15.1 Conduction of electricity

Huraian SPApa yang perlu dikuasai

1. IsiTakrif
   Huraian

   Arus elektrik ialah kadar aliran cas melalui satu keratan rentas konduktor, I = dQ/dt; unit ampere (A) = C s⁻¹.

   Contoh

   2.0 A bermakna 2.0 C cas melalui keratan setiap saat.

2. IsiArah arus konvensional
   Huraian

   Arah arus konvensional ialah arah aliran cas positif, iaitu dari terminal positif ke terminal negatif melalui litar luar. Dalam logam, elektron sebenarnya bergerak dalam arah bertentangan.

   Contoh

   Dalam litar lampu suluh, arus mengalir dari terminal positif bateri melalui mentol, tetapi elektron bergerak dari terminal negatif.

NotaTakrif arus elektrik

Arus elektrik (electric current) ialah kadar aliran cas melalui suatu keratan rentas konduktor: I = dQ/dt. Bagi arus malar, I = Q/t. Unit SI ialah ampere (A), 1 A = 1 C s⁻¹. Cas yang mengalir dalam masa t ialah luas di bawah graf I melawan t: Q = ∫I dt. Bilangan elektron, N = Q/e dengan e = 1.60 × 10⁻¹⁹ C.

Huraian SPApa yang perlu dikuasai

1. IsiArus malar
   Huraian

   Jika arus tidak berubah, jumlah cas dibahagi masa memberi arus, I = Q/t. Masa mesti dalam saat dan cas dalam coulomb.

   Contoh

   120 C melalui wayar dalam 1.0 min (60 s): I = 120 ÷ 60 = 2.0 A.

2. IsiQ berubah dengan masa
   Huraian

   Jika cas berubah sebagai fungsi masa, arus pada suatu saat ialah kecerunan graf Q-t, iaitu terbitan dQ/dt. Bezakan Q(t), kemudian gantikan nilai t.

   Contoh

   Q = 2t² + 3t: I = dQ/dt = 4t + 3; pada t = 2.0 s, I = 11 A.

Peta alirContoh: I = dQ/dt

1. Contoh 1: 120 C melalui wayar dalam 1.0 min = 60 s.
2. I = Q/t = 120 C/60 s = 2.0 A.
3. Contoh 2: Q = (2t² + 3t) C.
4. I = dQ/dt = (4t + 3) A.
5. Pada t = 2.0 s: I = 4(2.0) + 3 = 11 A.
6. Contoh 3: I = 0.80 A selama 1.0 s; N = Q/e = 0.80/(1.60 × 10⁻¹⁹) = 5.0 × 10¹⁸ elektron.

Huraian SPApa yang perlu dikuasai

1. IsiLogam
   Huraian

   Pembawa cas ialah elektron bebas sahaja.

   Contoh

   Wayar kuprum mengalirkan arus melalui elektron bebas.

2. IsiSemikonduktor
   Huraian

   Pembawa cas ialah elektron dan lohong (holes); lohong bertindak seperti cas positif.

   Contoh

   Silikon tulen mengalirkan arus melalui elektron dan lohong yang dijana secara terma.

Peta pokokPembawa cas (charge carriers)

Huraian SPApa yang perlu dikuasai

1. IsiTanpa medan
   Huraian

   Elektron bebas bergerak rawak dengan laju tinggi; halaju purata sifar, tiada arus.

   Contoh

   Wayar yang tidak disambung ke bateri tidak membawa arus walaupun elektron bergerak.

2. IsiDengan medan
   Huraian

   Elektron dipecut bertentangan E, berlanggar dengan ion kekisi dan memindahkan tenaga; hasilnya hanyutan perlahan dan konduktor menjadi panas.

   Contoh

   Wayar pemanas cerek menjadi panas apabila arus mengalir.

Peta alirMekanisme pengaliran dalam logam (kualitatif)

1. Tanpa medan, elektron bebas bergerak rawak dengan laju tinggi (≈ 10⁵ m s⁻¹); halaju purata sifar, tiada arus bersih.
2. Apabila beza keupayaan dikenakan, medan elektrik E wujud dalam logam.
3. Elektron dipecutkan bertentangan arah E di antara perlanggaran.
4. Elektron berlanggar dengan ion kekisi (lattice ions) yang bergetar, kehilangan tenaga kinetik.
5. Hasilnya hanyut bersih perlahan bertentangan arah medan, menghasilkan arus.
6. Tenaga yang dipindahkan kepada kekisi meningkatkan getaran ion, maka konduktor menjadi panas.