Sähköiset perussuureet. 1 DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

Transkriptio

1 DEE Piirianalyysi Sähköiset perussuureet 1

2 DEE Piirianalyysi kevät 2016 ; III + IV periodi Luennot, III periodi Ma S1 Ti S4 Luennot, IV periodi Ma S1 Harjoitukset, III + IV periodi Ti SJ 204 Ke SE 203 To SE 203 Valtteri Lahtinen, SH 304 Tiina Salmi, SH 309, SH 311 2

3 Kurssin kotisivu + kurssimateriaali tut.fi/smg/studies.php Opintomoniste Nilsson & Riedel: Electric Circuits 7th ed. Prentice Hall 3

4 DEE Piirianalyysi Suoritusvaatimukset: Hyväksytysti suoritettu tentti tai Hyväksytysti suoritetut välikokeet Ennakkotehtävät Laskuharjoitukset Hyvityspisteet 4

5 Sähkötekniikan kehitys (viimeiset 50 vuotta) Mooren laki (1965) Transistoreiden määrä integroiduissa piireissä kaksinkertaistuu kerran kahdessa vuodessa. 5

6 Muita (ei niin hyviä) tunnettuja ennusteita USA:n patenttitoimiston virkailija J.H. Duell (1889): Kaikki, mitä voidaan keksiä, on keksitty. IBM:n toimitusjohtaja Thomas Watson (1943): Luulen, että maailmassa on markkinat ehkä viidelle tietokoneelle. 6

7 Muita (ei niin hyviä) tunnettuja ennusteita DEC:in toimitusjohtaja Ken Ohlson (1977): Ei ole mitään syytä, miksi kukaan haluaisi tietokonetta kotiinsa. Microsoftin perustaja Bill Gates (1981): 640 kb muistia pitäisi riittää kaikille. 7

8 Mitä sähkötekniikan yliopisto-opiskelu tarkoittaa? 8

9 Mallit ja menetelmät abstraktiotason ääripäät Piirianalyysissa kolmiulotteiset kappaleet kuvataan yksinkertaisilla malleilla, joissa sähkö- ja magneettikenttien sijaan käytetään jännitteitä ja virtoja. 9

10 Sisältö kompressoituna Piirikomponentit Tasasähköpiirit Laskentamenetelmät Vaihtosähköpiirit Sinimuotoiset suureet 10

11 Opintojakson tavoitteet Saada käsitys sähkötekniikka-alan taustalla vaikuttavista luonnonilmiöistä. Antaa kohderyhmän opiskelijoiden työkalupakkiin piirianalyysin perustyökaluja: tasasähköpiirit, jatkuvuustilan vaihtosähköpiirit, kytketyt piirit. 11

12 Yleinen ratkaisufilosofia Ongelman identifiointi Piirikaavio tai visuaalinen malli Formuloi Ratkaise Kritisoi Ratkaisumenetelmän valinta Ongelman matemaattinen ratkaisu Ratkaisumenetelmän kritisointi Ratkaisun arviointi ja testaus 12

13 Terminologiaa? Sähkövetureille virtaa syöttävissä johdoissa kulkee voltin voima, eli virtaa on sata kertaa enemmän kuin kotoisessa pistorasiassa. Aamulehti

14 SI -yksiköt Pituus, metri [m] Massa, kilogramma [kg] Aika, sekunti [s] Sähkövirta, ampeeri [A] Lämpötila, kelvin [K] Ainemäärä, mooli [mol] Valovoima, kandela [cd] R F C K Water boils Water freezes ( K) Superconducting region Methane boils Oxygen boils Nitrogen boils CRYOGENIC REGION Hydrogen boils Helium boils 0 Absolute zero 14

15 Kryogeniikka (Cryogenics) frost to produce Etymologically, cryogenics means the science and art of producing cold. Kamerlingh Onnes,

16 Etuliitteet 10 12, Tera T 10 9, Giga G 10 6, Mega M 10 3, Kilo k 10-3, milli m 10-6, mikro , nano n 10-12, piko p 10-15, femto f 10-18, atto - a Levykondensaattorin kapasitanssi on 50 F 16

17 Olkiluoto 3 P = W = kw = MW = 1.6 GW 17

18 ITER fuusioreaktori Gadaracheen P = 500 MW Q-luku = 10 Plasman koossapito ja hallinta perustuu magneettiseen koossapitoon. Valmistuu ~

19 Fuusio on päivastainen reaktio kuin fissio 19

20 Fuusio massa on energiaa E = mc 2 20

21 Fuusio loppumaton energian lähde 0.7 % massasta muuttuu energiaksi Auringossa 4 miljoonaa tonnia ainetta muuttuu energiaksi joka sekunti T sun core ~ 15 x 10 6 K DT-fuusio maapallolla vaatii T ~ 100 x 10 6 K 21

22 Jos massa muuttuisi energiaksi, 0.5 kg ainetta tuottaisi saman verran energiaa kuin Olkiluoto 3 yhdessä vuodessa. 22

23 Aineiden rakenteesta Atomin rakennetta voidaan kuvata alkeishiukkasista kootulla atomimallilla. Vety: yksi protoni + yksi elektroni H 2 : atomi 1.1 x 10-7 mm H 2 : ydin 3 x mm 23

24 Sähkövaraus Q (Coulomb, C) Perusta kaikille sähköisille ilmiöille. Positiivinen tai negatiivinen. Varaus synnyttää ympärilleen aina sähkökentän, jonka suunta on määritelty positiivisesta varauksesta kohti negatiivista varausta. Magneettikenttä syntyy joko liikkuvista varauksista tai ajan suhteen muuttuvasta sähkökentästä. Samanmerkkiset varaukset hylkivät toisiaan, vastakkaismerkkiset vetävät toisiaan puoleensa. Varausten liike on sähkövirtaa. Jos varaus tekee työtä, tai jos varauksille tehdään työtä, syntyy jännite. 24

25 Sähkökenttä on varauksiin vaikuttava voimakenttä. 25

26 Perussuureet Varaus: Q, q(t); [As] = [C] Q e = -1,602 x C Virta: I, i(t); [A] Kiinteillä aineilla sähkövirta on pääasiassa elektronien liikettä. dq i( t) [ C / s A] dt Virta on varausten määrä aikayksikössä. 26

27 Coulomb & Ampere Charles Coulomb André Ampere

28 Varaus ja sähkökenttä Kiinteän varauksen ympärille syntyvää voimakenttää kutsutaan sähkökentäksi E 28

29 Potentiaalienergia mekaniikassa Gravitaatiokiihtyvyys g aiheuttaa kuulaan (massa m) voiman: F = mg. Kun kuula työnnetään mäen pohjalta mäen päälle, tehdään työ: W = Fh. Lukonmäen päällä olevalla kuulalla on tehdyn työn verran potentiaalienergiaa mäen pohjalla olevaan kuulaan verrattuna: W = mgh. 29

30 Potentiaalienergia sähkötekniikassa taso C Sähkökenttä E vetää positiivista varausta q kohti kuvan alareunaa: F = qe. Kun q siirretään tasolta A tasolle B, tehdään työ: W = Fh. Tasolla B olevalla varauksella on tehdyn työn verran potentiaalienergiaa tasolla A olevaan varaukseen verrattuna: W = qeh. 30

31 Perussuureet (Cont.) Potentiaali = potentiaalienergia varausyksikköä kohti V = W/Q, [V] = J/C = V (voltti) Potentiaaliero = jännite, U BC = V AB V AC [U] = V V, v(t); U, u(t) Alessandro Volta

32 Sähköenergia ja -teho Hetkellinen teho p( t) u( t) i( t) Teho = työ aikayksikköä kohti; [p] = J/s =VC/s = VA = W (watti) Energian kulutus aikavälillä [0 T] T W p( t) dt 0 James Watt

33 Review Question 1 Hehkulamppu toimii 120 voltin jännitteellä. Mikä on lampun teho, mikäli tunnin aikana lampun kautta kulkee x elektronia? A) B) C) 50 W 100 W 150 W D) 200 W 33

34 Esimerkki Taskulampussa on 1.5 V:n paristo, joka antaa 9 ma:n virran 40 tunnin ajan. Tänä aikana jännite laskee lineaarisesti 1 V:iin. Paljonko paristo luovuttaa energiaa kyseisen 40 tunnin aikana? 34

35 35 W A V h p W A V p ) ( (0) Määritetään suoran yhtälö, kulmakerroin ) / ( s W t t p p k Suoran yhtälö: ) ( ) ( ) ( t t p t t k p t p Energia saadaan integroimalla tehoa: t t dt t W ) ( = 1620 J

36 Yhteenveto Opintojakson rakenne Sähkötekniikan historiaa Sähköiset perussuureet 36