DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET

Samankaltaiset tiedostot
DEE Sähkötekniikan perusteet

Sähköiset perussuureet. 1 DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

kipinäpurkauksena, josta salama on esimerkki.

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET

Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q

SÄHKÖ KÄSITTEENÄ. Yleisnimitys suurelle joukolle ilmiöitä ja käsitteitä:

SÄHKÖTEKNIIKKA. NTUTAS13 Tasasähköpiirit Jussi Hurri kevät 2015

SÄHKÖTEKNIIKKA. NBIELS13 Tasasähköpiirit Jussi Hurri syksy 2015

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

DEE Sähkötekniikan perusteet

Elektroniikka. Tampereen musiikkiakatemia Elektroniikka Klas Granqvist

TN T 3 / / SÄH Ä KÖAS A IOI O TA T Vi taniemen koulu

1. Tasavirta. Virtapiirin komponenttien piirrosmerkit. Virtapiiriä havainnollistetaan kytkentäkaaviolla

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I

Luento 2. DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

Harjoitustehtäviä kokeeseen: Sähköoppi ja magnetismi

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET. Kirchhoffin lait Aktiiviset piirikomponentit Resistiiviset tasasähköpiirit

Aktiiviset piirikomponentit. DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

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

Luento 1 / SMG-1100 Piirianalyysi I Risto Mikkonen

1. Mitä tarkoittaa resistanssi? Miten resistanssi lasketaan ja mikä on sen yksikkö?

Luento 1. 1 SMG-1100 Piirianalyysi I

Magneettikenttä. Liikkuva sähkövaraus saa aikaan ympärilleen sähkökentän lisäksi myös magneettikentän

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

&()'#*#+)##'% +'##$,),#%'

Magneettikenttä ja sähkökenttä

Sähkömagneettinen induktio

Sähkötekiikka muistiinpanot

Luento 1. 1 DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

DEE Aurinkosähkön perusteet

Sähkö ja magnetismi 2

Passiiviset piirikomponentit. 1 DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA. Kirchhoffin lait Aktiiviset piirikomponentit Resistiiviset tasasähköpiirit

Magneettikentät. Haarto & Karhunen.

Luento 2. 1 DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

RATKAISUT: 18. Sähkökenttä

Fysiikan perusteet ja pedagogiikka (kertaus)

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I

Sähköoppi. Sähköiset ja magneettiset vuorovaikutukset sekä sähkö energiansiirtokeinona.

Fysiikka 9. luokan kurssi

Luento 2. SMG-2100 Sähkötekniikka Risto Mikkonen

DEE Sähkötekniikan perusteet

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

Magnetismi Mitä tiedämme magnetismista?

Sähköstatiikka ja magnetismi

Jännite, virran voimakkuus ja teho

Fysiikka 1. Coulombin laki ja sähkökenttä. Antti Haarto

Luku 23. Esitiedot Työ, konservatiivinen voima ja mekaaninen potentiaalienergia Sähkökenttä

NIMI: LK: 8b. Sähkön käyttö Tarmo Partanen Ota alakoulun FyssaMoppi. Arvaa, mitä tapahtuu eri töissä etukäteen.

Sähköstatiikka ja magnetismi Coulombin laki ja sähkökenttä

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

Sähkön perusteet. Elektroniikka ja sähköoppi. Klas Granqvist Akun Tehdas / Oy Aku s Factory Ltd

Fy06 Koe Kuopion Lyseon lukio (KK) 1/7

Katso Opetus.tv:n video: Kirchhoffin 1. laki

PHYS-A3131 Sähkömagnetismi (ENG1) (5 op)

Fy06 Koe ratkaisut Kuopion Lyseon lukio (KK) 5/13

SMG-4450 Aurinkosähkö

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

Luku Ohmin laki

SATE2180 Kenttäteorian perusteet Faradayn laki ja sähkömagneettinen induktio Sähkötekniikka/MV

Tehtävä 1. a) sähkövirta = varausta per sekunti, I = dq dt = 1, A = 1, C s protonin varaus on 1, C

Erään piirikomponentin napajännite on nolla, eikä sen läpi kulje virtaa ajanhetkellä 0 jännitteen ja virran arvot ovat. 500t.

dl = F k dl. dw = F dl = F cos. Kun voima vaikuttaa kaarevalla polulla P 1 P 2, polku voidaan jakaa infinitesimaalisen pieniin siirtymiin dl

Sähkövaraus. Hankaussähkö. Copyright Isto Jokinen

Kondensaattori ja vastus piirissä (RC-piiri)

Maxwell ja hänen yhtälönsä mitä seurasi?

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Maxwell ja hänen yhtälönsä mitä seurasi?

PHYS-A3131 Sähkömagnetismi (ENG1) (5 op)

Elektroniikan kaavoja 1 Elektroniikan Perusteet I1 I2 VAIHTOVIRROILLA. Z = R + j * X Z = R*R + X*X

RATKAISUT: 22. Vaihtovirtapiiri ja resonanssi

KURSSIN TÄRKEIMPIÄ AIHEITA

Sähkömagnetismi (ENG2)

Magnetismi Mitä tiedämme magnetismista?

Elektroniikka. Mitä sähkö on. Käsitteistöä

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

13 KALORIMETRI Johdanto Kalorimetrin lämmönvaihto

PHYS-A3131 Sähkömagnetismi (ENG1) (5 op)

a P en.pdf KOKEET;

Mekaaninen energia. Energian säilymislaki Työ, teho, hyötysuhde Mekaaninen energia Sisäenergia Lämpö = siirtyvää energiaa. Suppea energian määritelmä:

1 Johdanto Mikä tämä kurssi on Hieman taustaa Elektrodynamiikan perusrakenne Kirjallisuutta... 8

Sähkövirran määrittelylausekkeesta

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

Kuva 1. Ohmin lain kytkentäkaavio. DC; 0 6 V.

2 Staattinen sähkökenttä Sähkövaraus ja Coulombin laki... 9

4. Gaussin laki. (15.4)

Aiheena tänään. Virtasilmukka magneettikentässä Sähkömagneettinen induktio. Vaihtovirtageneraattorin toimintaperiaate Itseinduktio

Lauri Puranen Säteilyturvakeskus Ionisoimattoman säteilyn valvonta

Coulombin laki ja sähkökenttä

Sähkön perusteet. Elektroniikka ja sähköoppi. Klas Granqvist Akun Tehdas / Oy Aku s Factory Ltd

Potentiaali ja potentiaalienergia

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

FYSA220/1 (FYS222/1) HALLIN ILMIÖ

Sähkömagnetismi III. Resistanssi. Esikvantifiointi ja kvantifiointi

SMG-4500 Tuulivoima. Viidennen luennon aihepiirit YLEISTÄ ASIAA GENERAATTOREISTA

SMG KENTTÄ JA LIIKKUVA KOORDINAATISTO

TEHTÄVÄT KYTKENTÄKAAVIO

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Elektroniikka ja sähkötekniikka

Transkriptio:

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

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

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

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 1.6 10-19 C, joten yhden Coulombin varaus tarkoittaa noin 6.3 10 18 elektronia. Sähkövirta I määritellään varauksena aikayksikköä kohti: I dq. dt Siirtynyt kokonaisvaraus saadaan integroimalla: t. 0 t0 Q I t dt Q 4

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

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 1 2 1 2. 1 2 dw dw d W W dw dq dq dq dq Potentiaali on pisteeseen liittyvä suure. Jännite vaikuttaa aina kahden pisteen välillä. 6

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

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

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