DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET

Transkriptio

1 DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET Kurssin esittely Sähkömagneettiset ilmiöt varaus sähkökenttä magneettikenttä sähkömagneettinen induktio virta potentiaali ja jännite sähkömagneettinen energia teho Määritellään sähkötekniikan perussuureita ja yritetään ymmärtää, mitä ne käytännössä tarkoittavat. 1

2 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. 2

3 SÄHKÖKENTTÄ JA MAGNEETTIKENTTÄ Sähkökenttä ja magneettikenttä ovat olioita, joiden avulla ihmiset mallintavat sähkömagneettisia ilmiöitä. Matkapuhelimet ja langaton tiedonsiirto perustuvat sähkömagneettisiin aaltoihin, joihin perustuvat myös tv:n, radion, mikroaaltouunin ja esimerkiksi röntgenkuvauksen toiminta. Myös auringonsäteily (UV, valo, lämpösäteily) ja mikä tahansa lämpösäteily ovat sähkömagneettisia aaltoja. Kun puhutaan sähkömagneettisesta energiasta, tarkoitetaan käytännössä sitä, että sähkö- ja magneettikenttä varastoivat energiaa. Itse asiassa sähkökenttä ja magneettikenttä ovat ainoita vaihtoehtoja sähköenergian varastointiin sellaisenaan. Siksi sähköenergian varastoiminen on vaikeaa. 3

4 SÄHKÖVIRTA I (Ampeeri A) Sähkövirta on varausten liikettä. Kun yhden coulombin suuruinen varaus ohittaa tarkastelukohdan joka sekunti, sähkövirran suuruun on yksi ampeeri. o Elektronin varaus on noin C, joten yhden Coulombin varaus tarkoittaa noin elektronia. Sähkövirta I määritellään varauksena aikayksikköä kohti: I dq. dt Siirtynyt kokonaisvaraus saadaan integroimalla: t. 0 t0 Q I t dt Q 4

5 POTENTIAALIENERGIA MEKANIIKASSA POTENTIAALIENERGIA SÄHKÖTEKNIIKASSA 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. 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. 5

6 POTENTIAALI V ja JÄNNITE U (Voltti, V) Jännite saadaan integroimalla sähkökenttää paikan suhteen, joten potentiaalienergia voidaan lausua muodossa W = qu. Sähkökenttä siis synnyttää jännitteen U. Potentiaali V määritellään varauksen potentiaalienergia varausyksikköä kohti: V dw dq. Jännite U voidaan lausua myös kahden pisteen välisenä potentiaalierona: U V V dw dw d W W dw dq dq dq dq Potentiaali on pisteeseen liittyvä suure. Jännite vaikuttaa aina kahden pisteen välillä. 6

7 TEHO P (Watti W) ja ENERGIA W (Joule J) Käytännön sähkölaitteiden toimintaa kuvaavana suureena teho on usein virtaa ja jännitettä käytännöllisempi (esim. hehkulamput). Teho P on energia aikayksikköä kohti: P dw. dt Sähkötekniikassa komponentin teho saadaan komponentin jännitteen ja virran tulona: dw dw dq P UI dt dq dt Energia saadaan integroimalla: t. 0 t0 W Pdt W 7

8 JÄNNITTEESTÄ ja VIRRASTA Sivulla 2 mainittiin seuraavasti: "Jos varaus tekee työtä, tai jos varauksille tehdään työtä, syntyy jännite." Varaus tekee työtä esimerkiksi vastukseksi kutsutussa piirikomponentissa. Koska varausten liike vastuksessa ei ole häviötöntä, ne menettävät energiaansa kulkiessaan vastuksen läpi. Tästä syntyy jännite, joten vastuksessa virta synnyttää jännitteen. Kun vastuksen jännite ja virta kerrotaan keskenään, saadaan teho, jolla sähköenergiaa (eli varausten liike-energiaa) muuttuu vastuksessa lämpöenergiaksi. Paristo on esimerkki laitteesta, joka tekee varauksille työtä. Pariston sisällä tapahtuvien kemiallisten reaktioiden seurauksena vapaiden elektronien potentiaalienergiaa saadaan kasvatettua niin, että paristo toimii teholähteenä. Kun pariston napojen välille kytketään johdin, johtimessa alkaa kulkea virta. Paristossa siis jännite synnyttää virran. Kun pariston jännite ja virta kerrotaan keskenään, saadaan teho, jolla paristo syöttää sähköenergiaa johtimeen. 8

9 SÄHKÖMAGNEETTINEN INDUKTIO Sähkömagneettinen induktio on luonnonilmiö, jota hyödynnetään yleisesti sähkötekniikan sovelluksissa. Magneettikentän muutos ajan suhteen synnyttää aina sähkökentän. Sähköenergian tuotanto (ydin-, hiili-, vesi-, tuulivoimalat, ym...) tapahtuu generaattorilla, josta ohessa on yksinkertaistettu esimerkki. Merkittävistä sähköenergian tuotantomenetelmistä aurinkosähkö on ainoa, joka ei hyödynnä generaattoreita. Induktioliesi on esimerkki sähkömagneettista induktiota hyödyntävästä arkisovelluksesta. Tällä kurssilla sähkömagneettinen induktio tulee vastaan ainakin aihepiireissä keskinäisinduktanssi ja sähkökoneet. 9