L1 SÄHKÖMAGNEETTINEN INDUKTIO

Transkriptio

1 L1 SÄHKÖMAGNEETTINEN INDUKTIO Kun johdekappale liikkuu paikallaan olevassa magneettikentässä, tai paikallaan olevan kappale on muuttuvassa magneettikentässä, syntyy johteeseen sähkökenttä. Tämä indusoi johteeseen jännitteen. Ilmiötä kutsutaan sähkömagneettiseksi induktioksi. Induktiojännitettä voidaan käyttää virtapiirissä, jolloin jännite saa aikaan sähkövirran. Välineet: 3 yleismittaria, kolmivaihemuuntaja, kierroksen käämiä, 600 kierroksen käämi, 300 kierroksen käämi, 75 kierroksen käämi, 3 rautasydäntä, johtimia, muovimuki, pyörivällä alustalla oleva sauvamagneetti, sauvamagneetti, alumiiniputket + sauvamagneetti + rautakappale, alumiinikouru + sauvamagneetti + alumiinirengas, U-magneetti + jalusta, alumiinikampa + teline, metallikuula, pyörivä lieriöhäkki A. Sähkömagneettinen induktio Kytke käämi jännitemittariin, jossa osoitin on keskellä ja liikutetaan sauvamagneettia käämin sisälle ja ulos. Mitä havaitset? Vaihtele käämien kierroslukuja. Mitä havaitset? Mitä magneetin liikkumisnopeuden vaihtelu aiheuttaa? Vertaa tuloksiasi käämin induktiojännitteen lausekkeeseen (esim. MAOL). B. Pyörrevirta Pudota sylinterimäiset rautapalat, joista toinen on magneettinen, pitkien alumiiniputkien läpi yhtä aikaa pehmustetulle alustalle. Vertaa putoamisaikoja ja selitä havainnot. Laita alumiinikouruun sylinterimäinen magneetti, pujota ohut alumiinirengas kourun ympärille ja päästä putoamaan. Mitä havaitset renkaan liikkeessä magneetin kohdalla? Selitä havainnot. Laita alumiinikampa heilahtelemaan U-magneetin sakaroiden väliin siten, että alumiinikamman yhtenäinen osa on magneetin keskellä. Kiskaise alumiinikampa irti telineestä ja vaihda kampamainen osa heilahtelemaan magneetin sakaroiden väliin. Mitä havaitset? Selitä ilmiö.

2 C. Kolmivaihegeneraattorin rakentaminen Aseta kolme 1200 kierroksen käämiä 120 asteen kulmiin toisiinsa nähden. Vie käämeihin rautasydämet ja aseta pyörivällä alustalla oleva sauvamagneetti käämien keskelle kuvan mukaisesti. Kytke jokaiseen käämiin jännitemittari ja laita sauvamagneetti pyörimään. Seuraa jännitemittarien lukemia. Mitä havaitset? Yhdistä käämien toiset navat johtimilla. Näin saadaan ns. nollajohto, jonka jännite-ero maahan on ideaalilla laitteistolla nolla. Miksi? o o Kytke jännitemittari mittaamaan nollajohdon ja yhden käämin vapaan navan välistä jännitettä. Laita magneetti pyörimään. Mitä havaitset? Kytke jännitemittari mittaamaan kahden käämin vapaiden napojen välistä jännitettä. Laita magneetti pyörimään. Mitä havaitset? Sähköverkon jännite tuotetaan kolmivaihegeneraattoreilla. Mikä jännite Suomessa tulee kuluttajille nollajohdon ja käämin vapaasta navasta lähtevän johdon (vaihejohto) välillä? Entä kahden vaihejohdon välillä?

3 D. Kolmivaihemoottorin rakentaminen Kytke nollajohto kolmivaihemuuntajan keskimmäiseen ulostuloon ja vaihejohdot kolmeen muuhun ulostuloon. (Valitse kolmivaihemuuntajan jännitteistä isompi.) Aseta muovimuki käämien keskelle ja laita siihen metallikuula. Mitä havaitset, kun kolmivaihemuuntajaan kytketään virta? Selitä ilmiö. Vaihda roottori käämien keskelle. Mitä havaitset? Selitä ilmiö.

4 L2: RESONANSSI Välineet: Yleismittari, mekaaninen värähtelijä, taajuusgeneraattori, oskilloskooppi, 2 koteloitua kytkintaulu-lamppukantaa, koteloitu kytkintaulu-säätövastus (max 470 Ω), 1200 kierroksen käämi, rautasydän, 600 kierroksen käämi, koteloitu kytkintaulu-kondensaattori (1,0 μf), koteloitu kytkintaulu-välikappale, johtimia, polttimoja, pitkä jousi, pitkä kumilanka, rinkulaksi taivutettava metallilanka, metalliliuskasarja, koteloitu kytkintaulu-kaiutin A. Värähtelytaajuus ja resonanssi Kytke mekaaninen värähtelijä funktiogeneraattoriin. Funktiogeneraattorista säädetään erikseen pienestä säätönapista taajuusalue, jonka jälkeen isompi säätönappi määrittää taajuuden nollan ja valitun maksimin välillä. Taajuus näkyy näytössä. Lisäksi funktiogeneraattorissa on jännitteensäädin ja vaihtojännitteen muodon valitsin. Jälkimmäinen pidetään koko tässä työssä sinimuotoisena. Kytke värähtelijään ympyränmuotoiseksi taivutettu muutaman millimetrin paksuinen metallilanka ja vaihtele värähtelytaajuutta. Mitä havaitset? Kytke suora muutaman metrin pituinen kumilanka ja sitten samanpituinen jousi värähtelijään. Tue jousta lattiaa vasten ja vaihtele värähtelytaajuutta. Mitä havaitset? Kytke eripituisten metalliliuskojen sarja värähtelijään ja vaihtele värähtelytaajuutta. Mitä havaitset? Kytke värähtelijä oskilloskooppiin ja seuraa mekaanisen ja sähköisen värähtelyn yhteyttä ja sinikäyrän muodostumista. Miten jaksonaika näkyy oskilloskoopin kuvaruudulla? B. Vastus vaihtovirtapiirissä Kytke kaksi polttimoa sarjaan funktiogeneraattorista saatavaan sinimuotoiseen vaihtojännitteeseen ja säädä jännitettä niin, että lamppu palaa kirkkaasti noin 50 Hz taajuudella. Pidä jännite vakiona ja kasvata taajuutta nollasta alkaen. Tarkkaile lampun syttymistä ja sammumista ja vertaa sitä taajuuslukemaan. Muuttuuko lampun kirkkaus taajuuden muuttuessa? Mitä fysikaalista suuretta lampun kirkkaus kuvaa? C. Käämi ja vastus vaihtovirtapiirissä Kytke sarjaan lamppu, säätövastus ja käämi, jossa on 600 kierrosta, funktiogeneraattorin sinijännitteeseen. Säätövastus on kytkettävä kuvan mukaisesti ja resistanssi säädettävä minimiin. Tutki piirissä kulkevaa virtaa, kun taajuutta vaihdellaan nollasta hertsistä 10 khz:iin seuraamalla lampun kirkkautta. Mitä havaitset? Pidä jännite vakiona ja toista koe, kun käämissä on rautasydän. Miten havainnot eroavat? Pidä jännite vakiona ja toista koe käämillä, jossa on 1200 kierrosta. Miten havainnot eroavat? Kytke oskilloskoopin ykköskanava mittaamaan jännitettä vastuksen (lamppu + säätövastus) yli ja kakkoskanava käämin yli. Tarkkaile jännitteiden vaihe-eroa. Mitä havaitset?

5 D. Kondensaattori ja vastus vaihtovirtapiirissä Kytke sarjaan lamppu, säätövastus ja 1,0 μf kondensaattori funktiogeneraattorin sinijännitteeseen. Säätövastus on kytkettävä kuvan mukaisesti ja resistanssi säädettävä minimiin. Tutki piirissä kulkevaa virtaa, kun taajuutta vaihdellaan nollasta hertsistä 10 khz:iin seuraamalla lampun kirkkautta. Mitä havaitset? Kytke oskilloskoopin ykköskanava mittaamaan jännitettä vastuksen (lamppu + säätövastus) yli ja kakkoskanava kondensaattorin yli. Tarkkaile jännitteiden vaihe-eroa. Mitä havaitset? E. Vastus, käämi ja kondensaattori vaihtovirtapiirissä (RLC-piiri) Kytke sarjaan lamppu (resistanssin voi mitata yleismittarilla), käämi (1200 kierrosta ilman rautasydäntä, induktanssi merkitty) ja kondensaattori (1,0 μf) funktiogeneraattorin sinijännitteeseen. Vaihtele taajuutta 1kHz:n taajuusalueella. Hae taajuus, jolla lamppu palaa kirkkaimmin. Silloin piirin impedanssi Z on pienimmillään (resonanssitaajuus). Laske resonanssitaajuus (esim. MAOL) ja vertaa sitä mitattuun. Resonanssitaajuus voidaan määrittää myös oskilloskoopilla. Aseta oskilloskooppi x,y-tilaan ja kytke ykköskanava mittaamaan jännitettä käämin ja kakkoskanava kondensaattorin yli. Oskilloskoopin ruudussa näkyy tällöin ellipsi, joka supistuu suoraksi viivaksi resonanssitaajuudella. Aseta oskilloskooppi takaisin normaalitilaan ja tarkkaile jännitteiden vaihe-eroa. Mitä havaitset? Lisää kytkentään kaiutin sarjaan lampun, käämin ja kondensaattorin kanssa. Hae resonanssitaajuus lampun kirkkautta seuraamalla ja kuuntele äänen voimakkuuden vaihtelua. Mitä havaitset? Selitä havainnot.

6 L3: Planckin vakio Huomioitavaa Työssä tarvittavan UV-lampun on lämmettävä 20 minuuttia ennen mittausta. Kytke siis virta lamppuun heti luokkaan saapuessasi, jos aiot käyttää laitteistoa. Lamppua ei ole myöskään syytä sammuttaa eri ryhmien välillä vaan sen voin jättää päällä. Koelaitteistoa pystyttäessä tee paristotesti ja vaihda paristot tarvittaessa. Paristotesti Kytke jännitemittarin maa (COM = common ground) laitteen maadoitettuun napaan ja mittaa laitteen molemmat paristotestinavat. Niiden pitäisi olla +6 V ja -6 V. Jos näin ei ole niin pyydä ohjaajalta uudet paristot laitteeseen. janniteen nollaus (8) Teoreettista pohjaa Einsteinin selitti valosähköisen ilmiön sillä, että en lisäksi että valo emittoituu ja absorboituu tietyn suuruisina energia paketteina, kvantteina, niin valo myös luovuttaa energiaansa kvantteina. Kunkin kvantin energia on suuruudeltaan E = hf, jossa h on Planckin vakio f saapuvan säteilyn taajuus. Energialtaan (taajuudeltaan) riittävän suuren säteilyn osuessa metalliin osa fotonien energiasta kuluu metallin pintaelektronien irroittamiseen. Pinta elektronien irroittaminen vaatii tietyn energian W0 ja tämän energian suuruus riippuu siitä, mikä aine on kyseessä. Säteilyllä voi kuitenkin olla enemmän energiaa kuin mitä irroitustyöhön vaaditaan ja loppu energia menee irronneiden elektronien liike-

7 energiaksi. Saadaan yhtälö E = hf = W0 + Kmax ja tästä voidaan ratkaista elektronien saama suurin mahdollinen liike-energia Kmax = hf - W0 Kiihdytettäessä elektronia jännitteellä U elektroni saa liike-energian Uq, jossa q on yksi alkeisvaraus. Tilanne voidaan myös kääntää toisin päin ja liike-energian Ue omaava elektroni voidaan pysäyttää jännitteellä, jonka suuruus on U. Silloin puhutaan pysäytysjännitteestä. Tässä työssä käytettävällä laitteistolla mitataan säteilyn fotodiodin katodilta irroittamien elektronien pysäyttämiseen tarvittavaa jännitettä. Esimerkiksi jos elektronien pysäyttämiseen tarvitaan -1.5 V jännite niin silloin elektronien maksimi liike-energia elektroni voltteina on 1.5 ev. Muuttamalla valokennolle osuvan säteilyn taajuutta ja mittaamalla vastaavaa pysäytysjännitettä voidaan piirtää (U, f)-kuvaaja, jonka fysikaalisesta kulmakertoimesta voidaan ratkaista Planckin vakio k. Suoran ja f-akselin leikkauskohdasta saadaan rajataajuus f0, joka on pienin taajuus, jolla elektronit irtoavat metallista. Muista myös, että smgsäteilyn tapauksessa taajuus ja aallonpituus liittyvät toisiinsa kaavan λ = cf mukaan, jossa c on valonnopeus. Huomaa, että suureet ovat suoraan verrannollisia toisiinsa. väri taajuus x10 14 Hz UV 8.20 violetti 7.41 sininen 6.88 vihreä 5.49 keltainen 5.19

8 Valonlähde (1) Päälaite fotodiodeineen (2) Hila-linssisysteemi (3) Tukivarren nivel (6) Laitteiston toimintaperiaate Säteilylähteenä toimii elohopeahöyryä sisältävä ns. ultraviolettilamppu. Lamppu säteilee viittä eri aallonpituutta, joista yksi osuu UV-alueelle. Laitteen hila jakaa valon eri kertalukujen spektreiksi ja voit todeta tämän asettamalla esimerkiksi paperin osien päälaitteen ja hilan välille lähelle varjostinta (katso kuva). Huomaat, että spektrit koostuvat viivoista ja viivat vastaavat tarkasti tunnettuja taajuuksia, jotka löydät alla olevasta taulukosta. Päälaitteen fotodiodia valaistaan vuorotellen kullakin viivalla ja mitataan vastaava pysäytysjänniteen arvo. Alkuvalmistelut Kytke lamppuun virta heti kun saavut pisteelle. Lampun lämpeneminen mittaustarkkuuteen vaatii 20 minuuttia. Hila-linssisysteemiä voidaan liikuttaa tankoja pitkin (jäykähkö). Periaatteessa etäisyyden pitäisi kuitenkin olla jo valmiiksi oikea. Päälaitetta voidaan kiertää avaamalla ruuvi. Tämänkin pitäisi kuitenkin olla kohdallaan jo valmiiksi. Varsinainen säätö tapahtuu niveltapin avulla. Liikuttaessasi tappia pöydän pinnan suunnassa, huomaat valojuovien liikkuvan varjostimella (4). Hae aluksi sellainen asento, että varjostimen rakoon osuu väreiksi hajoamaton valkea valojuova, joka vastaa nollatta kertalukua. Tukivarsien pitäisi olla nyt kutakuinkin yhdensuuntaisia. Jos näin ei kuitenkaan ole, liikuta niveltä siten, että varret muodostavat 180 asteen kulman eli ovat siis yhdensuuntaisia. Aukaise ruuvi ja kierrä päälaitetta kunnes valkea juova osuu rakoon ja kiristä ruuvi. Pyöräytä suojakilpi (5) sivuun (huomaat, että sillä on kaksi asentoa). Nyt valojuovan pitäisi mennä laitteen sisään pyöreästä aukosta. Kurkista aukkoon ja huomaat, että valojuova osuu myös pieneen koloon, josta se pääsee fotodiodille. Jos kolo näyttää olevan valojuovan keskellä, säädöt ovat

9 kohdallaan. Ellei näin ole, säädä vielä hila-linssisysteemin etäisyyttä. Kuten edellä todettiin, tarvetta muuttaa säätöjä ei pitäisi olla. Pyöräytä nyt suojakilpi päälle. TYÖ A: Intensiteetin vaikutus pysäytysjännitteeseen Tutkitaan säteilyn intensiteetin vaikutusta pysäytysjännitteen suuruuteen. Kytke päälaitteeseen virta ja valitse jännitemittarista tasavirta alue välillä 0-20 V. Säädä niveltä siten, että valkoisen valon sijaan varjostimen rakoon osuu ensimmäinen sinertävä viiva. Tämä viiva edustaa UV-säteilyä (varjostimen materiaali on sellaista, että siitä heijastuva valo on näkyvää vaikka jollain muulla pinnalla UV-valoa ei havaitsisikaan. Paina päälaitteen nollausnappulaa ja tarkasta pysäytysjännite, jota mittari jää näyttämään. Jos kaikki on kunnossa niin jännitteen pitäisi olla noin 1.8 V. Ota keltainen suodin ja kiinnitä se varjostimeen (pysyy magneettisesti) ja kohdista juova 60% raon kohdalle. Nyt säteilystä pääsee läpi 60%. Paina jälleen nollausnappia ja tarkasta jännitteen arvo. Muista, että pysäytysjännite kertoo katodista irronneiden elektronien maksimaalisen nopeuden. Säilyykö elektronien pysäytysjännite, ja näin ollen liike-energia samana, kun intentsiteetti putoaa 60%:iin alkuperäisestä? Siirrä niveltä siten, että seuraava viiva osuu rakoon ja suorita koe uudestaan. Johtopäätöksiä Metallista irronneiden elektronien maksimaalinen liike-energia ei riipu säteilyn intensiteetistä vaan ainoastaan säteilyn taajuudesta. UV-säteilyn aallonpituus on esimerkiksi sinistä lyhyempää ja näin ollen UV-säteily on suuri energisempää. Vastaavasti sinisen valo on taajudeltaan suurempaa kuin keltainen ja näin ollen myös energisempää. Intensiteetin pienentyessä elektroneja irtoaa harvemmin, mutta niiden pysäyttämiseen vaadittava jännite on kuitenkin koko ajan yhtä suuri. Vertaapa vielä vaikka aikaa, joka kuluu laitteen nollaamisen jälkeen pysäytysjännitteen ilmestymiseen kun käytät 20% ja 80% suodattimia. 20% tapauksessa aika on huomattavasti pidempi. TYÖ B: Planckin vakion kokeellinen määrittäminen Ota edellisessä työssä käytetty intensiteettisuodatin pois varjostimesta. Ota suojakilpi (5) pois ja varmista, että valojuova osuu koloon, kuten edellisessä työssä kuvattiin, tee tarvittaessa säädöt ja laita suojakilpi takaisin paikoilleen. Tutki ensimmäisen kertaluvun spektriä ja mittaa kolmea ensimmäistä viivaa (UV, violetti ja sininen) vastaavat pysäytysjännitteen arvot ja merkitse ne taulukoon. Muista nollata laite ennen jokaisen arvon lukemista. Mitattessa keltaista ja vihreää vastaavia pysäytysjännitteitä on käytettävä vastaavia suodattimia. Tämä tehdään sen takia, jotta huoneesta taikka laitteistosta heijastuvat korkeammat taajuudet saataisin karsittua mahdollisimman tehokkaasti pois. Mittaa oikeaa suodatinta käyttäen nämäkin kaksi arvoa ja merkitse ne taulukkoosi.

10 Jos muut ryhmät käyttävät laitteistoa niin jätä virrat lamppuun ja katkaise virta yleismittarista. Olet valmis analysoimaan juuri tekemiäsi havaintoja. Tulosten käsittelystä Merkitse taulukkoon keräämiäsi havaintopisteitä vastaavat arvot (U, f)-koordinaatistoon. Muista, että U-akselille tuleva pysäytysjännite esitetään elektronivolteissa eikä volteissa.

11 L4: KYLMÄFYSIIKAN KOKEITA NESTETYPELLÄ Työpisteen tarvikkeet nestetyppeä, termospullo typen siirtelyä varten, keitinlasi 250 ml, muovinen 0,5 l limsapullo, vaahtokarkkeja, posliinimalja, haihdutusmalja, ilmapalloja, kumiletkua, metallilankaa, lyijytiuku, suprajohdekappale ja magneettikuutio, muoviset pihdit, yleismittari, johtimia, NTC- ja PTC- puolijohteet, vaaka, pupil-jännitelähde, 600 kierroksen käämi, pitkä rautasydän ja alumiinirengas, suoja-alusta pöydälle, suojavisiiri ja hansikkaat Turvallisuusohjeet Noudata varovaisuutta nestetypen käsittelyssä. Lämpötila on noin -190 C ja iholle joutunut neste aiheuttaa paleltumia. Käytä suojahansikkaita, suojavisiiriä ja suojalaseja. Kaada töitä varten tarvittava määrä nestetyppeä termoskannuun. Älä kaada suuresta säilytysastiasta typpeä suoraan keitinlaseihin tai muihin pieniin astioihin. Älä sulje termospullon korkkia tiiviisti. A. Kvalitatiivisia kokeita Tiputetaan muutama pisara nestetyppeä mittalasissa olevan lämpimän veden päälle. Mitä havaitaan? Miten ilmiö selitetään? Heitetään muutama pisara nestetyppeä pöydän suojalevylle. Miten kuvailisit pisaroiden liikettä? Oletko nähnyt vastaavaa ilmiötä aiemmin? Laitetaan suljettu ja täyteen puhallettu ilmapallo uunivuokaan. Kaadetaan nestetyppeä ilmapallon päälle. Mitä pallolle tapahtuu ja miksi? Tutkitaan kumiletkun taipuisuutta huoneen lämpötilassa ja nestetyppikäsittelyn jälkeen. Tutkitaan metallilangan taipuisuutta huoneenlämpötilassa ja nestetyppikäsittelyn jälkeen. Yritetään taivutella tai katkaista eri metalleja eri lämpötiloissa. Tehdään havainnot ja yritetään selittää ne. Tutkitaan lyijystä tehdyn tiu un sointia huoneen lämpötilassa ja nestetyppijäähdytyksen jälkeen. Tutkitaan, mitä kudokselle tapahtuu, kun se jäähdytetään alhaisiin lämpötiloihin. Upotetaan tuore salaatinlehti nestetyppeen. Mitä havaitaan? Upotetaan vaahtokarkki joksikin aikaa nestetyppeen ja syödään se. Miksi nestetyppeä ei voi juoda, vaikka siinä pidetty vaahtokarkki ei vahingoita ruoansulatuselimistöä? Kaadetaan hieman nestetyppeä tyhjään limsapulloon. Laitetaan tyhjä ilmapallo pullon suulle. Mitä tapahtuu ja miksi?

12 B. Levitaatio Haihdutusmaljassa olevan suprajohdekappaleen päälle asetetaan magneettipala. Havaitaan, ettei suprajohde ole magneettinen. Otetaan sitten magneettipala pois ja kaadetaan nestetyppeä haihdutusmaljaan. Annetaan kiehua hetken aikaa. Magneettipala asetetaan muovipihtien avulla suprajohdepalan päälle. Mitä tapahtuu ja miksi? C. Lämpötilan vaikutus resistanssiin Kytketään vuorotellen NTC- ja PTC-puolijohde yleismittarin kanssa virtapiiriksi. Seurataan resistanssin muutosta, kun puolijohteet viedään huonelämpötilasta nestetyppeen. Miten ilmiö voitaisiin selittää? Asetetaan pitkä rautasydän pystyasennossa olevan käämin sisään. Pudotetaan alumiinirengas rautasydämen ympärille. Käämi kytketään virtalähteen napoihin. Kytketään virta päälle. Mitä havaitaan ja miten havainto selitetään? Toistetaan koe pitämällä alumiinirengasta ensin nestetypessä. Mistä ero havaituissa ilmiöissä johtuu? D. Nestetypen tiheys Kaadetaan nestetyppeä 100 ml:n mittalasiin ja yritetään mitata massa vaa alla ja tilavuus lukemalla millilitra-asteikkoa. Lasketaan nestetypen tiheys. Mitä ongelmia mittaukseen liittyy? Mitkä ilmiöt aiheuttavat mittausvirheitä?

13 Vastausvinkkejä A. Kvalitatiiviset kokeet Höyrystyvän typen lähellä ilma jäähtyy, vesihöyry tiivistyy ja jopa jäätyy. Leidenfrost - nestetyppipisarat liikkuvat lähes kitkatta niiden ympärille syntyneen typpikaasutyynyn varassa kuten vesipisarat kuumalla keittolevyllä. Ilmapallo kutistuu, kun sisällä oleva ilma tihenee. Vesihöyry ja hiilidioksidi tiivistyvät ja jähmettyvät. Rakenneosasten lämpöliike hidastuu ja joustavuus katoaa. Lyijy kovenee lämpötilan laskiessa ja tiuku soi kirkkaammin. B. Levitaatio Magneetin vieminen jäähdytetyn suprajohteen luo synnyttää suuren induktiovirran, koska suprajohteen resistanssi on olematon. Induktiovirran synnyttämä magneettikenttä on sen suuntainen, että se kohdistaa hylkivän voiman magneettipalaan, joka jää leijumaan. C. Lämpötilan vaikutus resistanssiin Sekä NTC- että PTC-puolijohteen resistanssi kasvaa huomattavasti lämpötilan laskiessa nestetypen lämpötilaan. Lämpöliike hidastuu ja samalla varauksenkuljettajien liike vähenee. Alumiinirengas pomppaa siihen syntyvien induktiovirtojen takia. Kun alumiinirengas on jäähdytetty alhaiseen lämpötilaan, se pomppaa paljon korkeammalle. Metallin resistanssi pienenee lämpötilan laskiessa ja induktiovirta ja samalla magneettikenttä kasvavat suuremmiksi. D. Nestetypen tiheys Nestetyppi kiehuu koko ajan ja yhtäaikainen tilavuuden ja lämpötilan lukeminen on vaikeaa. Jos lukemaa odotetaan liian kauan, ympäröivästä ilmasta tiivistynyt vesi vääristää mittaustulosta.

14 L5: Hallin ilmiö, permeabiliteetin Löytyminen mittaus Yhdysvaltalainen Edwin H. Hall ( ) tutki mm. aineiden sähköjohtavuutta ja löysi menetelmän, jolla hän pystyi mittaamaan virrankuljettajien nopeutta aineissa. Hän asetti levynmuotoisen virtajohtimen kohtisuorasti homogeeniseen magneettikenttään ja havaitsi, että johdin polarisoituu kohtisuorasti sekä magneettikenttää että sähkövirran kulkusuuntaa vastaan. Johtimen reunojen välille syntyy mitattava jännite, jota sanotaan Hallin jännitteeksi U H. Tutkimuksen mukaan jännitteen suuruus riippuu magneettivuon tiheydestä, virrankuljettajien tiheydestä ja nopeudesta aineessa. Hall havaitsi ilmiön vuonna Tämä ns. Hallin ilmiö tekee mahdolliseksi mm. tutkia eri materiaalien, kuten metallien, puolijohteiden ja kaasujen sähkönjohtavuuteen vaikuttavia tekijöitä, virrankuljettajien nopeutta ja tiheyttä aineissa ja mitata magneettivuon tiheyttä. Hallin ilmiöön perustuvat monet hyvin herkät lämpö- ja painemittarit sekä säteilyn ilmaisimet. Hallin jännite Kuva esittää magneettikentässä olevaa Hallin levyä, jossa tapahtuvaa ilmiötä tutkitaan. Levyn mitat ovat a, b ja d. Sähkövirran I ja magneettivuon tiheyden B suunnat on merkitty kuvaan. Virrankuljettajiin vaikuttava magneettinen voima on B=qx. Sen suuruus on FB =qvb ja suunta ylöspäin. Kun levy polarisoituu, siihen syntyy sähkökenttä. Se vaikuttaa virrankuljettajiin voimalla FE = qe alaspäin. Virrankuljettajat liikkuvat magneettikentässä ja sähkökentässä suoraan, kun FB = FE eli qvdb = qe. Nyt levyjen reunojen välinen jännite U = Ed = v d Bd. Virrankuljettajien tiheys (kpl/tilavuusyksikkö) levyssä on n = l/(qvda). Levyn poikkipinta-ala A=ad. Hallin jännite, joka voidaan mitata, on siis UH =(RHIB)/d. RH = 1/nq on ns. Hallin kerroin. Metalleissa elektronien nopeus vd on noin 1 mm/s, puolijohteissa paljon suurempi, noin 0,3 m/s. Johdeliuskaan syntyvä Hallin jännite UH on hyvin pieni, μ V, ja puolijohteisiin, esim. germanium- ja piilevyyn, muutamia millivoltteja.

15 Työn tarkoitus ja välineet Tässä työssä mitataan Hallin antureilla virtakäämien magneettikenttiä ja määritetään tyhjiön permeabiliteetti. 1. Tutkitaan virtakäämin magneettikenttää käämin sisällä ja ulkopuolella ja rautasydämen vaikutusta siihen. Mitataan käämissä kulkeva sähkövirta I ja sen synnyttämän magneettikentän vuon tiheys B. 2. Mitataan avoimessa pitkässä käämissä kulkeva sähkövirta I ja magneettivuon tiheys B Käämin keskellä. Mittaustulosten perusteella määritetään tyhjiön permeabiliteetti eli magneettivakio μ 0. Mittauksissa käytettävät välineet ovat: yleisvirtalähde, volttimittari, ampeerimittari tangentiaalinen Hallin anturi, aksiaalinen Hallin anturi, jännitevahvistin ja sen virtalähde käämi (1200 k), rautasydän, pitkä käämi, sähköjohtoja Hallin anturit on kalibroitu siten, että volttimittarin näytössä 1 voltti vastaa 1 milliteslaa, siis 1 V = mt. Työn suoritus Kytke jännitevahvistimeen sen oma virtalähde, volttimittari (COM...V) ja Hallin anturi. Valitse jännitevahvistimesta mittausalue 30 mt ja volttimittarista tasajännitealue. Tällä kytkennällä mitataan magneettivuon tiheys. Hallin anturin tulee olla kohtisuorassa magneettikenttää vastaan. Kytke käämi (1200 k) ja ampeerimittari (COM... 20a) sarjassa yleisvirtalähteeseen. Sijoita Hallin anturi käämin aukon suulle. Mittaa käämin sähkövirta ja magneettivuon tiheys. Merkitse tulokset työselostuksessa olevaan taulukkoon. Älä ylitä käämin sähkövirran kestoa. Laita käämiin rautasydän ja mittaa magneettivuon tiheys rautasydämen päästä. Toista mittaussarja ja merkitse tulokset taulukkoon. Voit myös tutkia magneettivuon tiheyttä käämin ympärillä. Piirrä kuvaajat samaan (I,B) koordinaatistoon ja pohdi rautasydämen vaikutusta käämin magneettikenttään.

16 Virtamittari Jännitelähde Jännitevahvistin Hall-anturi 2. Vaihda käämin paikalle pitkä avoin käämi. Työnnä Hallin anturi Käämin keskelle. Mittaa sähkövirta ja magneettivuon tiheys. Kirjoita tulokset taulukkoon. Huomaa! Suurin sähkövirta on 5 A. Mittaa käämin pituus ja laske johdinkierrosten lukumäärä. Käännä mittausten loputtua virtakatkaisimet 0-asentoon, myös V- ja A- mittareista. Piirrä kuvaaja (I,B) koordinaatistoon. Tutki, antaako mittaus käämin suureyhtälön (MAOL-taulukot s. 119) ennustaman tuloksen. Määritä kuvaajaa käyttäen tyhjiön permeabiliteetti μ0.

17 L7A: Kondensaattorin latautuminen ja purkautuminen yleismittarin avulla Työssä tarkastellaan kondensaattorien latautumista ja purkautumista ajan funktiona. Työn tarkoituksena on selvittää, miten kondensaattorin jännite sekä kondensaattoriyhdistelmät vaikuttavat purkautumiseen. Välineet: Kytkentäalusta, kolme 10 µf:n kondensaattoria, kaksi yleismittaria, kolme 9 V:n paristoa, yksi 1 MΩ:n vastus, johtimia, kello Teoriaa: Kondensaattori on sähköinen komponentti, joka koostuu kahdesta johdelevystä ja niiden välissä olevasta eristekerroksesta. Tasavirtapiirissä kondensaattori käyttäytyy kuin avoin virtapiiri: sen läpi ei kulje virtaa. Kondensaattorin levyille kuitenkin keräytyy varausta ja levyjen välille syntyy jännite. Kondensaattorin kykyä kerätä varausta kuvaa sen kapasitanssi C, joka määritellään C = Q/U, missä Q on kondensaattoriin keräytynyt varaus ja U kondensaattorin levyjen välinen jännite. Kummallekin levylle keräytyy saman suuruinen mutta erimerkkinen varaus. Koska kondensaattorin levyillä on erimerkkisiä varauksenkuljettajia, on kondensaattoreja mahdollista käyttää virtalähteenä. Kondensaattorien rakenteesta ja toimintatavasta johtuen niistä saatavat virrat ovat yleensä hyvin lyhytaikaisia. Kondensaattorin käyttöä virtalähteenä kutsutaan purkamiseksi: kondensaattorin johdelevyiltä puretaan niille kerääntyneet varauksenkuljettajat sähkövirran muodossa. 1. Kondensaattoriin kytketään jännitemittari sekä virtamittari (µa) ja kondensaattori ladataan 1 MΩ:n vastuksen kautta paristolla. Kondensaattorin jännitettä seurataan koko latauksen ajan ja otetaan ylös latautuneen kondensaattorin jännite.

18 2.. Jännitelähde ja yleismittari irroitetaan kondensaattorista. Virtamittarilla seurataan purkatumisvirtaa ajan funktiona. Ylös kirjataan sopivin väliajoin 10 eri arvoa.

19 3. Toistetaan ensimmäinen mittaus 18 V:n jännitteellä, eli lataamalla kondensaattoria kahdella sarjaan kytketyllä paristolla. Toistetaan koe vielä 27 V:n jännitteellä eli kolmella sarjaan kytketyllä paristolla.

20 4. Seuraavaksi tehdään koe ensin kahdella ja sitten kolmella rinnan kytketyllä kondensaattorilla. Mittaukset tehdään 9, 18 ja 27 V:n jännitteellä.

21 5. Piirretään ruutupaperille tulokset (t, I)-koordinaatistoon ja määritetään sähkövaraus Q kullakin jännitteen arvolla ja kullakin kytkennällä fysikaalisena pinta-alana. 6. Piirretään ruutupaperille (U,Q)-koordinaatistoon ja määritetään kondensaattorin kapasitanssi kulmakertoimena. Määritetään varastoituneet energiat fysikaalisina pinta-aloina. 7. Mitataan vielä kondensaattorin kapasitanssi yleismittarilla ja kondensaattoreiden kapasitanssit rinnankytkennässä ja verrataan tuloksia.

22 L7B: KONDENSAATTORIN LATAUTUMINEN JA PURKAUTUMINEN TIEDONKERÄIMELLÄ Työssä tarkastellaan kondensaattorien latautumista ja purkautumista ajan funktiona. Työn tarkoituksena on selvittää, miten kondensaattorin jännite sekä kondensaattoriyhdistelmät vaikuttavat purkautumiseen. Välineet: Kytkentäalusta, 10 µf:n kondensaattori, 9V:n paristo, 1 MΩ:n vastus, johtimia, CBL 2-tiedonkeräin, TIjänniteanturi Teoriaa: Kondensaattori on sähköinen komponentti, joka koostuu kahdesta johdelevystä ja niiden välissä olevasta eristekerroksesta. Tasavirtapiirissä kondensaattori käyttäytyy kuin avoin virtapiiri: sen läpi ei kulje virtaa. Kondensaattorin levyille kuitenkin keräytyy varausta ja levyjen välille syntyy jännite. Kondensaattorin kykyä kerätä varausta kuvaa sen kapasitanssi C, joka määritellään C = Q/U, missä Q on kondensaattoriin keräytynyt varaus ja U kondensaattorin levyjen välinen jännite. Kummallekin levylle keräytyy saman suuruinen mutta erimerkkinen varaus. Koska kondensaattorin levyillä on erimerkkisiä varauksenkuljettajia, on kondensaattoreja mahdollista käyttää virtalähteenä. Kondensaattorien rakenteesta ja toimintatavasta johtuen niistä saatavat virrat ovat yleensä hyvin lyhytaikaisia. Kondensaattorin käyttöä virtalähteenä kutsutaan purkamiseksi: kondensaattorin johdelevyiltä puretaan niille kerääntyneet varauksenkuljettajat sähkövirran muodossa. Kondensaattorin latautuminen: Tee oheisen kytkentäkaavion mukainen kytkentä.

23 Kytke jänniteanturi CBL 2-keräimen kanavaan CH1. 1. Paina ON 2. Paina APPS-näppäintä 3. Siirry kohdistinnäppäimen avulla kohtaan DataMate ja paina ENTER 4. Paina 1 (Setup) 5. Siirry kohdistinnäppäimen avulla kohtaan MODE ja paina ENTER 6. Paina 2 (Time Graph) 7. Paina 2 (Change Time Settings) 8. Kirjoita kohtaan time between samples 0.1 ja kohtaan number of samples Paina 1 (OK) 10. Paina 2 (OK) Sulje virtapiiri ja aloita samalla mittaus painamalla 2 (START). Tutki kondensaattorin latautumiskäyrää. Kondensaattorin purkautuminen: Siirry CBL 2:n päävalikkoon. Poista kytkennästä paristo ja korvaa se johtimella. Sulje virtapiiri ja käynnistä samalla mittaus painamalla 2 (START). Tutki kondensaattorin purkautumiskäyrää.

24

25 L8: Vaihtovirtapiiri A. Vastus vaihtovirtapiirissä Kytketään kaksi polttimoa sarjaan funktiogeneraattorin kanssa. Valitaan funktiogeneraattorista noin 3 V sinimuotoinen jännite, niin että lamppu saadaan palaamaan sopivalla kirkkaudella. Pidetään jännite vakiona ja kasvatetaan taajuutta nollasta alkaen. Muuttuuko lampun kirkkaus taajuuden muuttuessa? Vertaa lampun syttymistä ja sammumista funktiogeneraattorin antaman taajuuslukeman kanssa. B. Käämi vaihtovirtapiirissä Kytke lamppu, vastus ja 600 kierroksen käämi sarjaan funktiogeneraattorin kanssa. Valitse funktiogeneraattorista sinimuotoinen jännite (n. 4 V). Tutki piirissä kulkevaa virtaa samalla kun muutat jännitteen taajuutta välillä 10 Hz ja 10 khz. Merkitse virran ja taajuuden arvot ylös, jotta voit vertailla arvoja myöhemmin.

26 Toista koe siten, että lisäät käämiin rautasydämmen. Mitä havaitset? Toista vielä koe siten, että vaihdat 600 kierroksen käämin 1200 kierroksen käämiin. C. Kondensaattorin vaihtovirtapiirissä Kytke 10 μf kondensaattorin, vastuksen kanssa sarjaan funktiogeneraattorin kanssa. Valitse funktiogeneraattorista sinimuotoinen jännite. Muuta jännitteen taajuutta ja seuraa virran suuruutta mittaamalla yleismittarilla taikka seuraamalla lampun kirkkautta. Mitä havaitset? D. Piirin resonanssitaajuuden määrittäminen Kytke sarjaan lamppu, käämi ja kondensaattori 6,0 V jännitteeseen. Käytä kääminä 1200 kierroksen käämiä ilman rautasydäntä. Vaihtele taajuutta 1 khz taajuusalueella. Koeta etsiä taajuus, jolla lamppu palaa kaikkein kirkkaimmin. Lampun palaessa kirkkaimmillaan piirin impedanssi Z on

27 mahdollisimman pieni (impedanssin tarkoittaa virtapiirin kykyä vastustaa vaihtovirran kulkua). Impedanssin on pienimmillään, kun f = 1/2π (LC) ja tätä arvoa kutsutaan piirin resonanssitaajuudesksi. Vertaa laskennallisesti saatua resonanssitaajuutta mitattuun arvoon. E. Lisätehtävä Lisää D-kohdan sarjaankytkentään kaiutin ja laita käämiin rautasydän. Etsi resonannsikohta lampun kirkkautta seuraamalla. Kuuntele äänenvoimakkuuden vaihtelua. Mitä havaitset? Voidaanko kuuntelemalla äänenvoimakkuutta seurata virran vaihtelua?