Kemuatan (Capacitance)

 KEMUATAN (CAPACITANCE)

Kemuatan (capacitance) ialah kemampuan sesuatu (biasanya komponen atau peralatan elektrik/elektronik) untuk menyimpan tenaga dalam bentuk cas-cas elektrik. 

Kemuatan diukur dalam unit Farad, F. Tetapi kebiasaannya unit yang digunakan dalam komponen-komponen adalah sangat kecil dan imbuhan digunapakai seperti microfarad (uF) dan picofarad (pF).

Untuk memahami konsep kemuatan, pertama kita perlu memahami konsep medan elektrik(electric field). 

Konsep Medan (Field) adalah sesuatu yang abstrak. Kita tidak boleh nampak Medan (Field) dengan mata kasar, tetapi kita boleh mengalami/menyaksikan kesan yang berlaku dalam Medan (Field).

MEDAN ELEKTRIK(ELECTRIC FIELD)

Suatu objek yang bercas akan memberikan daya tarikan/tolakan (daya elektrostatik) pada objek bercas disekelilingnya. Jika berlawanan, cas-cas akan saling menarik, jika sama, cas-cas akan saling menolak. Kawasan dimana tindakbalas ini berlaku dipanggil medan elektrik. 

Medan elektrik terdiri daripada garisan medan(fluks), garisan medan(fluks) adalah garisan imaginari yang menggambarkan arah tindakan daya elektrostatik, kadang-kadang garis medan (fluks) juga dipanggil urat daya, untuk medan elektrik, arah urat daya adalah daripada cas positif ke cas negatif.

Perlu diingat dalam gambar ini medan elektrik dilukis dalam satah 2D, tetapi dalam dunia nyata, medan elektrik beroperasi dalam 3D. Gambar diambil daripada https://www.britannica.com/science/electric-field. 

Medan Elektrik sama konsep dengan Medan Magnet, di mana, objek ferromagnetik akan bertindakbalas dengan objek yang menghasilkan medan magnet tersebut (kutub sama saling menolak, kutub berlainan saling menarik).  

Kalau medan magnet pula, arah Fluks Medan Magnet (Magnetic Field) adalah daripada Kutub Utara ke Kutub Selatan. 

Gambar diambil daripada https://byjus.com/physics/magnetic-field/

Berbalik kepada medan elektrik(electric field). Sekarang mari kita cuba bayangkan 1 pengalir yang terputus................

Apabila pengalir ini terpisah, sedangkan punca kuasa disambungkan kepada keduanya, secara elektrikal, arus tidak boleh mengalir, kerana udara adalah tergolong dalam bahan penebat(insulator).

Jadi cas-cas akan berkumpul  pada 2 pengalir yang terpisah tadi. Cas-cas yang terkumpul di hujung pengalir yang terpisah ini menghasilkan suatu medan elektrik (Electric Field). 

Menunjukkan Medan Elektrik yang terdiri garisan Fluks dari pengalir positif ke pengalir negatif. Gambar di ambil daripada https://www.chegg.com/homework-help/questions-and-answers/potential-7-4-cm-point-grid-points-1-cm-apart-note-potential-difference-decreases-uniforml-q7592577

Apabila hujung pengalir terpisah tadi dibesarkan luas keratan rentas seperti dalam gambar di bawah, didapati garisan fluks menjadi lebih banyak, dan keluasan medan elektrik jadi bertambah. 

Jumlah garis fluks medan elektrik(Electric Field) menggambarkan magnitud(kekuatan) daya terhadap cas-cas yang berada didalam medan. 

Semakin jauh cas dari medan elektrik semakin lemah daya medan elektrik (Electric Field) terhadap objek bercas.

Gamabar diambil daripada https://www.researchgate.net/figure/Electric-field-force-lines-between-two-parallel-plates_fig2_283637594

Jadi, dengan kata lain, fenomena diatas menyebabkan cas-cas terkumpul pada dua plat(plate) pengalir, di mana plat positif penuh dengan cas-cas positif (lohong) dan plat negatif penuh dengan cas-cas negatif (elektron bebas). 

Cas-cas terkumpul ini adalah cas statik(pegun) dan menghasilkan daya elektrostatik kepada cas berlawanan (tarik) atau cas bersamaan (tolak) di dalam medan Elektrik. Cas-cas terkumpul menyimpan suatu tenaga sama seperti di dalam tenaga yang terdapat dalam fenomena elektrostatik. 

Penjelasan mudahnya, cas-cas ini terkumpul pada plat kerana cas-cas ini tidak boleh mengalir kerana laluan tersekat oleh penebat(insulator) yang memisahkan dua plat/konduktor itu.

Struktur binaan dan fenomena seperti diatas memberi ilham untuk penciptaan  komponen yang banyak kegunaan dalam bidang elektrik dan elektronik iaitu pemuat(capacitor). 

Kenapa komponen seperti ini dicipta? kerana pemuat(capacitor) boleh menyimpan tenaga dalam bentuk tenaga upaya elektrik(potential electrica energy). Cas-cas statik akan disimpan dalam komponen ini ketika bersambung dengan bekalan, apabila bekalan punca kuasa diputuskan, pemuat akan bertindak sebagai punca kuasa sementara.

Gambar komponen pemuat diambil daripada https://en.wikipedia.org/wiki/Capacitor

FORMULA KEMUATAN(CAPACITANCE)

Apabila fenomena dua plat yang boleh menyimpan cas terkumpul seperti diatas berlaku, maka ia di katakan mempunyai kemuatan(capacitance). 

Sebagaimana parameter lain seperti Rintangan(Resistance), Saintis juga telah mencipta formula/rumus untuk mengira kemuatan(capacitance) sesuatu. 

Rumus di atas adalah rumus asas untuk mengukur kemuatan sesuatu. Q ialah jumlah cas (dalam kes komponen pemuat merujuk kepada cas terkumpul pada kedua elektrod), berkadar langsung dengan nilai kemuatan, C, jika nilai kemuatan tinggi, bermaksud lebih banyak cas boleh disimpan dan begitulah sebaliknya. Q diukur dalam unit Coulomb.

V pula ialah Beza Upaya/ Voltan (dalam kes komponen pemuat merujuk kepada beza upaya antara kedua elektrod), berkadar songsang dengan kemuatan C,  semakin rendah Volt, semakin tinggi nilai kemuatan dan begitulah sebaliknya.V diukur dalam unit Volt.

Daripada rumus di atas, nilai kemuatan 1 Farad bermaksud, sesuatu itu mampu menampung 1 Coulomb cas (6250000000000000000 elektron) pada setiap 1 Volt..........kadang-kadang bila diberi pernyataan begini, kita sering salah faham bahawa sesuatu kemuatan bernilai 1 Farad hanya boleh dihasilkan oleh sesuatu yang mampu menampung 1 Coulomb cas dan Voltan 1 Volt sahaja, padahal 0.5 Coulomb cas per 0.5 Volt juga boleh memberi nilai kemuatan 1 Farad.

2 Farad pula bermaksud, samada sesuatu itu mampu menampung 2 Coulomb cas pada setiap 1 Volt, atau 1 Coulomb cas pada setiap 0.5 Volt atau ada banyak kemungkinan yang kalian boleh bermain-main dengan nilai pada rumus.

Unit Farad merupakan nilai yang agak besar untuk mengukur kemuatan, kebanyakan komponen-komponen pemuat dalam litar-litar elektronik/elektrik kebanyakan dalam skala yang lebih kecil seperti microFarad(uF), PikoFarad(pF). Namun terdapat juga Supercapacitor yang menggunakan sehingga nilai ribu-ribu Farad.

Terdapat juga rumus kemuatan(capacitance) yang menggambarkan faktor-faktor yang mempengaruhi nilai kemuatan sesuatu.

Dalam formula di atas, C ialah kemuatan(capacitance), A ialah luas keratan rentas plat/konduktor, d ialah jarak antara 2 plat/konduktor dan ε  ialah pemalar dielektrik/ketelusan (permittivity). 

Semakin besar nilai kemuatan(capacitance), C semakin banyak cas-cas boleh disimpan dan begitulah sebaliknya. Semakin banyak cas-cas boleh disimpan semakin tinggilah tenaga elektrik yang boleh disimpan.

Pemalar dielektrik ε bergantung kepada bahan yang digunakan sebagai dielektrik. Dielektrik adalah bahan penebat(insulator) yang digunakan untuk memisahkan kedua-dua plat. Lain bahan penebat yang digunakan, lain nilai pemalarnya. Antara bahan-bahan dielektrik yang digunakan ialah udara/vakuum(ε  = 1), Polistirena(ε  = 2/3), Kertas(ε  = 1), Mika(ε  = 1), Seramik(ε  = 1). Daripada rumus di atas, nilai kemuatan (capacitance) berkadar langsung dengan nilai pemalar dielktrik,  ε  (ε  kurang, nilai kemuatan turun, ε  bertamcah, nilai kemuatan naik)

Keluasan keratan rentas, A ialah luas plat/konduktor. Daripada rumus di atas, nilai kemuatan (capacitance) berkadar langsung dengan keluasan keratan rentas,  A  (A  kurang, nilai kemuatan turun, A  bertamcah, nilai kemuatan naik)

Jarak antara 2 plat, d ialah jarak pemisahan 2 plat oleh bahan dielektrik. Daripada rumus di atas, nilai kemuatan (capacitance) berkadar songsang dengan jarak antara 2 plat,  d  (d  tinggi, nilai kemuatan turun, d  kurang, nilai kemuatan naik)

Dari awal pengenalan sudah diberitahu bahawa kemuatan(capacitance) adalah kemampuan sesuatu untuk menyimpan tenaga. Rumus di atas adalah kaedah pengiraan tenaga yang disimpan oleh pemuat atau sesuatu yang mempunyai kemuatan (capacitance).Ada 3 kaedah yang boleh digunapakai. Q ialah jumlah cas, V ialah beza upaya dan C adalah kemuatan(capacitance).

KEMUATAN(CAPACITANCE) DAN INERTIA

Sesuatu yang mempunyai kemuatan(capacitance) dikatakan  mempunyai inertia. Dalam kata lain, sesuatu yang mempunyai kemuatan (capacitance) itu cenderung untuk mengekalkan keadaan Beza Upaya/Voltan di kedua-dua belah terminalnya (positif dan negatif).

Contohnya pemuat(capacitor).........

Pemuat(capacitor) ketika dicas (Voltan menaik) akan bertindak untuk mengekalkan keadaan Voltannya sebelum ini dengan bertindak sebagai beban, katakanlah pemuat(capacitor) di bawah pada mulanya tiada Voltan (0 V) di kedua-dua terminalnya. Ketika ada bekalan, maka.........untuk melawan perubahan ini, aliran arus masuk kepada pemuat (capacitor) akan jadi terminal negatif (sebab arus mengalir adalah  elektron yang bercas negatif, jadi untuk menentang kemasukan elektron ni, terminal ni kena jadi negatif, sebab negatif dengan negatif akan saling menolak) dan dan tempat arus keluar akan jadi terminal positif.

Kalau perintang (resistor) bertindak sebagai beban akan menyebabkan arus berkurang, Tindakan pemuat(capacitor) sebagai beban akan menyebabkan arus mendahului Voltan (current lead voltage) pada litar yang terlibat dengan pemuat. Jenis Rintangan ini dipanggil Reaktans.  (maksudnya voltan penuh pada pemuat lambat daripada arus maksimum yang melalui pemuat)

Pemuat sebagai beban (Aliran arus mengikut penemuan terbaru dalam sains, iaitu arus bergerak daripada terminal negatif bateri keterminal positif)

Ketika bekalan diputuskan pula, pemuat(capacitor) akan mengalami Nyahcas. Apabila Nyahcas (Voltan menurun), pemuat(capacitor) pun akan berusaha mengekalkan keadaan Voltan pada sebelum bekalan diputuskan. Bagaimana caranya? dengan bertindak sebagai punca kuasa yang membekalkan arus, maka untuk menentang perubahan ini, aliran arus akan keluar daripada terminal negatif dan masuk ke terminal negatif, pada masa yang sama arus itu akan melalui komponen-komponen lain disepanjang aliran arus, sebab itu kalau kita lihat pada gambar di bawah, terminal pada pemuat(capacitor) kekal pada tempatnya (positif dan negatifnya)

Apabila bekalan diputuskan, pemuat akan bertindak sebagai punca kuasa untuk mengekalkan polariti

JENIS SAMBUNGAN DAN KIRAAN JUMLAH KEMUATAN(CAPACITANCE)

Nilai kemuatan banyak berguna dalam litar berkaitan elektrik atau elektronik. Pemuat (capacitor) adalah komponen yang direka cipta untuk mempunyai nilai kemuatan (capacitance) tertentu, sama seperti perintang(resistor) direkacipta untuk mempunyai nilai rintangan(resistance) tertentu. Pemuat (capacitor) boleh di sambung secara siri atau selari, atau gabungan siri dan selari didalam litar elektrik atau elektronik.

Untuk mereka yang belajar dan ahli didalam bidang elektrik atau elektronik, rumus di bawah adalah suatu rumus asas yang biasa untuk mengira jumlah kemuatan untuk setiap sambungan(siri atau selari)

Formula kemuatan untuk sambungan sesiri (dalam gambar ada 2 pemuat sahaja, tetapi formula ini boleh dipakai untuk pemuat lebih dari 2)

C _T  =  C₁ + C₂ + C₃ + ……. C_N

Formula jumlah kemuatan untuk sambungan selari ((dalam gambar ada 2 pemuat sahaja, tetapi formula ini boleh dipakai untuk pemuat lebih dari 2)

FENOMENA KEMUATAN(CAPACITANCE) SELAIN KOMPONEN PEMUAT(CAPACITOR)

Selain aplikasi dalam komponen pemuat yang banyak digunakan didalam litar elektrik/elektronik. Fenomena kemuatan (capacitance) juga berlaku pada alam sekitar. Contoh paling terdekat dan sering berlaku adalah kilat.

Kilat menyambar antara awan di langit adalah disebabkan kesan kemuatan(capacitance). Secara ringkasnya, berlaku proses kondensasi terhadap wap air yang tersejat dari permukaan bumi pada gumpalan-gumpalan awan dilangit menghasilkan ais dan titisan air................Geseran ais dan titisan air (fenomena elektrostatik) di awan menyebabkan ada gumpalan awan yang bercas lebih positif dari awan yang lain (awan ini akan menjadi terminal positif)................... manakala ada awan yang bercas lebih negatif daripada yang lain (awan ini akan menjadi terminal negatif). Ruang udara antara awan-awan ini pula, bertindak sebagai dielektrik yang memisahkan antara awan. 

Perlu diingat bahawa, penebat/dielektrik walaupun sifatnya tidak boleh mengalirkan arus, tetapi penebat ada had Voltan/beza upaya setakat mana ia masih boleh bersifat sebagai penebat. Jika beza upaya/Voltan ini dilangkaui, penebat akan hilang kemampuannya untuk menghalang arus elektrik dan mula bertukar menjadi pengalir yang lemah. Sebab itu pada mana-mana penebat yang digunakan untuk menyalut pengalir, dilabelkan had Voltan/beza upaya yang boleh dikenakan.

Jadi,..............apabila beza upaya/Voltan cukup tinggi antara awan positif dan negatif, molekul-molekul udara akan mengalami pengionan (atom yang bertukar menjadi ion) dan hilang sifat penebatnya (kerana ion-ion boleh mengalirkan arus), menyebabkan cas-cas daripada awan yang negatif menyahcas ke arah awan yang positif dalam masa yang sangat-sangat singkat.

Kesan daripada proses discas yang pantas inilah yang kita nampak sebagai kilat, dimana tenaga elektrik ditukarkan kepada tenaga cahaya dan bunyi.

Gambar diambil daripada https://www.physics-and-radio-electronics.com/blog/lightning-lightning-works/

Begitu juga kilat antara langit dan bumi. Cas yang berlawanan (positif atau negatif) terbentuk pada permukaan bumi. Apabila cas terkumpul cukup banyak, menghasilkan beza upaya yang cukup tinggi untuk mengionkan udara antara awan dan bumi, menyebabkan udara bertukar daripada penebat kepada pengalir yang lemah. Apabila ini berlaku, proses discas yang pantas akan berlaku antar awan dan bumi, menghasilkan kilat.

Gambar diambil daripada https://www.geeksforgeeks.org/how-lightning-works/

Read More

Adi Pengalir (Superconductor)

Orang yang mempunyai pendidikan formal dalam bidang teknologi elektrik selalunya akan melihat bahan-bahan yang terdapat dalam dunia ini kepada 3 kategori iaitu Pengalir, Penebat dan separuh pengalir. 

Gambar diambil daripada Oak Ridge National Laboratory menunjukkan bahan magnetik ini terapung terapung diatas bahan adi pengalir yang mengalirkan arus elektrik

Bahan pengalir walaupun boleh mengalirkan arus elektrik, sebenarnya masih mempunyai sedikit rintangan terhadap arus elektrik pada suhu bilik (20-30 darjah selsius), apabila suhu diturunkan sampai kepada suatu tahap di mana bahan pengalir boleh mencapai sifar rintangan terhadap arus elektrik, pada tahap ini, bahan itu sudah berubah menjadi adi pengalir (super conductor) contohnya unsur plumbum dan merkuri yang disejukkan pada suhu lampau sejuk.

Pengalir bahan boleh mencapai sifat sifar rintangan ini pada suhu-suhu tertentu dibawah suhu bilik yang dipanggil suhu kritikal (bermaksud perlu ada mekanisme untuk menyejukkan bahan itu agar bahan mencapai sifar rintangan). Lain unsur mempunyai suhu kritikal yang berbeza, tetapi kebanyakannya dibawah -253 darjah selsius atau 20 Kelvin.

KAJIAN BERTERUSAN

Para Saintis dan pengkaji terus mengkaji untuk menghasilkan bahan yang yang boleh beroperasi sebagai adi pengalir (sifar rintangan) pada suhu yang mendekati suhu bilik (sekitar 20-30 darjah selsius) dan juga tekanan atmosfera, agar bahan itu dapat digunakan secara praktikal, tanpa mekanisme penyejukan serta mekanisme tekanan tinggi, yang menjadikan aplikasi adi pengalir ini kurang ekonomik. 

Pada tahun 2020, Ranga Dias pengkaji dari Universiti Rochester, NY mendakwa berhasil menghasilkan adi pengalir iaitu sebatian yang terdiri daripada Karbon, Hidrogen dan Sulfur, yang boleh beroperasi pada suhu bilik, tetapi perlukan tekanan yang tinggi pula iaitu sebanyak 270Gpa. Namun terdapat skandal terhadap kajian beliau antaranya pemalsuan data dan plagiarism didalam kertas kerjanya.

Pada tahun 2022 pula terdapat dakwaan daripada pengkaji dari Korea Selatan, dengan menamakan sebatian yang dihasilkan mereka LK-99, adalah bahan adi pengalir yang boleh beroperasi pada suhu bilik dan tekanan atmosfera, namun akhirnya dakwaan itu disangkal kerana apabila ujikaji itu di ulang oleh saintis/pengkaji lain, bahan itu tidak menunjukkan keputusan yang sama. Dalam dunia sains, suatu ujikaji/eksperimen hanya dapat disahkan jika keputusan sama eksperimen itu berjaya diulang menggunakan prosedur, pembolehubah yang sama.

TEKNOLOGI ADI PENGALIR (SUPERKONDUKTOR)

Jadi sehingga saat ini, aplikasi teknologi adi pengalir masih memerlukan mekanisme penyejukan. Teknologi penyejukan yang digunakan sekarang terdiri daripada 2 iaitu Adi pengalir Suhu Rendah iaitu LTS (Low Temperature Superconductor) dan Adi pengalir Suhu Tinggi iaitu HTS (High Temperatur Superconductor).

LTS menggunakan cecair helium yang sangat mahal untuk mengekalkan suhu bahan pada -273 sehingga -263 darjah selsius (bahan itu menjadi adipengalir pada julat suhu ini), contoh unsur ialah plumbum dan merkuri. Alumuniun dan Nobium juga boleh menjadi adipengalir menggunakan LTS, tetapi pada suhu yang lebih tinggi daripada suhu kritikal plumbum dan merkuri. Bahan-bahan adi pengalir yang digunakan dalam LTS adalah bahan adi pengalir jenis I (Type I Superconductor) kebanyakan dari unsur logam dan Aloi.

HTS menggunakan cecair Nitrogen yang jauh lebih murah untuk mengekalkan suhu bahan pada -196 darjah selsius (bahan itu menjadi adipengalir pada suhu melebihi - 263 darjah selsius). Kebanyakan bahan adipengalir dalam teknologi HTS ialah bahan seramik seperti seramik Lantanum dan seramik Lantanum strontium. Bahan-bahan adi pengalir yang digunakan dalam LTS adalah bahan adi pengalir jenis II (Type II Superconductor). Gambarajah dibawah adalah model kabel adi pengalir HTS.

Gambar ini di ambil daripada laman https://transformers-magazine.com/magazine/an-accurate-model-of-the-high-temperature-superconducting-cable-by-using-stochastic-methods/. Dalam gambar ini, LN2 Path adalah laluan cecair Nitrogen yang bertindak sebagai agen penyejukan.

APLIKASI ADI PENGALIR

Setakat ini aplikasi adi pengalir dalam industri dan teknologi semasa amatlah terhad. Walaubagaimanapun, teknologi ini menjanjikan revolusi teknologi yang lebih mapan. Berikut antara aplikasi adipengalir.....

1. Projek AmpaCity, Essen Germany tahun 2013

Gambar di ambil daripada dokumen CIRED - paper 0678

Menjadi projek penghantaran tenaga elektrik pertama di dunia menggunakan teknologi adi pengalir HTS. Penggunaan adi pengalir dalam penghantaran antara 2 pencawang sejauh 1 km dapat menyelesaikan masalah kehilangan kuasa sebagaimana yang dialami oleh pengalir biasa. Malah kabel HTS mampu membawa 5 kali ganda arus elektrik berbanding kabel konvensional.

                        Proses menarik Kabel HTS dalam projek AmpaCity.Gambar di ambil daripada dokumen CIRED - paper 0678

Penggunaan Pengubah (Transformer) Voltan Tinggi, serta perkakas Voltan Tinggi yang bersaiz besar juga dapat dikurangkan kerana kemampuan kabel HTS untuk memindahkan arus elektrik yang lebih besar pada Pengubah (Transformer) Voltan Sederhana

Model Kabel HTS daripada Nexans. Gambar di ambil daripada dokumen CIRED - paper 0678. 

Lakaran Sistem Penyejukan kabel HTS.Gambar di ambil daripada dokumen CIRED - paper 0678. 

2. Pengubah Adi Pengalir (Superconducting Transformer)

Pengubah HTS diramalkan bakal menggantikan teknologi Pengubah Konvensional yang lebih efisien (tiada kehilangan kuasa) dengan saiz yang lebih kecil, serta kurang risiko untuk kebakaran (tidak perlu media penyejukan seperti minyak, vakum, SF6)

Perbandingan Transformer Konvensional dan Transformer HTS Gambar diambil daripada https://indico.cern.ch/event/626654/attachments/1523851/2381804/Superconducting_Transformers_-_Dr._Mathias_Noe.pdf

3. Motor dan Penjana teknologi Adi Pengalir (Superconductive motor and generator)

Sama seperti Pengubah (Transformer), Motor dan Penjana (Generator) yang juga menggunakan prinsip elektromagnet akan mendapat manfaat dari penggunaan bahan adi pengalir. Tenaga yang dihasilkan lebih cekap kerana kurang kehilangan kuasa yang disebabkan oleh kehilangan kuprum (copper losses), kehilangan kuprum boleh menyebabkan penggunaan tenaga elektrik yang tinggi kerana lebih tenaga diperlukan untuk menghasilkan medan magnet untuk melakukan kerja (daya kilas yang menghasilkan putaran), manakala untuk Penjana, medan magnet digunakan untuk menghasilkan Beza Upaya (Voltan)

(i)Motor Superkonduktif (ii) Penjana Superkonduktif Gambar diambil daripada https://www.researchgate.net/figure/i-Superconducting-motor-ii-Superconducting-Generator-18_fig7_333660897

Di samping itu,menggunakan teknologi adi pengalir ini,  saiz jentera (Motor atau Penjana) dapat dikurangkan ini. Teknologi ini juga memungkinkan penggunaan tenaga elektrik sepenuhnya pada kenderaan, kapal terbang mahupun kapal laut yang menggunakan tenaga putaran seperti motor untuk menggantikan enjin yang bersifat mekanikal.

4. Teknologi Magnetik Resonance Imaging (MRI)

Perlu diingat bukan semua MRI menggunakan teknologi Adi Pengalir, ada jenis MRI yang menggunakan Magnet kekal dan ada juga menggunakan pengalir biasa seperti kuprum dalam binaan gegelung elektromagnetnya.

Untuk MRI yang menggunakan teknologi Adi Pengalir pula, Adi pengalir digunakan untuk menghasilkan medan magnet yang tinggi dalam gegelung. Jika menggunakan pengalir biasa, halangan untuk menghasilkan medan magnet yang besar terbantut kerana rintangan yang tinggi akan menyebabkan kehilangan kuprum (copper losses), sedangkan penghasilan medan magnet berkadar terus dengan arus yang mengalir pada gegelung (coil).

Bahan adi pengalir yang digunakan dalam kebanyakan pengimbas MRI jenis superkonduktor adalah niobium-titanium (NbTi) yang menjadi adi pengalir pada suhu -264 darjah selsius. Cecair penyejuk yang digunakan adalah Helium

Gambar sebuah MRI di ambil daripada https://outreach.phy.cam.ac.uk/programme/physicsatwork/physics-work-2023-exhibitor-guide/exhibit-10-quantum-matter-research-group

 

Read More

Pengalir (Conductor)

Dalam pengajian bidang Elektrikal secara formal, selalunya pelajar-pelajar akan diajar tentang pengklasifasian bahan-bahan yang terdapat dalam dunia ini kepada 3 kelas, iaitu Pengalir (Conductor), Penebat (Insulator) dan Separuh Pengalir (Semiconductor)

Gambar diambil daripada laman https://www.metalmenrecycling.com.au/top-4-most-conductive-metals/

Pengalir ialah bahan yang membenarkan arus elektrik melaluinya, oleh kerana itu, bahan ini selalu digunakan dalam pembuatan wayar, kabel, talian dan sebagainya. Wayar/kabel ini pula banyak aplikasinya dalam bidang elektrik dan elektronik, ia digunakan untuk menghubungkan komponen-komponen dalam litar elektrik atau elektronik baik jauh ataupun dekat, selama mana teknologi tanpa wayar tidak terlibat.

Lihat gambar pendawaian di atas, semua komponen lampu, kipas, soket, suis dan alat perlindungan dihubungkan oleh pengalir. Gambar diambil daripada laman https://www.youtube.com/watch?v=5lR5nf3gR8c

Pada skala yang lebih kecil, pengalir juga digunakan untuk menghubungkan komponen-komponen dalam litar elektronik. Gambar diambil daripada https://www.123rf.com/photo_161165998_close-up-of-a-modern-blue-printed-circuit-board-%28pcb%29-with-stripes-of-conductors-between-a-transistor-and-an-electronic-equipment-processor..html

TEORI PENGALIR

Semua Jirim dalam dunia ini terdiri daripada atom. Atom pula terdiri daripada Nukleus (Proton dan Neutron) dan Elektron. Elektron ialah sub zarah yang bercas negatif, ada elektron yang terikat dalam struktur atom atau sebatian, tetapi ada juga elektron yang tidak terikat dengan mana-mana atom. Elektron ini dipanggil elektron bebas (free elektron). 

Bahan yang membenarkan arus elektrik melaluinya mempunyai banyak elektron bebas (free electron). Elektron bebas (free electron) ini bergerak secara rawak dalam keadaan suhu bilik dan tekanan atmosfera. Apabila kedua-dua hujung kabel dikenakan beza upaya atau daya gerak elektrik (daripada punca kuasa seperti bateri/penjana), elektron bebas (free electron) ini akan bergerak secara seragam daripada terminal negatif ke terminal positif punca kuasa elektrik.

Daripada rajah di atas menunjukkan 1(a) keadaan sebelum ada Daya Gerak Elektrik dan 1(b) Setelah Daya Gerak Elektrik. Gambar ini di ambil daripada https://www.schoolphysics.co.uk/age11-14/Electricity%20and%20magnetism/Current%20electricity/text/Electric_current/index.html

BAHAN PENGALIR

Bahan pengalir kebanyakannya terdiri daripada logam, jika merujuk kepada jadual berkala unsur bahan pengalir ini ada terdapat dalam Kumpulan 1 (kecuali Hidrogen), Kumpulan 2, Unsur-unsur Peralihan (Lajur 3-12), Kumpulan 3 (kecuali Boron), Kumpulan 4 (kecuali Karbon, Silikon dan Germanium), Kumpulan 5 (kecuali Nitrogen, Posforus, Arsenik dan Antimoni), Kumpulan 6 (kecuali Oksigen, Sulfur, Selenium, Telerium dan Polonium), Semua bahan dalam Siri Lantanida dan Aktinida.

Gambar dibambil daripada https://canov.jergym.cz/vyhledav/varianty/malaysia.html

Selain Logam, terdapat juga gas yang boleh mengalirkan arus elektrik, tetapi pada Voltan yang tinggi. Seperti Gas Neon (menghasilkan cahaya oren apabila arus melaluinya),

Larutan Asid, Larutan Alkali dan air yang mengandungi garam/mineral juga boleh mengalirkan arus elektrik sebagaimana yang kita boleh lihat aplikasinya didalam bateri kenderaan.

KERINTANGAN

Walaupun bahan-bahan yang dinyatakan tadi semua boleh mengalirkan arus elektrik, namun semua bahan masih mempunyai sedikit rintangan terhadap arus elektrik pada suhu bilik(20-30 darjah selsius). Sifat inilah yang dipanggil kerintangan (resistivity). kerintangan(resistivity) ini ialah malar bagi setiap bahan, dan dimasukkan dalam pengiraan formula Rintangan (Resistance). Setiap bahan mempunyai pemalar kerintangan (resistivity) yang berbeza, dengan kata lain, pada dimensi yang sama (Luas keratan rentas dan panjang), Rintangan setiap bahan adalah berbeza.

Gambar diambil daripada https://www.cbsetuts.com/resistivity-of-materials/

Jadual diatas menunjukkan perbandingan kerintangan(resistivity) setiap bahan. Kerintangan (resistivity) merupakan antara faktor pemilihan bahan dalam pembuatan konduktor, selain faktor-faktor lain seperti ringan/berat, murah/mahal, kadar hakisan, mudah ditempa serta mudah didapati. 

Daripada jadual di atas juga kita boleh nampak, ada antara bahan-bahan ini yang telah di aloikan untuk mendapatkan sifat-sifat pada bahan lain, contohnya Tembaga iaitu Kuprum, lebih rendah kerintangannya (resisitivity) daripada unsur Nikel, tapi kuprum mudah terhakis sedangkan Nikel pula tahan hakisan, jadi untuk mendapatkan bahan pengalir yang mempunyai sifat kerintangan (resistivity) yang rendah serta tahan hakisan, maka Kuprum dialoikan dengan Nikel.

Perlu diingat, nilai kerintangan(resistivity) ini malar jika bahan ini berada pada suhu bilik (20-30 darjah celsius). Semakin meningkat suhu, kerintangan bahan akan jadi semakin bertambah dan semakin sukar untuk mengalirkan arus elektrik, menyebabkan bahan ini akan menjadi panas. Sebaliknya, semakin menurun suhu, semakin kurang rintangan bahan terhadap arus elektrik, bahkan sampai satu tahap, bahan akan mencapai ke satu tahap sifar rintangan, pada suhu ini, bahan akan bertindak menjadi adi pengalir (super conductor). Ciri-ciri ini terjadi pada unsur-unsur yang mempunyai pemalar termal positif (Positive Thermal Coefficient) yang kebanyakannya adalah unsur-unsur logam, manakala untuk unsur-unsur yang mempunyai pemalar termal negatif (Negative Thermal Coefficient) pula, berlaku sebaliknya iaitu suhu bertambah, rintangan menurun, suhu berkurang, rintangan bertambah.

APLIKASI PENGALIR

Sebagaimana yang telah dinyatakan di atas, bahan yang mempunyai sifat pengalir ini banyak digunakan untuk membuat wayar dan kabel, untuk menghubungkan komponen-komponen dalam litar elektrik/elektronik. Pengalir yang sudah ditempa dalam bentuk silinder memanjang ini, akan disalut oleh bahan penebat contohnya PVC untuk mengelakkan renjatan elektrik.

Gambar dibawah ialah wayar yang biasa digunakan dalam litar pendawaian domestik. Ada 2 jenis iaitu jenis berlembar (stranded) dan jenis pejal (solid). Jenis berlembar (stranded) terdiri daripada banyak lembaran wayar kecil didalam, kelebihan wayar jenis ini ialah ia lebih anjal dan tidak mudah patah, sesuai digunakan dalam pemasangan yang berliku-liku dan berhalangan. Jenis pejal (solid) pula tidak sesuai digunakan dalam pemasangan yang berliku, tetapi dalam pemasangan yang lurus, wayar jenis pejal (solid) lebih kuat terhadap daya tarikan semasa merentang kabel daripada yang jenis berlembar (stranded), serta mempunyai kapasiti membawa arus yang lebih tinggi. Wayar jenis ini biasa digunakan untuk kegunaan di luar bangunan untuk sambungan pada jarak yang lebih jauh.

Gambar diambil daripada https://zwcables.com/stranded-copper-wire/

Gambarajah di bawah pula ialah gambar binaan kabel bawah tanah yang juga digunakan untuk menghubungkan perkakas-perkakas dalam sistem bekalan kuasa. Kabel dibawah contoh kabel 4 teras (4 core) yang biasa digunakan menghubungkan talian 3 fasa. Sama seperti wayar domestik, pengalir(conductor) yang digunakan ada yang jenis berlembar(stranded) dan pejal(solid), kabel bawah tanah di reka dengan tambahan perlindungan mekanikal (besi keluli, lapisan PVC/XLPE) seperti dalam gambarajah struktur binaan di bawah, untul melindungi daripada kerosakan dan kelembapan dalam bawah tanah.

                               

Gambar Underground cable di ambil daripada https://yifangcable.en.made-in-china.com/product/JvAnKmWTDfrQ/China-Underground-Cable-SteelWire-TypeArmoured-Copper-XLPE-Insulated-Armoured-Underground-Power-Cable.html

Struktur binaan kabel bawah tanah. Gambar di ambil daripada https://electricalbaba.com/underground-cable-introduction-and-construction/

Kaedah pemasangan kabel bawah tanah sering menjadi pilihan terutamanya di bandar-bandar, taman perumahan, pencawang, bangunan kerana lebih nampak kemas (tidak berserabut), dan tidak mudah terdedah kepada cuaca seperti angin ribut yang menyebabkan pokok jatuh menimpa talian atas. Gambar di ambil daripada laman https://www.electricalindia.in/underground-cables/

Selain berfungsi sebagai penyampai bekalan kuasa (Voltan dan Arus), pengalir juga ada yang fungsinya untuk menyampaikan maklumat/data antara dua atau lebih perkakas yang boleh berkomunikasi antara satu sama lain.

Data/maklumat pun sebenarnya dalam Voltan atau Arus yang berada dalam format-format/protokol tertentu mengikut jenis sistem komunikasi yang digunakan. Kabel data kebiasaannya gabungan beberapa wayar yang ada yang setiap akan dimatikan pada pin penyambung (connector). Wayar-wayar kecil akan di pintal untuk mengurangkan gangguan signal dari luar. Lihat gambarajah di bawah, pasti nampak familiar dengan kabel-kabel ini bukan?

Kabel LAN

Kabel USB

Kabel Coax

Kabel Rs232

Kabel-kabel dalam Personal Desktop

Bahan-bahan pengalir juga banyak digunakan dalam pembuatan aksesori-aksesori elektrik. Pemilihan bahan bergantung pada kefungsian lain selain pengalir. Sebagai contoh pemegang Fius dalam kepala plug dibawah menggunakan Gangsa Fosfor (Aloi Kuprum dan Tin)  dengan sedikit unsur Fosforus, mempunyai sifat kepegasan (springy) yang sesuai untuk memegang fius. Manakala pin dibuat daripada loyang (Aloi Kuprum dan Zinc) kerana lebih tahan lama daripada menggunakan unsur kuprum, kerana kepala plug sering masuk dan keluar daripada soket.

Read More