Faradayn laki ja sähkömagneettinen induktio



Samankaltaiset tiedostot
Sähköstatiikka ja magnetismi Sähkömagneetinen induktio

4. SÄHKÖMAGNEETTINEN INDUKTIO

Aiheena tänään. Virtasilmukka magneettikentässä Sähkömagneettinen induktio. Vaihtovirtageneraattorin toimintaperiaate Itseinduktio

Sähkömagneettinen induktio

Sähkömagneettinen induktio

Elektrodynamiikka 2010 Luennot Elina Keihänen. Sähkömagneettinen induktio

Sähkömagnetismi. s. 24. t syyskuuta :01. FY7 Sivu 1

Magneettinen energia

SATE2180 Kenttäteorian perusteet Induktanssi ja magneettipiirit Sähkötekniikka/MV

- Kahden suoran johtimen välinen magneettinen vuorovaikutus I 1 I 2 I 1 I 2. F= l (Ampèren laki, MAOL s. 124(119) Ampeerin määritelmä (MAOL s.

Kondensaattori ja vastus piirissä (RC)

RATKAISUT: 21. Induktio

SIS. Vinkkejä Ampèren lain käyttöön laskettaessa magneettikenttiä:

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I

Kondensaattori ja vastus piirissä (RC-piiri)

Sähkömagneettinen induktio

Magneettikenttä ja sähkökenttä

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

Kertausta. Haarto & Karhunen.

Kuva 8.1 Suoran virrallisen johtimen magneettikenttä (A on tarkastelupiste). /1/

Mittalaitetekniikka. NYMTES13 Vaihtosähköpiirit Jussi Hurri syksy 2014

Kondensaattori ja vastus piirissä (RC-piiri)

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I

Jakso 8. Ampèren laki. B-kentän kenttäviivojen piirtäminen

Tarkastellaan yksinkertaista virtasilmukkaa, jossa kulkee virta I ja jonka vastus on R. Liitetään virtapiiriin jännitelähde V.

766320A SOVELTAVA SÄHKÖMAGNETIIKKA, PREPPAUSTA PÄÄTEKOKEESEEN 2014

Passiiviset piirikomponentit. 1 DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Luku 7 Lenzin laki kertoo induktioilmiön suunnan

SATE2180 Kenttäteorian perusteet Faradayn laki ja sähkömagneettinen induktio Sähkötekniikka/MV

Tarkastellaan yksinkertaista virtasilmukkaa, jossa kulkee virta I ja jonka V + E = IR (8.1)

on myös magneettikentän laita, sillä Faradayn lain mukaan magneettikentän muuttaminen aiheuttaa muutosta vastustavan voiman ja siten magneettikentän

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

Näytä tai jätä tarkistettavaksi tämän jakson tehtävät viimeistään tiistaina

suunta kuvassa alaspäin. Virrankuljettajat liikkuvat magneettikentässä ja sähkökentässä suoraan, kun

Magneettikenttä. Magneettikenttä on magneettisen vuorovaikutuksen vaikutusalue. Kenttäviivat: Kenttäviivojen tiheys kuvaa magneettikentän voimakkuutta

Kapasitiivinen ja induktiivinen kytkeytyminen

766320A SOVELTAVA SÄHKÖMAGNETIIKKA PERUSTEHTÄVIÄ RATKAISUINEEN

Magneettinen induktio

Fysiikan perusteet. Työ, energia ja energian säilyminen. Antti Haarto

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

Yleistä sähkömagnetismista SÄHKÖMAGNETISMI KÄSITEKARTTANA: Varaus. Coulombin voima Gaussin laki. Dipoli. Sähkökenttä. Poissonin yhtälö.

Fysiikka 7. Sähkömagnetismi

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

DEE Sähkötekniikan perusteet

Lineaarialgebra MATH.1040 / Piirianalyysiä 2

a P en.pdf KOKEET;

Magneettikentät. Haarto & Karhunen.

Lämpöoppia. Haarto & Karhunen.

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

6. Kertaustehtävien ratkaisut

33 SOLENOIDIN JA TOROIDIN MAGNEETTIKENTTÄ

4757 4h. MAGNEETTIKENTÄT

Muuntajan toiminnasta löytyy tietoja tämän työohjeen teoriaselostuksen lisäksi esimerkiksi viitteistä [1] - [4].

Fysiikka 7 muistiinpanot

VIRTAPIIRILASKUT II Tarkastellaan sinimuotoista vaihtojännitettä ja vaihtovirtaa;

Johdatus vaihtosähköön, sinimuotoiset suureet. DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

Diplomi-insino o rien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2015 Insino o rivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

SATE1120 Staattinen kenttäteoria kevät / 5 Laskuharjoitus 14: Indusoitunut sähkömotorinen voima ja kertausta magneettikentistä

Elektrodynamiikka 2010 Luennot Elina Keihänen Magneettinen energia

RATKAISUT: 22. Vaihtovirtapiiri ja resonanssi

SATE1120 Staattinen kenttäteoria kevät / 6 Laskuharjoitus 13: Rajapintaehdot ja siirrosvirta

Sähköstatiikan laskuissa useat kaavat yksinkertaistuvat hieman, jos vakio C kirjoitetaan muotoon

a) Oletetaan, että happi on ideaalikaasu. Säiliön seinämiin osuvien hiukkasten lukumäärä saadaan molekyylivuon lausekkeesta = kaava (1p) dta n =

Magneettikenttä. Liikkuva sähkövaraus saa aikaan ympärilleen sähkökentän lisäksi myös magneettikentän

SÄHKÖSTATIIKKA JA MAGNETISMI. NTIETS12 Tasasähköpiirit Jussi Hurri syksy 2013

KELAN INDUKTANSSI VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Miika Manninen, n85754 Tero Känsäkangas, m84051

Sinin muotoinen signaali

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

Kuva 1: Vaihtovirtapiiri, jossa on sarjaan kytkettynä resistanssi, kapasitanssi ja induktanssi

Luku 5. Johteet. 5.1 Johteiden vaikutus sähkökenttään E = 0 E = 0 E = 0

TKK, TTY, LTY, OY, ÅA, TY ja VY insinööriosastojen valintakuulustelujen fysiikan koe , malliratkaisut.

Luku 27. Tavoiteet Määrittää magneettikentän aiheuttama voima o varattuun hiukkaseen o virtajohtimeen o virtasilmukkaan

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

Häiriöt kaukokentässä

1. Tasavirta. Virtapiirin komponenttien piirrosmerkit. Virtapiiriä havainnollistetaan kytkentäkaaviolla

23 VALON POLARISAATIO 23.1 Johdanto Valon polarisointi ja polarisaation havaitseminen

Magnetismi Mitä tiedämme magnetismista?

Elektrodynamiikan tenttitehtäviä kl 2018

TOROIDIN MAGNEETTIKENTTÄ

Tfy Fysiikka IIB Mallivastaukset

14.1 Tasavirtapiirit ja Kirchhoffin lait R 1. I 1 I 3 liitos + - R 2. silmukka. Kuva 14.1: Liitoksen, haaran ja silmukan määrittely virtapiirissä.

Näytä tai jätä tarkistettavaksi tämän jakson tehtävät viimeistään tiistaina ylimääräisessä tapaamisessa.

Esimerkkejä derivoinnin ketjusäännöstä

RATKAISUT: 19. Magneettikenttä

Perusmittalaitteiden käyttö mittauksissa

2. Pystyasennossa olevaa jousta kuormitettiin erimassaisilla kappaleilla (kuva), jolloin saatiin taulukon mukaiset tulokset.

FYSIIKKA (FY91): 9. KURSSI: Kertauskurssi KOE VASTAA KUUTEEN (6) TEHTÄVÄÄN!!

HALLIN ILMIÖ 1. TUTKITTAVAN ILMIÖN TEORIAA

6.1 Sähkömagneettinen induktio

VAIHTOVIRTAPIIRI. 1 Työn tavoitteet

20 kv Keskijänniteavojohdon kapasiteetti määräytyy pitkien etäisyyksien takia tavallisimmin jännitteenaleneman mukaan:

VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Jouko Esko n85748 Juho Jaakkola n Dynaaminen Kenttäteoria GENERAATTORI.

ELEC-C6001 Sähköenergiatekniikka, laskuharjoitukset oppikirjan lukuun 10 liittyen.

Maxwell ja hänen yhtälönsä mitä seurasi?

Potentiaali ja sähkökenttä: pistevaraus. kun asetetaan V( ) = 0

Transkriptio:

Faradayn laki ja sähkömagneettinen induktio Haarto & Karhunen

Magneettivuo Magneettivuo Φ määritellään magneettivuon tiheyden B ja sen läpäisemän pinta-alavektorin A pistetuloksi Φ B A BAcos Acosθ θ θ A _ B _ missä θ on pinnan normaalin ja magneettivuon tiheyden välinen kulma. Yksikkö: T m = V s = Wb (weber) vrt. Sähkövuo

Pinta-alavektori Pintaa vastaan kohtisuorassa Pituus pinnan pinta-ala Osoittaa aina ulospäin suljetusta kappaleesta A _ Acosθ θ θ B _

Faradayn induktiolaki dφ Silmukan läpi kulkevan magneettivuon muutos indusoi silmukkaan lähdejännitteen ε, jonka Suuruus riippuu magneettivuon muutoksen nopeudesta Suunta riippuu muutoksen suunnasta

Jos käämissä on N silmukkaa, niin niihin jokaiseen indusoituu lähdejännite, joten dφ N d t Tasaisessa magneettikentässä silmukan läpäisevä magneettivuo Φ = BAcosθ, jolloin lähdejännite N-silmukkaisessa käämissä N d ( BAcos )

Lausekkeesta N d ( BAcos ) voidaan todeta, että käämiin indusoituu lähdejännite, jos Magneettivuon tiheys muuttuu Silmukan ala muuttuu Magneettikentän ja silmukan tason normaalin välinen kulma muuttuu Edellisten yhdistelmänä

Lenzin laki Induktiovirran suunta on aina sellainen, että se pyrkii estämään sen muutoksen, joka virran on aiheuttanut

Sähkögeneraattori Sähkögeneraattori muuttaa mekaanista energiaa sähköenergiaksi Perustuu Faradayn induktiolakiin Käämiä pyöritetään tasaisessa magneettikentässä, jolloin käämin silmukoiden läpi kulkeva magneettivuo muuttuu jatkuvasti

Käämissä, jossa on N silmukkaa, lähdejännite dφ N d t Magneettivuo muuttuu ajan funktiona ja on muotoa Φ BAcost Silloin lähdejännite saa muodon NBA sint

Lähdejännite NBA sint Kun merkitään, että huippuarvo eli amplitudi ˆ NBA niin lähdejännitteelle saadaan muoto ˆ sint missä kulmataajuus πf ja f on kierrostaajuus +Ê T_ π π T θ -Ê

Esimerkki Maatalon vesivoimalassa on generaattori, jossa on 770 kierroksinen 0,10 m pinta-alainen käämi kohtisuorassa magneettikentässä, jonka tiheys on 0,011 T. Käämiä pyöritetään 50 kierrosta sekunnissa magneettikentässä. Mikä on lähdejännitteen maksimiarvo ja tehollisarvo? N A B f 770 0,10 m 0,011T 50 Hz ˆ U NBA NBA πf 319 V ˆ 6 V

Pyörrevirrat Silmukan lävistämän magneettivuon muuttuessa silmukkaan indusoituu lähdejännite. Myös johtavan kappaleen läpäisevän magneettivuon muutos indusoi kappaleeseen lähdejännitteen, joka aiheuttaa virtoja. Näitä kutsutaan pyörrevirroiksi. Koska resistanssi on usein pieni, niin virrat voivat olla suuria.

Pyörrevirtojen sovelluksia Usein haitallisia Käytettyjä sovelluksia Pyörrevirtajarru Metallien sulatuksessa Metallinpaljastimissa Liikennevalojen lähestymistunnistimet

Induktanssi Virran muuttuessa käämissä, siihen indusoituu lähdejännite, joka pyrkii vastustamaan virran muutosta. Tätä sanotaan käämin itseinduktioksi Virran muutosta vastustavan ominaisuuden vuoksi käämiä sanotaan myös kuristimeksi Induktanssin yksikkö on henry, H = V s/a

1. Kytkin kiinni. Virta alkaa kasvaa kelassa 3. Kelaan muodostuu magneettivuo 4. Magneettivuon muutos indusoi lähdejännitteen 5. Lähdejännite vastustaa virran kasvua

Itseinduktanssi Faradayn lain mukaan N-kierroksiseen käämiin indusoituu jännite dφ N d t Käämiin indusoitunut jännite esitetään yleensä virran avulla Amperen lain mukaan johtimen aiheuttama magneettivuon tiheys B ja siten myös magneettivuo Φ on suoraan verrannollinen virtaan I NΦ LI Verrannollisuuskerroin L on käämin itseinduktanssi tai lyhyesti induktanssi Yhdistämällä tulos Faradayn induktiolain kanssa saadaan N dφ di L

Esimerkki Käämissä on 1600 johdinkierrosta. Käämissä sekunnin aikana virta kasvaa 0,080 A ja samalla käämin sisällä magneettivuo kasvaa 0,0 10-3 Vs. Kuinka suuri on käämin induktanssi? N 1600 di 0,080 A dφ 0,0000 Vs 1,0 s dφ N L N L dφ di di N dφ di 1600 0,0000 T 0,080 A 4,0 H

Keskinäisinduktanssi Virran muutos käämissä 1 aiheuttaa magneettivuon muutoksen käämin 1 sisällä ja samalla magneettivuon muutoksen käämin sisällä, jolloin käämiin indusoituu jännite.

Itseinduktiolle N dφ L di Vastaavasti keskinäisinduktiolle saadaan dφ1 di 1 N1 M Φ di N M missä M on käämien keskinäisinduktanssi d 1

Muuntaja Ensiökäämiin, jossa kierroksia N 1, tuodaan vaihtojännite U 1. Toisiokäämiin, jossa kierroksia N, indusoituu jännite.

Ensiö- ja toisiokäämeihin indusoituvat jännitteet ovat dφ dφ 1 N1 ja N Indusoituneiden jännitteiden suhde on sama kuin jännitteiden tehollisarvoilla ja käämien kierrosmäärillä 1 U1 Tätä sanotaan muuntosuhteeksi U N N 1

Häviöttömällä muuntajalla tehot ensiö- ja toisiopuolella ovat samat Saadaan P U I 1 1 1 U I U U 1 I I 1 Häviöitä voidaan vähentää Muuntajasydän kootaan eristeellä erotetuista liuskoista Pehmeän raudan tai metallilasin käytöllä muuntajasydämessä. N N 1

Esimerkki Kannettavan tietokoneen laturissa on muuntaja, jolla muutetaan 30 V tehollinen jännite tietokoneelle sopivaksi 1 V jännitteeksi. Laturin välittämä teho tietokoneelle on 94 W. Kuinka suuri virta kulkee muuntajan ensiö- ja toisiopuolella, kun laturi on toiminnassa? P 94 W U U 1 30 V 1 V P U I I I 1 1 P U 1 P U 1 U I 94 W 30 V 94 W 1V 0,41A 4,5 A

Magneettikentän energia Kun kytkin K suljetaan, niin jännite aiheuttaa piiriin ja solenoidiin hetkellisen virran i, jonka kasvua itseinduktio hidastaa. di U L di Ui Li dw di Li W 0 dw I 0 Lidi Magneettikentän energia solenoidissa W 1 LI

Magneettikentän energiatiheys Solenoidin sisällä on magneettikenttä, joten solenoidin energian avulla voidaan ratkaista magneettikentän energiatiheys Solenoidille: Magneettikentän energia Tilavuus Magneettivuon tiheys Magneettivuo V Al Φ BA W B 1 LI NI l N Bl I Induktanssi NΦ LI L N Φ I

Energiatiheys on energia tilavuutta kohti w B W V LI Al Φ N I Al 1 1 1 I Sievennettynä vrt. wb Tämä voidaan yleistää magneettikentän energiatiheydeksi Nopeusvalitsimessa suoraan liikkuvan varauksen nopeus Sähkömagneettisen aallon (fotonin) nopeus 1 B Bl BA I I I Al w E c 1 E E B v E B