Kondensaattori ja vastus piirissä (RC-piiri)

Transkriptio

1 Kondensaattori ja vastus piirissä (RC-piiri) Virta alkaa kulkea, kondensaattori varautua, vastustaa yhä enemmän virran kulkua I Kirchhoffin lait ovat hyvä idea 1. Homogeeniyhtälön yleinen ratkaisu: 2. Epähomogeeniyhtälön erityisratkaisu:

2 Kondensaattori ja vastus piirissä kuvina (RC) I

3 Kondensaattori ja vastus piirissä (RC) Kondensaattori varattu: Q0 = CV0 Suljetaan katkaisija S Epäilemättä kondensaattori purkautuu, mutta miten? Kirchhoffin 2. sääntö (jännitetasapaino): VC(t) + VR(t) = 0 Kirchhoffin 1. sääntö (virtatasapaino): I(t) = dq/dt

4 Kondensaattori ja vastus piirissä (RC) 1. Ratkaisuyrite: 2. Sijoitus yhälöön: Tässä on aikavakio: τ = RC 3. Alkuarvo:

5 Käämi menee piiriin: induktanssi Ne, joiden mielestä muuntaja toimii näin ovat oikeassa Keskinäisinduktanssi M riippuu geometriasta suunnittelu Jos di1/dt 0, niin epäilemättä käämin 2 läpi kulkeva magneettivuo ΦB muuttuu eli dφb/dt 0 Indusoituu jännite. Ei ole suuri ihme, että tähän tulee yksi vakio: keskinäisinduktanssi I1 ja kun käämien roolit vaihdetaan: ja lopulta:

6 Käämi menee piiriin: induktanssi Kaksi käämiä siis vaikuttaa toisiinsa seuraavasti: virta muuttuu magneettivuo muuttuu indusoituu jännite Mutta tarvitaanko tähän kaksi käämiä vai riittäisikö yksikin: virta muuttuu magneettivuo muuttuu indusoituu jännite Kyllä riittää. Otetaan käämi ja johdetaan sen läpi muuttuva virta käämin päiden väille Faradayn lain mukaan indusoituu jännite, joka Lenzin lain mukaan vastustaa virran muutosta. L on (itseis)induktanssi

7 Induktanssi: solenoidi Ampèren lain avulla saimme magneettikentän voimakkuuden B:

8 Käämi menee piiriin: magneettinen energia Itseinduktion sähköteho on: eli: Käämi säilöö magnetostaattista energiaa. Kondesaattori säilöö sähköstaattista energiaa Tämä energia on säilötty käämin magneettikenttään. Tulosta kannattaa verrata kondensaattoriin:

9 Magneettinen energia: solenoidi Taas kerran on rehellistä kysyä: Mihin se energia meni? Magneettikentän energiatiheys (energia / tilavuus): Kokeneesti vertaamme sähkökenttään:

10 Kolmen sortin komponenttia Nimi Tyyppi Symboli Jännitehäviö Vastus Resistiivinen R VR = RI Kondensaattori Kapasitiivinen C VC = Q/C Käämi Induktiivinen L VL = -L di/dt Piirrosmerkki Piirrosmerkit:

11 Käämi piirissä Kirchhoffin lait pätevät yhä: L Pelkkä käämi johtaa siis rajatta kasvavaan virtaan! V0 R C V0 V0 Vertaa tuttuihin tuotteisiin:

12 LR-piirit Pelkkä käämi tasajännitelähteen kanssa ei ollut niin kovin hyvä idea. Lisätään siis vastus. Kirchhoffin lait ovat edelleen ihan hyvä idea. Differentiaaliyhtälö! HY: EHY: HY + EHY: Alkuehto I(0)=0:

13 LR-piirit Piirin yhtälö on nyt vain HY: ja alkuehto: Energia: Käämiin varastoitunut magneettinen energia kuluu vastuksessa.

14 Vauhtiin päästyä: LC-piirit Kirchhoffin lait ovat edelleen ihan hyvä idea. Jännitelaki: Varauksen säilyminen: Näyttää kumman tutulta, vrt: Joten, taas:

15 Tämän hetken piirit Piiri Yhtälö R RC 1. kertaluvun differentiaaliyhtälö LR 2. kertaluvun differentiaaliyhtälö LC

16 Vaihtovirtapiirit Vaihtovirtapiirissä on Jännitelähde (generaattori tai verkkojännite) Komponentteja, joita mallinnetaan vastuksella, kondensaattorilla ja käämillä

17 Vaihtovirtapiirit Vaihtovirtapiirin käytös riippuu jännitelähteen kulmataajuudesta

18 Vaihtojännite ja -virta: Miten tarkastella? Käytännössä generaattorimme tuottavat sinimuotoista (tai kosinimuotoista) jännitettä. Ei ole käytännöllistä puhua vaihtojännitteestä sinimuotoisena funktiona. Mutta miten sitten? Jaksonaika T = 2π/ω, tämän sisällä kaikki toistuu. 2. Entä huippuarvo V0? 1. Olisko keskiarvo hyvä mittari? Ei surkein mahdollinen vaihtoehto. Tosin kuvaa vain ääriarvoa. 3. Entä tehollinen keskiarvo Vrms? Aina nolla. Ei kovin nerokasta. Käytännössä aina käytössä, merkitään jopa Vrms = V

19 Vaihtojännite ja -virta: Teholliset arvot Kun piirissä vain vastuksia: Kuinka käy sähkötehon P(t) = V(t) I(t) =?

20 Vaihtovirtapiirit (L + vaihtojännitelähde) Kirchhoffin laki: virta ja jännite eri vaiheessa I0 = V0/(L ω)

21 Vaihtovirtapiirit (C + vaihtojännitelähde) Kirchhoffin laki: virta ja jännite eri vaiheessa I0 = ωcv0

22 Esimerkki: L-vaihtovirtapiiri: virta kulkee, tehoa ei kulu? P>0 V V I P<0 I P = VI

23 Vaihtovirtapiirit (se viimeinen: RLC + vaihtojännite) Kirchhoffin laki: Yrite: Induktiivinen reaktanssi XL = ωl Kapasitiivinen reaktanssi XC = 1/ωC

24 Vaihtovirtapiirit (se viimeinen: RLC + vaihtojännite) Z2, Z = impedanssi

25 Vaihtovirtapiirit (se viimeinen: RLC + vaihtojännite) Tehollinen virta = Tehollinen jännite / Impedanssi

26 Teho siinä viimeisessä vaihtovirtapiirissä (RLC) Tehokerroin

27 Viimeinen vaihtovirtapiiri (RLC)

28 Kootaan tulokset: RLC-vaihtovirtapiiri Nimi Tehollinen vaikutus Vastus Resistiivinen Tehollinen suuruus Piirrosmerkki R Kondensaattori Käämi Kapasitiivinen reaktanssi Induktiivinen reaktanssi XC = 1/ωC XL = ωl Teho: Impedanssi: Virta:

29 Kootaan tulokset: RLC-vaihtovirtapiirin teho Muodollista tehoa kutsutaan näennäistehoksi: Yksikköboxi: Todellinen piirissä kuluva teho on pätöteho: [P] = W (watti) [S] = VA (volttiampeeri) [Q] = var (vari) Piirin palauttama teho on loisteho.

30 Esimerkki: kuristin vaihtovirtapiirissä MitenTasavirtapiirin kävi: 1. Virta virtaa pieneni, Laitteenvain ottama teho pieneni voi2.rajoittaa vastuksella. 3. Myös jännitelähteen antama pätöteho pieneni Vaihtovirran tapauksessa tilanne on toisin.

31 Jännitteet komponenttien yli RLC-piirissä? + eli tehollisina arvoina: + erityisesti:

32 RLC-piirin resonanssi Koska RLC-piirin yhtälö virralle: on samanlainen kuin mekaanisen pakkovärähtelijän: niin piirinkin saa resonanssiin. Virta I on suurimmillaan, kun ωl = 1/ωC ω = ω0 = 1/ LC

33 Sähkömagnetismi: kertaus Kurssin keskeisimmät asiat? 1. Sähkö- ja magneettikenttä 2. Lait sähkö- ja magneettikentille eli Maxwellin yhtälöt 3. Lorentzin voima 4. Sähkömagneettinen aalto 5. Kapasitanssi- ja induktanssi-ilmiöt 6. Kondensaattori ja käämi komponentteina 7. RC-, RL- ja RLC-vaihtojännitepiirit