisim 100 000 kg yang berada di permukaan Bumi. Penyelesaian (a) v = 2GM r = 2(6.67 × 10-11)(6 × 1024) 6.4 × 106 = 8.004 × 1014 6.4 × 106 = 1.12 × 104 m s-1 (b) Halaju lepas bagi objek ialah 1.12 × 104 m s-1 iaitu sama dengan halaju lepas bagi kapal angkasa yang berada di permukaan Bumi. Hal ini adalah kerana halaju lepas tidak bergantung kepada jisim objek. Sebaliknya, halaju lepas objek bergantung kepada jarak objek dari pusat Bumi.
52 BAB 3Tingkatan 4 Contoh 13 Sebuah roket yang berada di permukaan Bulan akan dilancarkan ke angkasa lepas. Roket tersebut berjisim 2 × 106 kg. Diberi jisim Bulan ialah 7.4 × 1022 kg manakala jejari Bulan ialah 1.74 × 106 m. Hitung (a) tenaga keupayaan graviti bagi roket tersebut, (b) halaju lepas bagi roket tersebut. Penyelesaian (a) U = – GMm r = – (6.67 × 10-11)(7.4 × 1022)(2 × 106 ) 1.74 × 106 = – 9.8716 × 1018 1.74 × 106 = – 5.67 × 1012 J (b) v = 2GM r = 2(6.67 × 10-11)(7.4 × 1022) 1.74 × 106 = 9.8716 × 1012 1.74 × 106 = 2.38 × 103 m s-1
187 BAB 5Tingkatan 5 5.1 Elektron Pancaran Termion dan Sinar Katod 1 Pancaran termion ialah proses pemancaran elektron bebas daripada permukaan logam yang dipanaskan. 2 Sinar katod ialah alur elektron yang bergerak dengan kelajuan tinggi dalam vakum. 3 Penerangan mengenai proses pancaran termion dan penghasilan sinar katod dalam suatu tiub vakum adalah seperti berikut: Rajah 5.1 Pancaran termion dan penghasilan sinar katod dalam tiub vakum (a) Apabila bekalan kuasa yang disambungkan kepada filamen tungsten dihidupkan, suhu filamen tungsten akan meningkat dan elektron bebas akan memperoleh tenaga kinetik yang mencukupi untuk terpancar keluar daripada permukaan logam. (b) Elektron-elektron boleh memecut ke anod tanpa berlanggar dengan molekul udara dalam tiub vakum. Akibatnya, elektron dapat bergerak dengan halaju maksimum kerana tiada kehilangan tenaga. (c) Tiub vakum yang disambungkan kepada suatu bekalan kuasa voltan lampau tinggi (V.L.T.) akan menyebabkan elektron-elektron yang terpancar di katod tertarik ke anod pada kelajuan yang tinggi dan membentuk alur elektron. Alur elektron Anod Katod Tiub kaca vakum Filamen tungsten Bekalan kuasa 6 V − + V.L.T. Elektron ELEKTRONIK BAB 5 Tingkatan 5
189 BAB 5Tingkatan 5 4 Kesan sinar katod di bawah pengaruh medan magnet boleh dilihat dengan menggunakan tiub palang Maltese seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 5.2. Jadual 5.2 Kesan sinar katod di bawah pengaruh medan magnet Keadaan suis Pemerhatian Penjelasan Suis S1 dihidupkan Cahaya dari filamen tungsten dihalang oleh palang Maltese untuk menghasilkan bayang-bayang kerana cahaya bergerak secara lurus. Suis S1 dan S2 dihidupkan • Sinar katod dihalang oleh palang Maltese untuk menghasilkan bayangbayang kerana sinar katod bergerak secara lurus. • Sinar katod juga akan menghasilkan kesan berpendarfluor pada skrin di sekeliling bayang-bayang. Hal ini menunjukkan bahawa sinar katod mempunyai momentum dan tenaga kinetik. Suis S1 dan S2 dihidupkan dan magnet didekatkan pada tiub • Satu bayang-bayang akan dihasilkan oleh cahaya filamen tungsten manakala satu bayangbayang lain akan dihasilkan oleh sinar katod yang terpesong apabila magnet bar didekatkan pada tiub. • Arah pemesongan sinar katod boleh ditentukan oleh petua tangan kiri Fleming. 5 Ciri-ciri sinar katod adalah seperti berikut: SM 13 SMSM 16 SM 17 S U freelancer m zaidee SM 14 SM 15 7 (e) Mempunyai momentum dan tenaga (a) Bercas negatif dan terpesong ke arah plat logam positif (b) Boleh dipesongkan oleh medan elektrik dan medan magnet (c) Menghasilkan kesan pendarfluor apabila menghentam bahan berpendarfluor (d) Boleh dihentikan oleh logam nipis Ciri-ciri Sinar Katod S U S U
191 BAB 5Tingkatan 5 Contoh 2 Halaju maksimum bagi suatu alur elektron yang bergerak dari katod ke anod dalam tiub vakum ialah 3.5 × 107 m s-1. Diberi cas untuk satu elektron ialah 1.6 × 10-19 C manakala jisim elektron ialah 9.11 × 10-31 kg. Berapakah beza keupayaan yang merentasi katod ke anod tersebut? Penyelesaian eV = 1 mv2 2 V = mv2 2e = (9.11 × 10-31)(3.5 × 107 ) 2 2(1.6 × 10-19) = 3.49 × 103 V 5.2 Diod Semikonduktor 1 Diod semikonduktor berfungsi untuk mengubah arus ulang-alik kepada arus terus. 2 Gambar dan simbol diod adalah seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 5.3. Jadual 5.3 Gambar dan simbol diod Gambar diod Simbol diod Fungsi Diod Semikonduktor 1 Diod semikonduktor ialah komponen elektronik yang membenarkan arus elektrik mengalir dalam satu arah tertentu sahaja. 2 Diod semikonduktor dihasilkan dengan menggabungkan semikonduktor jenis-p dan semikonduktor jenis-n bagi membentuk satu simpang p-n. 3 Semikonduktor jenis-p dan semikonduktor jenis-n adalah terhasil menerusi proses pendopan iaitu proses di mana atom bendasing akan dicampur ke dalam struktur kekisi hablur semikonduktor tulen untuk mengubah sifat kekonduksian elektriknya. 4 Pembawa cas majoriti bagi semikonduktor jenis-p adalah lohong yang bertindak sebagai pembawa cas positif. 5 Pembawa cas majoriti bagi semikonduktor jenis-n adalah elektron yang bertindak sebagai pembawa cas negatif. 6 Penerangan mengenai kesan sambungan diod dalam litar ringkas adalah seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 5.4. Anod (+) Katod (−)
192 BAB 5Tingkatan 5 Jadual 5.4 Sambungan diod dalam litar ringkas Jenis litar Kesan sambungan diod dalam litar Litar pincang depan • Apabila diod dipincang depan, lohong akan bergerak ke arah semikonduktor jenis-n manakala elektron akan bergerak ke arah semikonduktor jenis-p. • Hal ini menyebabkan lapisan susutan menjadi nipis. • Voltan simpang, V merentasi lapisan susutan akan berkurang dan rintangan diod menjadi kecil. • Akibatnya, arus boleh mengalir menerusi diod dan mentol akan menyala. Litar pincang songsang • Apabila diod dipincang songsang, lohong dan elektron masing-masing akan bergerak menjauhi lapisan susutan. • Hal ini menyebabkan lapisan susutan menjadi lebar. • Voltan simpang, V merentasi lapisan susutan akan meningkat sehingga mencapai beza keupayaan bateri dan rintangan diod menjadi besar. • Akibatnya, arus berhenti mengalir menerusi diod dan mentol tidak menyala. Kegunaan Diod Semikonduktor dan Kapasitor dalam Rektifikasi Arus Ulang-alik 1 Rektifikasi ialah proses penukaran arus ulang-alik kepada arus terus. 2 Dua jenis rektifikasi adalah rektifikasi gelombang separuh dan rektifikasi gelombang penuh. Rektifikasi Gelombang Separuh 1 Gambar rajah dan penerangan mengenai rektifikasi gelombang separuh adalah seperti berikut: Rajah 5.4 Litar rektifikasi gelombang separuh Elektron Mentol lampu menyala Lohong Arus p n Lapisan susutan nipis s R Diod Lapisan susutan lebar p n V Mentol lampu tidak menyala V s (a) Satu kitaran lengkap arus ulang-alik adalah terdiri daripada separuh kitar positif dan separuh kitar negatif. (b) Semasa separuh kitar positif, diod semikonduktor adalah pincang depan dan arus mengalir melaluinya. (c) Semasa separuh kitar negatif, diod semikonduktor adalah pincang songsang dan tiada arus mengalir melaluinya. (c) Proses rektifikasi separuh kitar dikenali sebagai rektifikasi gelombang separuh.
193 BAB 5Tingkatan 5 2 Bentuk gelombang input dan gelombang output bagi rektifikasi gelombang separuh pada osiloskop sinar katod adalah seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 5.5. Jadual 5.5 Bentuk gelombang input dan gelombang output bagi rektifikasi gelombang separuh Bentuk gelombang input Bentuk gelombang output Rektifikasi Gelombang Penuh 1 Gambar rajah dan penerangan mengenai rektifikasi gelombang penuh adalah seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 5.6. Jadual 5.6 Rektifikasi gelombang penuh Gambar rajah Penerangan Separuh kitar positif • Diod D1 dan diod D2 adalah pincang depan manakala diod D3 dan diod D4 adalah pincang songsang. • Diod D1 dan diod D2 mengalirkan arus manakala diod D3 dan diod D4 menghalang arus. Separuh kitar negatif • Diod D3 dan diod D4 adalah pincang depan manakala diod D1 dan diod D2 adalah pincang songsang. • Diod D3 dan diod D4 mengalirkan arus manakala diod D1 dan diod D2 menghalang arus. 0 V t ke O.S.K R D2 D1 D3 D4 ke O.S.K R D2 D1 D3 D4 0 V t
194 BAB 5Tingkatan 5 2 Bentuk gelombang input dan gelombang output bagi rektifikasi gelombang penuh pada osiloskop sinar katod adalah seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 5.7. Jadual 5.7 Bentuk gelombang input dan gelombang output bagi rektifikasi gelombang penuh Bentuk gelombang input Bentuk gelombang output Kapasitor sebagai Perata Arus 1 Kapasitor digunakan untuk meratakan arus dalam litar rektifikasi gelombang separuh dan litar rektifikasi gelombang penuh. 2 Gambar rajah dan penerangan mengenai prinsip kerja bagi kapasitor adalah seperti berikut: Jadual 5.8 Prinsip kerja bagi kapasitor Litar rektifikasi gelombang separuh Litar rektifikasi gelombang penuh (a) Kapasitor disambungkan selari dengan perintang dan bekalan kuasa dihidupkan. (b) Semasa beza keupayaan daripada bekalan kuasa meningkat, kapasitor akan dicas dan tenaga disimpan dalam kapasitor. (c) Semasa beza keupayaan daripada bekalan kuasa menurun, kapasitor akan dinyahcas dan tenaga yang disimpan dalam kapasitor akan mengekalkan beza keupayaan merentasi perintang. Hal ini menyebabkan arus output tidak menurun ke nilai sifar. (d) Justeru itu, kapasitor berfungsi sebagai perata arus kerana meratakan gelombang output. (e) Bentuk gelombang output bagi litar yang disambungkan dengan kapasitor adalah seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 5.9. 0 V t ke R O.S.K C ke R O.S.K C 0 V t
196 BAB 5Tingkatan 5 Contoh 4 Rajah menunjukkan dua jenis litar yang telah disambungkan dengan sebuah bateri. Terdapat diod semikonduktor dan mentol yang dipasang pada setiap litar tersebut. Litar A Litar B (a) Mentol dalam litar manakah yang menyala? (b) Mentol dalam litar manakah yang tidak menyala? (c) Jelaskan bagaimana mentol boleh menyala dalam litar pincang depan. Penyelesaian (a) Mentol dalam litar A menyala. Hal ini kerana litar A ialah litar pincang depan. (b) Mentol dalam litar B tidak menyala. Hal ini kerana litar B ialah litar pincang songsang. (c) Dalam litar pincang depan, lohong dalam diod akan bergerak ke arah semikonduktor jenis-n manakala elektron dalam diod akan bergerak ke arah semikonduktor jenis-p. Hal ini menyebabkan lapisan susutan dalam diod menjadi nipis. Voltan simpang, V merentasi lapisan susutan dalam diod akan berkurang dan rintangan diod menjadi kecil. Akibatnya, arus boleh mengalir menerusi diod dan mentol akan menyala. 5.3 Transistor 1 Transistor ialah suatu komponen elektronik yang mempunyai tiga terminal iaitu pengeluar (E), tapak (B), dan pengumpul (C). 2 Gambar dan simbol transistor adalah seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 5.10. Jadual 5.10 Gambar dan simbol transistor Gambar transistor Simbol transistor Mentol Diod Mentol Diod B C s E
197 BAB 5Tingkatan 5 3 Fungsi bagi setiap terminal transistor adalah seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 5.11. Jadual 5.11 Fungsi bagi setiap terminal transistor Terminal transistor Fungsi Pengeluar (E) Membekalkan pembawa cas kepada pengumpul. Tapak (B) Lapisan nipis di bahagian tengah transistor untuk mengawal pengaliran pembawa cas daripada pengeluar ke pengumpul. Pengumpul (C) Menerima pembawa cas daripada pengeluar. 4 Terdapat dua jenis transistor iaitu transitor npn dan transistor pnp. Jadual 5.12 Transistor npn dan transistor pnp Jenis transistor Simbol transistor Penerangan Transistor npn • Arus mengalir dari tapak (B) ke pengeluar (E). • Maka, anak panah dalam simbol transistor adalah dari tapak (B) ke pengeluar (E). Transistor pnp • Arus mengalir dari pengeluar (E) ke tapak (B). • Maka, anak panah dalam simbol transistor adalah dari pengeluar (E) ke tapak (B). 5 Litar bertransistor mengandungi dua bahagian utama iaitu: (a) Litar tapak; (b) Litar pengumpul. 6 Gambar rajah dan penerangan mengenai fungsi transistor dalam litar adalah seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 5.13. Pengumpul, C Pengeluar, E Tapak, B N P N Pengumpul, C Pengeluar, E Tapak, B P N P s Pengumpul, C Tapak, B Pengeluar, E s Pengumpul, C Tapak, B Pengeluar, E
199 BAB 5Tingkatan 5 4 Nilai kecerunan graf I C melawan I B adalah faktor penggandaan amplifier, b. 5 Rumus bagi faktor penggandaan amplifier, b adalah seperti berikut: b = I C IB Di mana: b ialah faktor penggandaan amplifier; IC ialah arus pengumpul; IB ialah arus tapak. 6 Transistor memerlukan suatu beza keupayaan, VBE yang melebihi nilai voltan minimum untuk berfungsi. Suatu litar pembahagi voltan boleh digunakan untuk memperoleh beza keupayaan tersebut. Rajah 5.6 Litar pembahagi voltan 7 Rumus untuk menentukan voltan output dalam litar yang melibatkan kaedah pembahagi voltan adalah seperti berikut: Vout = R2 Vin R1 + R2 Di mana: Vout ialah voltan output; R1 ialah rintangan bagi perintang pertama; R2 ialah rintangan bagi perintang kedua; Vin ialah voltan input daripada bekalan kuasa. Kegunaan Transistor sebagai Suis Automatik 1 Transistor boleh berfungsi sebagai suis automatik kerana arus tapak dapat mengawal pengaliran arus pengumpul. Sekiranya tiada arus mengalir dalam litar tapak, maka arus tidak akan mengalir dalam litar pengumpul. 2 Kaedah pembahagi voltan boleh digunakan untuk mengawal arus tapak bagi menghidupkan transistor secara automatik. 3 Contoh penggunaan transistor sebagai suis automatik boleh dilihat dalam litar suis kawalan cahaya dan litar penggera kawalan suhu. Mentol Transistor R1 R2 Vout Vin
200 BAB 5Tingkatan 5 4 Gambar rajah dan penerangan mengenai litar suis kawalan cahaya adalah seperti berikut: Rajah 5.7 Litar suis kawalan cahaya (a) Dalam keadaan gelap, rintangan perintang peka cahaya (LDR) sangat tinggi dan hal ini menyebabkan voltan merentasi LDR, VLDRmeningkat. (b) Apabila nilai VLDR melebihi voltan minimum merentasi B dan E, maka arus tapak akan mengalir. Akibatnya, arus pengumpul mengalir dan mentol menyala. (c) Dalam keadaan cerah, rintangan LDR rendah dan hal ini menyebabkan voltan merentasi LDR, VLDRmenurun. (d) Apabila nilai VLDR kurang daripada voltan minimum merentasi B dan E, maka arus tapak tidak akan mengalir. Akibatnya, arus pengumpul tidak dapat mengalir dan mentol tidak menyala. 5 Contoh penggunaan litar suis kawalan cahaya adalah dalam lampu jalan automatik. 6 Gambar rajah dan penerangan mengenai litar penggera kawalan suhu adalah seperti berikut: Rajah 5.8 Litar penggera kawalan suhu (a) Dalam keadaan suhu di sekitar termistor meningkat, rintangan termistor akan menjadi rendah dan voltan merentasi termistor berkurang. Hal ini menyebabkan voltan merentasi perintang R, VR meningkat. (b) Apabila nilai VR melebihi voltan minimum merentasi B dan E, maka arus tapak akan mengalir. Akibatnya, arus pengumpul mengalir dan mentol menyala. (c) Dalam keadaan suhu di sekitar termistor menurun, rintangan termistor akan menjadi tinggi dan voltan merentasi termistor meningkat. Hal ini menyebabkan voltan merentasi perintang R, VR menurun. (d) Apabila nilai VR kurang daripada voltan minimum merentasi B dan E, maka arus tapak tidak akan mengalir. Akibatnya, arus pengumpul tidak dapat mengalir dan mentol tidak menyala. 7 Contoh penggunaan litar penggera kawalan suhu adalah dalam sistem penggera kawalan suhu. 6 V I C B E C 10 kΩ LDR R I B + − 6 V R 10 kΩ 1kΩ B I B E C I Termistor C + − 1kΩ
201 BAB 5Tingkatan 5 Contoh 5 Rajah menunjukkan suatu litar bertransistor. Nyatakan (a) jenis transistor yang terdapat dalam litar, (b) nama terminal A, B dan C yang wujud dalam transistor tersebut, (c) jenis litar X dan litar Y, (d) sama ada mentol menyala atau tidak apabila kekutuban bateri bagi kedua-dua litar disongsangkan. Sekiranya mentol tidak menyala, apakah jenis transistor yang perlu digunakan untuk membolehkan mentol menyala semula sekiranya kekutuban bateri disongsangkan dalam litar di atas? (e) faktor penggandaan amplifier bagi transistor. Diberi jumlah arus pengumpul yang terhasil oleh transistor ialah 5 mA apabila jumlah arus tapak 0.05 mA. Penyelesaian (a) Transistor jenis npn. (b) Terminal A ialah pengumpul, terminal B ialah tapak dan terminal C ialah pengeluar. (c) Litar X ialah litar tapak manakala litar Y ialah litar pengumpul. (d) Mentol tidak menyala apabila kekutuban bateri bagi kedua-dua litar disongsangkan. Hal ini kerana tiada arus yang mengalir dalam litar tapak dan litar pengumpul apabila bateri disongsangkan. Untuk membolehkan mentol menyala semula, maka transistor jenis pnp perlu digunakan. (e) b = I C I B = 5 0.05 = 100 Litar X Litar Y Mentol R A B C
Semenanjung Malaysia: RM18.90 Sabah & Sarawak : RM19.90 STUDY Nota Ringkas, Padat & Komprehensif Mesra Murid & Guru Aktiviti & Eksperimen Lengkap Kandungan Berdasarkan DSKP & Buku Teks KSSM Rujukan Lengkap & Pantas Contoh & Penyelesaian Masalah Fizik study mania MANIA 9 786294 852020 ISBN 978-629-485-202-0 FIZIK SPM Tingkatan 4 & 5