1 Sähkötekniikan peruskäsitteet

1 Sähkötekniikan peruskäsitteet Mitä sähkö on? 1/P Täydennä teksti. Atomin ydin koostuu ja. Ulospäin sähköttömän atomin ydintä kiertävien negatiivisesti sähköisten lukumäärä on sama kuin positiivisesti sähköisten lukumäärä ytimessä. Atomin järjestysluvun ilmoittaa lukumäärä ja massaluvun protonien ja neutronien lukumäärien. Täydennä taulukkoon, miltä atomin sähköisyys vaikuttaa ulospäin taulukon tilanteissa. protonien > määrä elektronien määrä protonien = määrä elektronien määrä protonien < määrä elektronien määrä 2/P [a] Millaista atomia kutsutaan positiiviseksi ioniksi negatiiviseksi ioniksi? [b] Millaiset varaukset hylkivät toisiaan vetävät toisiaan puoleensa? 3/P Täydennä teksti. Sähkövarauksen suuretunnus on ja mittayksikkö (lyhenne ) tai (lyhenne ). 1 C:n sähkövaraus vastaa elektronin varausta. Sähkövaraus varastoidaan esimerkiksi tai. 1 Sähkötekniikan peruskäsitteet 7

4/P Hopeaoksidinappiparisto antaa 0,19 ma:n virtaa 900 tuntia. Kuinka suuri sähkövaraus paristosta saadaan? I ma 0,18 0,16 0,14 SR44 Jatkuva purku 8,25 kω:n vastukseen (U 1,5 V) 200 400 600 800 t/h 5/P Superkondensaattorin varauskyvyksi on ilmoitettu 1,5 F eli 1,5 As/V. Kuinka suuri sähkövaraus varautuu kondensaattoriin 20 V:n jännitteellä? 6/P Metallijohde on sähkötön, mutta siinä on vapaita elektroneja. Metallijohde I Vapaa elektroni I [a] Merkitse metallijohteen päihin napaisuusmerkinnät, kun kytkin on kiinni. [b] Täydennä teksti (metallijohde on ulospäin sähkötön). Kun kytkin on kiinni, johteen vasemmanpuoleinen pää vetää metallijohteesta johteesta tulee varautunut johde vetää pariston negatiivisesta kohtiosta. Elektroneja virtaa jatkuvasti johteen läpi lta lle. Liikkeen saa aikaan varausten välinen vetovoima ja varausten välinen työntövoima. [c] Täydennä kuvaan elektronien ja virran kulkusuunnan nuoli. 7/O Lisää taulukkoon materiaalinimitykset muovi, hiili ja alumiini sekä materiaalien sähkönjohtokyky ja vapaiden elektronien määrä. Materiaali kupari Sähkönjohtokyky hyvä huono Vapaita elektroneja erittäin vähän 8 SÄHKÖTEKNIIKKA

Sähkövirran vaikutukset 1/P Kirjoita taulukkoon, mihin sähkövirran vaikutukseen seuraavien laitteiden toiminnat perustuvat: sähkölämmitin, paristo, sähkömoottori, vedenkeitin, kaiutin, galvanointi, lämpörele, loistelamppu, ledilamppu, muuntaja, elektrolyysi, polkupyörän dynamo, sähkömagneetti, halogeenilamppu ja sulake. Lämpövaikutus Magneettinen vaikutus Kemiallinen vaikutus Valovaikutus Sähkölämmitin 2/P Mihin sähkövirran vaikutuksiin laitteiden toiminta perustuu? 1 3 AKKU 12 V 24 Ah 2 10 5 0 5 10 4 6 5 LED Li-ion akku 18650 3,7V 2600 mah 3/O Vastaa seuraaviin kysymyksiin viereisen kuvan ja oppikirjan sivun 23 avulla. [a] Mikä on pienin virta-arvo, jonka ihminen tuntee? [b] Millä alueella kädestä käteen kulkeva virta ei aiheuta käsien täydellistä kouristumista, joka estää sormien puristusotteen avaamisen Vaikutusaika/sekuntia 10 5 2 1 0,5 0,2 0,1 0,05 0,02 0,01 30 ma:n vikavirtasuojakytkin 1 2 3 4 0,5 1 2 5 10 100 1000mA 20 30 aiheuttaa käsivarsien nipistelyä ja lievää kouristumista? [c] Millä alueella virta aiheuttaa voimakkaita lihaskouristuksia ja vaikeuttaa hengitystä synnyttää soluvaurioita, ja hengitys ja sydän voivat pysähtyä? 1 Sähkötekniikan peruskäsitteet 9

[d] Kuinka voimakas virta voi aiheuttaa sydänkammiovärinän, kun virta vaikuttaa yli sekunnin ajan (yli sydänjakson) alle 0,5 s:n ajan (alle sydänjakson)? [e] Kuinka nopeasti henkilösuojana käytetty 30 ma:n vikavirtasuojakytkin toimii? 30 ma:n vikavirtasuojainkytkimen tulee laueta 15 30 ma:n virralla. Sähkölähteet 1/P Viereisessä kuvassa on esitetty sähkögeneraattorin periaatteellinen rakenne. Vastaa kuvan avulla tehtäviin a ja b. [a] Merkitse osan nimityksen eteen sitä vastaava numero viereisestä kuvasta. liukurengas 1 2 N 6 hiiliharja kuorma johdinsilmukka 3 4 S 5 kestomagneetti [b] Täydennä kuvan perusteella seuraava lause. Generaattorin avulla muutetaan pyörää 6 pyörittävä energia energiaksi, joka muuttuu lampussa ja. 2/P Mitkä suureet on leimattu oppikirjan sivun 25 paristoihin ja akkuihin? 10 SÄHKÖTEKNIIKKA

3/P [a] Mikä on K-tyypin termoparin lämpötila oppikirjan sivun 26 esimerkissä, kun se synnyttää 12 mv:n jännitteen? [b] Täydennä taulukkoon termoparien puuttuvat jännite- ja lämpötila-arvot. U/mV 70 60 50 40 Tyyppi E K J U 30 20 10 0 S Termopari Termoparit: E = NiCr CuNi (konstantaani) J = Fe CuNi K = NiCr Ni S = Pt10Rh Pt 10 200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 t / C E-tyypin lämpöpari K-tyypin lämpöpari S-tyypin lämpöpari Jännite mv 30 25 5 Lämpötila C 900 1 300 1 600 Perussuureet 1/O Jotta sähkötekniset asiat olisivat helpommin ymmärrettävissä, rinnastetaan sähkövirtapiiriä usein vesivirtapiiriin. [a] Nimeä sähkövirtapiirin osa, joka vastaa viereisen vesipiirin pumppua venttiiliä putkea siipipyörää V P Siipipyörä ja työkone h [b] Mikä sähköjuure vastaa vesipiirin veden virtausnopeutta vesimäärää vesipintojen korkeuseroa h 1 Sähkötekniikan peruskäsitteet 11

2/P Kuvissa A C on esitetty kolmen jännitteen ajallinen vaihtelu. [a] Nimeä jännitteet kuvien alapuolelle. [b] Merkitse kuvien alapuolelle myös jännitteiden maksimi- ja minimiarvot. A +u 0 20 10 B +u 20 10 C +u 10 t 0 t 0 t 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 30 20 10 u 20 5 V/DIV 5 ms/div 10 u 20 5 V/DIV 2 ms/div 20 30 u 10 V/DIV 5 ms/div [c] Kuinka suuri kuvien B ja C jännite on 5 millisekunnin kuluttua 10 millisekunnin kuluttua 15 millisekunnin kuluttua 20 millisekunnin kuluttua 3/O Vastaa kysymykseen a kuva perusteella. Teholähde L Jännitelähde 230 VAC 230 VAC 12 VDC N 12 VDC LED-ohjain Vakiojännitelähde 12 VDC Pulssisuhdehimmennin (PWM) Ledinauha A B C u = 325 V U = 230 V U = 12 V U = 12 V Pulssileveysmoduloitu jännite (PWM-jännite) Kun jännitepulssin kestoa lyhennetään, ledien läpi kulkee virtaa lyhyemmän ajan ja ledit antavat valoa vähemmän. Pulssitaajuus on yleensä > 200 Hz eli enemmän kuin 200 pulssia sekunnissa. [a] Nimeä jännitteet A C. A = B = C = 12 SÄHKÖTEKNIIKKA

[b] Millä pulssisuhteella (jännite päällä / jännite pois päältä) led-ohjain syöttää led-nauhaa kuvien D G tilanteissa? Kuinka monta % led-nauha antaa valoa ei tilanteissa? D U = 12 V E F G U = 12 V U = 12 V U = 12 V 4/P [a] Ilmoita seuraavat siirto- ja jakelujännitteet voltteina. 400 kv = 220 kv = 110 kv = 20 kv = 0,4 kv = [b] Ilmoita seuraavat pienjännitteet kilovoltteina. 690 V = 400 V = 230 V = [c] Ilmoita seuraavat pienoisjännitteet milli-/kilovoltteina. 50 VAC = 24 V = 120 VDC = 12 V = 5/P Ilmoita seuraavat jännitteet voltteina. [a] Termoparien E, K ja S jännitteet 800 C:een lämpötilassa: E = 61,0 mv = K = 33,3 mv = S = 7,35 mv = [b] Oikean käden ja vasemman jalan väliltä mitattu EKG-jännite 1 1,6 mv = 6/P [a] Ilmoita sähköradan, metron, raitiotien ja sähköauton jännitteet kilovoltteina: sähkörata 25 000 VAC = raitiotie 600 VDC = metro 750 VDC = sähköauton akusto 360 V = [b] Ilmoita seuraavat jännitteet etuliitteiden avulla: salaman jännite 40 000 000 V = Wimshurstin influenssikoneen kehittämä jännite 60 000 V = staattinen jännite 15 000 V = 1 Sähkötekniikan peruskäsitteet 13

7/P Täydennä taulukon pystysarakkeiden tyhjiin tiloihin puuttuvat jännitteet. 1 2 3 4 5 6 7 kv 3,0 0,5 V 80 380 mv 280 5,5 2 500 8/P Laske seuraavien jännitteiden summat. [kokopitkät vastausviivat] [a] 50 mv + 3,77 V + 2 860 mv + 5,72 V [b] 300 mv + 1 200 mv + 3 100 mv + 6,20 V [c] 8 000 mv + 400 mv + 11,5 V + 230,1 V [d] 173 V + 900 mv + 6,7 V + 15 3,1 V + 900 mv 9/P Selosta, mikä ero on tasajännite- ja vaihtojännitelähteen syöttämillä virroilla. 10/P [a] Luettele tasasähköllä toimivia laitteita. [b] Luettele vaihtosähköllä toimivia laitteita. 11/P Ilmoita seuraavat virrat ampeereina. [a] 75 ma [c] 500 ma [b] 0,90 ma [d] 6,0 ma 12/P Täydennä taulukon pystysarakkeiden tyhjiin tiloihin puuttuvat virta-arvot. 1 2 3 4 5 6 7 A 1,2 0,024 0,008 ma 95 0,096 μa 1 500 84 14 SÄHKÖTEKNIIKKA

13/P Kirjoita seuraavat virrat suuruusjärjestyksessä suurimmasta virta-arvosta pienimpään. [a] 0,0045 A [b] 67 000 ma [c] 8 230 μa [d] 250 ma [e] 0,015 A [f] 7,5 ma 14/P Laske seuraavien virtojen summat. [a] 0,0120 A + 50 ma + 0,085 A + 755 ma [b] 640 μa + 1,2 ma + 80 μa + 0,34 ma [c] 40 ma + 65 ma + 1,08 A + 0,055 A 15/P Merkitse kuviin A ja B jännitteet ja virrat suuntanuolien kanssa. [a] Kuvan A virta I = 0,12 A ja syöttöjännite U = 24 V. [b] Kuva B virta I = 50 ma ja vastusten R1 ja R2 jännitteet U 1 = 10 V ja U 2 = 15 V sekä syöttöjännite U = 25 V. A G B G R1 R2 16/O 12 V:n lyijyakun konduktanssi on 250 S ja9 V:n nappipariston 0,4 S. Kuinka monta mω:a niiden resistanssit ovat? 17/P Ilmoita seuraavat resistanssit esimerkin mukaisesti 10-potenssimuodossa ja ohmeina. [a] 2,8 kω = 2,8 10 3 Ω = 2 800 Ω [b] 1,6 MΩ = = [c] 0,030 MΩ = = [d] 260 kω = = [e] 0,15 MΩ = = [f] 0,72 kω = = 1 Sähkötekniikan peruskäsitteet 15

18/P Ilmoita seuraavat resistanssit esimerkin mukaisesti etuliitteitä käyttäen. [a] 2 800 Ω = 2,8 kω [b] 65 000 Ω = [c] 4 800 000 Ω = [e] 0,000 50 Ω = [g] 0,012 Ω = [d] 940 Ω = [f] 620 000 Ω = [h] 0,000 010 Ω = 19/P Täydennä taulukon tyhjiin tiloihin resistanssit pystysarakkeittain. 1 2 3 4 5 6 7 MΩ 0,26 0,015 1,05 kω 2,1 71 Ω 840 62 000 20/P Kirjoita seuraavat resistanssit suuruusjärjestykseen suurimmasta pienimpään. [a] 82 kω [b] 0,60 10 6 Ω [c] 750 000 Ω [d] 0,025 MΩ [e] 1,5 10 3 Ω [f] 950 Ω 21/P Ilmoita seuraavat resistanssit ja resistiivisyydet etuliitteitä käyttäen. [a] Valuhartsieristimen resistiivisyys 0,15 1012 Ωm = [b] Alumiinijohtimen (A = 185 mm 2 ) resistanssi 0,16 10 3 Ω/m = [c] Kuparin resistiivisyys 17,5 10 9 Ωm = [d] Konstantaanin resistiivisyys 0,50 10 6 Ωm = [e] Koskettimen kosketusresistanssi 0,15 10 3 Ω= [f] Sähkömoottorin käämin ja rungon välinen eristysresistanssi 150 10 6 Ω = [g] Instrumenttikaapelin eristysresistanssi vähintään 100 10 6 Ω/km = [h] ESD-maadoitusrannekkeen suojavastuksen resistanssi 1 000 000 Ω = [i] ESD-työpisteen johtavien osien resistanssi maahan nähden < 1 10 5 Ω = [j] ESD-työkalun pinnoitteen resistanssi 10 6 10 9 Ω = 22/P Potentiometrin vastuslangan (mangaania) resistiivisyys on 0,43 Ω mm 2 /m. [a] Täydennä lause. Resistiivisyyden arvo tarkoittaa, että metrin pituisen ja poikkipintaisen langan resistanssi on. [b] Kuinka suuri vastuslangan resistanssi on, jos 0,5 mm 2 :n poikkipintaista lankaa on 1 m 0,5 mm 2 :n lankaa olisi 10 m? 16 SÄHKÖTEKNIIKKA

23/O [a] Täydennä taulukkoon puuttuvat materiaalinimet sekä resistiivisyyden ja johtavuuden arvot. Wolframi Hiili Kanthal A Kanthal D Nikrothal 80 [ ρ] Ω mm m 2 0,55 0,0175 1,35 m [ γ ]= Ω mm 2 18,2 57 36 0,015 0,69 0,91 [b] Mikä taulukon vastusaineista johtaa parhaiten sähkön kulkua? Perustelu: [c] Kuinka monta kertaa parempi sähkönjohde kupari on Nikrothaliin verrattuna? 24/P Täydennä. Johtimen resistanssi riippuu sen ja. Yhtälönä tai ρ R = R = γ R = = pituus A = = resistiivisyys (ominaisvastus) = johtavuus 25/P Johtimen resistanssi on 16 Ω. Kuinka suuri olisi johtimen resistanssi, jos sen pituus olisi 2-kertainen pituus olisi ¼ alkuperäisestä poikkipinta-ala olisi ½ alkuperäisestä poikkipinta-ala olisi 2-kertainen halkaisija olisi 2-kertainen 1 Sähkötekniikan peruskäsitteet 17

26/P Vastaa oppikirjan sivun 38 taulukkoa apuna käyttäen seuraaviin kysymyksiin. [a] Kuinka suuri on 1 m:n pituisen ja 1 mm 2 :n poikkipintaisen konstantaanilangan resistanssi? [b] Konstantaanilangan resistanssi on 1,0 Ω. Kuinka pitkä lanka tarvitaan, kun langan poikkipinta-ala on 1 metri? Kuinka suuri on langan pinta-ala, kun langan pituus on 1 m? [c] Kuinka monta metriä 1 mm 2 :n lankaa tarvitaan 1 Ω:n resistanssiin, kun lanka on krominikkeliä rautalankaa alumiinia kuparia? 27/P Laske seuraavien kaapeleiden silmukkaresistanssit kilometrin pituutta kohti. Kaapeleiden johdinaine on hehkutettua kuparia. Silmukkaresistanssiin sisältyy sekä meno- että paluujohtimen resistanssi. [a] Laske JAMAK-instrumentointikaapelin silmukkaresistanssi, kun johtimien poikkipinta-ala on 0,5 mm 2 ja resistiivisyys 0,018 Ω mm 2 /m. [b] Laske MHS-telekaapelin silmukkaresistanssi, kun johtimen halkaisija on 0,5 mm ja resistiivisyys 0,018 Ω mm 2 /m. 28/P Laske 4 ½ -johtimen 1 kv:n voimakaapelin AMCMK 4 x 25/16 alumiinisen 25 mm 2 :n vaihe- ja nollajohtimen ja kuparisen 16 mm 2 :n suojajohtimen resistanssit kilometriä kohti. ρ Cu = 0,018 Ω mm 2 /m ja ρ Al = 0,030 mm 2 /m. 18 SÄHKÖTEKNIIKKA

29/O Kuvan lattialämmityskaapeleiden resistansseista ja kaapelipituuksista käy ilmi, että kaapelin resistanssi on sitä pienempi, mitä pidempi kaapeli on. Pohdi, miten tähän päästään. ρ R = l A A B C Lämmityskaapeli 240 Ω / 10 m Lämmityskaapeli 120 Ω / 20 m Lämmityskaapeli 60 Ω / 40 m Paluujohdin Paluujohdin Cu 0,5 mm 2 Paluujohdin Cu 0,5 mm 2 Vastusjohtimet 0,113 mm 2 Vastusjohdin 0,226 mm 2 Vastusjohdin 0,185 mm 2 2 m 2 4 m 2 8 m 2 [a] Kuvan A ja B lämmityskaapelit on valmistettu samasta vastusmateriaalista, jonka resistiivisyys on 1, 36 Ω mm 2 /m. Molemmissa kaapeleissa on vastusjohdinta 20 m, koska kaapelin A paluujohdin on myös vastusmateriaalia. Lämmityskaapelin A resistanssi on 2-kertainen lämmityskaapeliin B nähden (240 Ω / 120 Ω). Kuinka moninkertainen lämmityskaapelin B johdinpoikkipinnan on oltava kaapeliin A nähden? Tarkasta tulos laskemalla lämmityskaapeleiden A ja B poikkipinnoilla: [b] Laske lämmityskaapeleiden B ja C resistiivisyys ρ. 1 Sähkötekniikan peruskäsitteet 19

30/L Teollisuusreleen 63-A30 kelajännite on 24 VDC, kelan resistanssi 443 Ω ja virta 54 ma. Laske, kuinka monta metriä kelassa on 0,106 mm:n läpimittaista kuparilankaa. Laske kuparikäämin massa, kun kuparin tiheys on 8,9 kg/dm 3. 31/P Kuinka monta metriä MMJ 5 x 2,55 kaapeleita on kaapelikeloilla A ja B, kun [a] kaapelikela A painaa 80 kg (valmistaja on ilmoittanut kaapelin massaksi 260 kg/km ja kelan painoksi 20 kg) [b] kaapelikelan B johdinparin resistanssi on 4,2 Ω (valmistaja on ilmoittanut johtimen tasavirtaresistanssiksi 20 C:een lämpötilassa 7,41 Ω/km)? 20 SÄHKÖTEKNIIKKA