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

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

Sähkövirran määrittelylausekkeesta

Magneettinen energia

1. Tasavirta. Virtapiirin komponenttien piirrosmerkit. Virtapiiriä havainnollistetaan kytkentäkaaviolla

Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q

Lineaarialgebra MATH.1040 / Piirianalyysiä 2

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

Yhtälöryhmä matriisimuodossa. MS-A0007 Matriisilaskenta. Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia. 2x1 x 2 = 1 x 1 + x 2 = 5.

Lineaarialgebra MATH.1040 / Piirianalyysiä

FY6 - Soveltavat tehtävät

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.

Van der Polin yhtälö

DEE Sähkötekniikan perusteet

RATKAISUT: 22. Vaihtovirtapiiri ja resonanssi

SÄHKÖ KÄSITTEENÄ. Yleisnimitys suurelle joukolle ilmiöitä ja käsitteitä:

Monisilmukkainen vaihtovirtapiiri

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

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

Kondensaattori ja vastus piirissä (RC-piiri)

Fy06 Koe Kuopion Lyseon lukio (KK) 1/7

Aktiiviset piirikomponentit. DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

Yhtälöryhmä matriisimuodossa. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia. 2x1 x 2 = 1 x 1 + x 2 = 5.

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

( ) ( ) ( ) ( ) SMG-1100 Piirianalyysi I, kesäkurssi, harjoitus 1(3) Tehtävien ratkaisuehdotukset

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

Luento 2. DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

DEE Sähkötekniikan perusteet

SÄHKÖSTATIIKKA JA MAGNETISMI. NTIETS12 Tasasähköpiirit Jussi Hurri syksy 2013

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

2.2 Gaussin eliminaatio. 2.2 Gaussin eliminaatio. 2.2 Gaussin eliminaatio. 2.2 Gaussin eliminaatio

Maxwell ja hänen yhtälönsä mitä seurasi?

Elektrodynamiikka 2010 Luennot Elina Keihänen Magneettinen energia

Kondensaattori ja vastus piirissä (RC-piiri)

a P en.pdf KOKEET;

DEE Sähkötekniikan perusteet

y (0) = 0 y h (x) = C 1 e 2x +C 2 e x e10x e 3 e8x dx + e x 1 3 e9x dx = e 2x 1 3 e8x 1 8 = 1 24 e10x 1 27 e10x = e 10x e10x

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

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET

Van der Polin yhtälö. virtap6.nb 1

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

S SÄHKÖTEKNIIKKA Kimmo Silvonen

Fy06 Koe Kuopion Lyseon lukio (KK) 1/6

RCL-vihtovirtapiiri: resonanssi

KURSSIN TÄRKEIMPIÄ AIHEITA

DEE Sähkötekniikan perusteet

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

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

Maxwell ja hänen yhtälönsä mitä seurasi?

2.2 Energia W saadaan, kun tehoa p(t) integroidaan ajan t suhteen. Täten akun kokonaisenergia W tot saadaan lausekkeesta ( )

Omnia AMMATTIOPISTO Pynnönen

Integrointi ja sovellukset

Elektroniikka. Tampereen musiikkiakatemia Elektroniikka Klas Granqvist

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET

Luku Ohmin laki

Jännite, virran voimakkuus ja teho

SÄHKÖTEKNIIKKA. NTUTAS13 Tasasähköpiirit Jussi Hurri kevät 2015

kipinäpurkauksena, josta salama on esimerkki.

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

Jakso 10. Tasavirrat. Tasaantumisilmiöt. Vaihtovirrat. Sarja- ja lineaaripiirit. Maxwellin yhtälöt. (Kuuluu kurssiin Sähkömagnetismi, LuTK)

Sähkötekniikka ja elektroniikka

Sähkötekniikka ja elektroniikka

Kvanttifysiikan perusteet 2017

FYS206/5 Vaihtovirtakomponentit

Kun järjestelmää kuvataan operaattorilla T, sisäänmenoa muuttujalla u ja ulostuloa muuttujalla y, voidaan kirjoittaa. y T u.

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA Aalto-yliopisto, sähkötekniikan korkeakoulu

12. Differentiaaliyhtälöt

Sähköopin mittauksia 1

Luento 4 / 12. SMG-1100 Piirianalyysi I Risto Mikkonen

a) Lasketaan sähkökenttä pallon ulkopuolella

f (28) L(28) = f (27) + f (27)(28 27) = = (28 27) 2 = 1 2 f (x) = x 2

C 2. + U in C 1. (3 pistettä) ja jännite U C (t), kun kytkin suljetaan ajanhetkellä t = 0 (4 pistettä). Komponenttiarvot ovat

2. Vastuksen läpi kulkee 50A:n virta, kun siihen vaikuttaa 170V:n jännite. Kuinka suuri resistanssi vastuksessa on?

l s, c p T = l v = l l s c p. Z L + Z 0

Pynnönen Opiskelija: Tarkastaja: Arvio:

Työ 31A VAIHTOVIRTAPIIRI. Pari 1. Jonas Alam Antti Tenhiälä

Silmukkavirta- ja solmupistemenetelmä. 1 DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

L a = L l. rv a = Rv l v l = r R v a = v a 1, 5

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

Mittalaitetekniikka. NYMTES13 Vaihtosähköpiirit Jussi Hurri syksy 2014

1. Tasavirtapiirit ja Kirchhoffin lait

Jakso 8. Ampèren laki. B-kentän kenttäviivojen piirtäminen

Sähkömagneettinen induktio

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

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

TASASUUNTAUS JA PUOLIJOHTEET

A B = 100, A = B = 0. D = 1.2. Ce (1.2 D. C (t D) 0, t < 0. t D. )} = Ae πjf D F{Π( t D )} = ADe πjf D sinc(df)

SÄHKÖTEKNIIKKA. NBIELS13 Tasasähköpiirit Jussi Hurri syksy 2015

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

Magneettikenttä ja sähkökenttä

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

VASTUSMITTAUKSIA. 1 Työn tavoitteet

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

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

ELEC-C3230 Elektroniikka 1. Luento 1: Piirianalyysin kertaus (Lineaariset vahvistinmallit)

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2013 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

5. Sähkövirta, jännite

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I

Transkriptio:

Tehtävä a) sähkövirta = varausta per sekunti, I = dq dt =, 5 0 3 =, 5 0 3 C s protonin varaus on, 6 0 9 C Jaetaan koko virta yksittäisille varauksille:, 5 0 3 C s kpl = 9 05, 6 0 9 s b) di = Jd = J2πrdr, = 2πr 2, d dr = 2πrdr) r di = J R R 2πrdr = 2πJ R R I = 2πJ R R 3 R3 = 2πJ RR 2 3 J R = 3I 2πR 2 = r 2 dr, rajat 0 R 3, 5 0 3 2π 2, 5 0 3 m) 2 = 5 m 2

Kuva : Virrat ja niiden arvatut suunnat merkitty mustilla nuolilla. Sininen ja punainen katkoviiva ovat Kirchhoffin lenkit joita laskuissa on käytetty. Tehtävä 2 Piirissä on kolme eri osaa joissa voi esiintyä eri virta. Nämä virrat on merkitty kuvaan. Virtojen suuntia ei tarvitse tietää etukäteen, ja ei aina voikkaan. Jos arvaus on eri kuin virran suunta saadaan vastaukseksi virta joka on negatiivinen. Käytetyillä merkinnöillä virran jatkuvuus Kirchhoffin ensimmäinen laki) saa muodon: I = I 2 + I 3 ) Eli ylhäällä, keskellä, virta I haarautuu kahteen osaan. Potentiaaliero suljetun silmukan yli täytyy olla nolla Kirchhoffin toinen laki). Lenkit voi valita useammalla tavalla, mutta käytetään kuvan mukaisia lenkkejä. Muistetaan jos ylitetään vastus jossa virta kulkee lenkkiä vastaan niin tämä on huomioitava miinus merkillä. V I R I 3 R 4 I R 2 = 0 punainen 2) V 2 I 2 R 3 I 3 )R 4 = 0 sininen 3) Merkitään R 2 = R + R 2. Kolme yhtälöämme voidaan kirjoittaa yhdeksi matriisiyhtälöksi. Jälkimmäisessä on jätetty yksiköt pois): R 2 0 R 4 I I 2 = 0 V 30 0 5 I = 0 3 4) 0 R 3 R 4 I 3 V 2 0 0 5 6 Tämä voidaan ratkaista Gaussin eliminointimenetelmällä tai alkuperäiset yhtälöt suoraan pyörittelemällä kannattaa sijoittaa mahdollisimmat pian numeroarvot, analyyttisissä vastauksissa ei ole mitään fysikaalisesti mielenkiinntoista). Koneellisesti saamme: 0.5 I = 0.45 0.3 I I 2 I 3 50 = 450 m 5) 300 Joten virrat I ja I 2 kulkevat kuvan osoittamiin suuntiin ja virta I 3 vastakkaiseen suuntaan.

Tehtävä 3 Käytetään vasemmanpuoleisen vastuksen suuruudesta merkintää R 5Ω) ja toisesta 0Ω). Kytkin auki virta ei kulje läpi) Kirchoffin toisen lain mukaan suljetulla silmukalla jännite-ero on nolla. Kun kytkin on auki saadaan laki seuraavaan muotoon: V = E ri R I = 0 Kytkin kiinni virta kulkee läpi) Kun kytin on suljettu, virta haarautuu kahteen johtoon. Kirchoffin ensimmäisen lain perusteella virtaa ei häviä, joten tuleva virta I 2 on yhtä suuri kuin lähtevien virtojen summa I + I B. Pitää muistaa, että virtamittari mittaa virran I. I 2 = I + I B Nyt virta kulkee kahta suljettua silmukkaa pitkin. Niiden kummankin kautta kuljettaessa potentiaalin muutos on nolla, joten - ja B-vastuksissa pitää tapahtua sama jännitehäviö. Tämän avulla saamme niiden läpi kulkevien virtojen suhteen. R I = I B I = I B = I 2 I ) R R I 2 = + R ) I Potentiaalin muutos suljetulla silmukalla on nolla, joten kun kytkin on kiinni, niin vastuksen silmukan jännitemuutoksesta saadaan: V = E ri 2 R I = E r + R ) I R I = 0 Saamme yhtälöistä yhtälöparin, josta voimme ratkaista smv:n ja sisäisen resistanssin. E = ri + R I E = r + R ). I + R I r = I I )R ) 0.50Ω + R I I. E = ri + R I 9.0V

Tehtävä 4 a) Kuvaajasta nähdään, että Vt=0) = 30 V, ja V4ms) = 0 V. RC-piirin ratkaisusta, saattiin yhtälö ) V = V 0)e t RC = ln = 4 ms 3 50 µfr = R = 4 ms 50 µf ln3) 72.82 Ω b) Varaukset, jotka kuljevat resistorin läpi, tulevat kondensaattorista, eli I = dq dt = d ) Q 0 e t RC = Q 0 dt RC e t V 0 RC = t 30 V R e RC = 72.82 Ω e c) Huomataan, että kun kondensaattori on täysin purkautunut, Q 0 :n verran varaukset ovat kuljenneet resistorin läpi. Näin ollen N = Q 0 e = V 0C e = 500 0 6 9 9.36 05.602 0 ln3)t 4 ms

5. a) lussa varatulla kondensaattorilla on varaus Q = CV. Lopussa molempien kondensaattoreiden yli on sama jännite V. Koska kondensaattorien kapasitanssit ovat samat, on niillä molemmilla myös sama varaus Q = CV. Varaus säilyy, joten Q = Q = V C, ja 2 2 b) V = Q C = 2 V janhetkellä t alkuperäisessä kondensaattorissa on varaus q, ja toisessa kondensaattorissa on varaus Q q. Nyt piirin komponentien yli olevista jännitteistä saadaan yhtälö q C Q q RI = 0, C missä piirissä kulkeva virta on I = dq dt. Varaukselle saadaan siis differentiaaliyhtälö dq dt + 2q Q RC = 0, jonka ratkaisu on qt) = Q + exp 2t )), 2 RC kun alkuehdoksi on asetettu q0) = Q. Virta on siis It) = dq dt = Q RC exp 2t ) = V RC R exp 2t ) RC

Tehtävä 6. Laskataan ensin kondensaattoreiden energia alkutilanteessa. Vain toinen kondensaattoreista on varautunut, joten saadaan energiaksi suoraan: E alku = 2 CV 2 ) Lopussa, edellisen tehtävän perusteella, on kaksi kondensaattoria, joiden jännite on V = /2V, joten saadaan yhteenlaskutuksi energiaksi: Näin ollen systeemin energianmuutos: E loppu = 2 CV 2 + 2 CV 2 = 2 2 C 2 V ) 2 = 4 CV 2 2) E loppu E alku = 4 CV 2 2 CV 2 = 4 CV 2 3) Lasketaan nyt vastuksessa kulkeneen virran avulla vastuksessa lämmöksi muuttunut energia. Vastuksen lämpöteho on: P = RI 2 4) Edellisestä tehtävästä voidaan napata virralle saatu kaava, ja sijoittaa se tähän: V P t) = R R exp 2t )) 2 V 2 = RC R exp 4t ) RC Nyt vapautunut lämpöenergia on vastuksen tekemää työtä, joka on helppo laskea integraalista: 5) W = E = T 0 P t)dt 6) Koska halutaan tietää tasapainotilanteeseen mennessä vapautunut lämpö, lasketaan integraali: Sijoitetaan tulos 5) integraaliin: T E = lim T 0 P t)dt 7) T V 2 E = lim T 0 R exp 4t ) dt = lim RC T 4 CV 2 exp 4T ) ) = RC 4 CV 2 8) Jos tätä tulosta vertaa tuloksen 3) kanssa huomaa, että tulokset ovat samat, eli väite on todistettu.