• Ei tuloksia

MAGNEETTISET AINEET

In document 27.4. Ohmin laki (sivua 25-34)

Pääkohdat:

1. Induktanssi ja itseinduktanssi 2. LR-virtapiirit

3. Magneettikentän energia

4. LC- ja RLC-virtapiirien oskillointi

5. Ferromagnetismi, paramagnetismi ja diamagnetismi

Edellisen luvun alussa esitetyssä Henryn (ja Faradayn) ko-keessa primäärikäämin virran aiheuttama magneettivuon muu-tos indusoi jännitteen sekundäärikäämiin. Tätä sanotaan ky-seisten virtapiirien (tai ko. kelojen) keskinäisinduktioksi. Ke-lan synnyttämän magneettivuon muutos indusoi jännitteen myös kelaan itseensä. Tätä kutsutaan itseinduktioksi.

32.1. Induktanssi

Tarkastellaan oheista virta-piiriä, johon kytketään virta hetkellä t0. Vaihtokytkimen asennossa a) virta saa maksimiarvonsa heti, mutta asennossa b) itseinduktios-ta johtuen viiveellä.

Oman vuonsa vuoksi kelaan indusoitunut jännite on E = – N dΦ/dt,

joka siis aiheuttaa viiveen virran I kasvuuun. Indusoituneen jännitteen napaisuus on sellainen, että se vastustaa virran muutosta.

Tarkastellaan seuraavaksi oheista kelaa 1 (N1), jossa kokonaisvuo

Φ1 = Φ11 + Φ12

on summa omasta Φ11 ja kelan 2 (N2) vuosta Φ12. Tällöin kelaan 1 indusoituva jännite on

E1 = – N1 d/dt (Φ11 + Φ12).

Itseinduktanssi

Jos magneettisia aineita ei ole läsnä, kelan synnyttämä vuo on verrannollinen sen virtaan ja voidaan kirjoittaa

N1 Φ11 = L1 I1,

missä verrannollisuuskerroin L1 on kelan itseinduktanssi. Täl-löin

E11 = – L1 dI1/dt.

Itseinduktanssi riippuu kelan koosta ja muodosta sekä johdin-kierrosten lukumäärästä. Itseinduktanssin SI-yksikkö on henry, 1 H = Vs/A = Wb/A.

(32.3) (32.1)

(32.2)

(32.4)

Keskinäisinduktanssi

Samoin voidaan kirjoittaa kelan 2 synnyttämälle vuolle kelaan 1

N1 Φ12 = M I2,

missä M on kelojen 1 ja 2 keskinäisinduktanssi. Voidaan osoittaa, että M12 = M21 = M. Siten virran I2 indusoima jännite kelaan 1 on

E12 = – M dI2/dt.

Kelojen keskinäisinduktanssi riippuu, paitsi molempien kelojen ominaisuuksista erikseen, myös kelojen keskinäisestä etäisyy-destä ja asennosta. Myös keskinäisinduktanssin yksikkö on henry.

Esim. 32.1: Pitkän solenoidin pituus on l, poikkileikkauksen pinta-ala A ja siinä on N kierrosta. Mikä on sen itseinduktans-si?

(32.5)

(32.6)

32.2. LR-virtapiirit

Määrätään seuraavaksi virta I = I(t) oheisessa piirissä kytkennän K1 (t = 0) jälkeen. Kirchhoffin silmukka-säännön mukaan

mikä voidaan ratkaista esim. sijoi-tuksella y = E/R – I. Ratkaisu on

I = I ( 1 – e–t/τ ), missä I = E/R ja

τ = L/R

on eksponentiaalisen aikariippuvuuden aikavakio.

Totea ratkaisu vir-taa, kun em. piiriin lisätään kytkin K2, joka kytketään sa-malla hetkellä (t = 0), kun K1 avataan. Tällöin

josta saadaan

kun τ = L/R. Siten

I = I0 e–t/τ.

Vertaa tulosta kondensaattorin varaamiseen ja purkamiseen RC-piirissä, kappaleessa 28.4, jolloin siis τ = RC.

32.3. Kelaan varastoitunut energia

Tarkastellaan edellisen kappaleen mukaista virran kasvua LR-piirissä, yht. (32.7), josta

Jännitelähteen teho on

missä jälkimmäinen termi on kelan ottamaa tehoa

Niinpä kelaan varastoitunut energia on eli

UL = 1/2 L I2.

Tätä voidaan jälleen verrata kondensaattoriin varastoitunee-seen energiaan UC = 1/2 Q2/C.

Magneettikentän energiatiheys

Kelaan varastoituneen energian voidaan katsoa olevan sen magneettikentässä. Tarkastellaan solenoidia, jolle B = µ0 n I ja esimerkissä 32.1 saatiin induktanssiksi L = µ0 n2 A l. Koska siten I = B / µ0n, saadaan

U = 1/2 L I2 = 1/2 µ0 n2 A l (B / µ0n)2 = Al B2 / 2µ0. Nyt Al on solenoidin tilavuus, joten solenoidin magneettiken-tän energia tilavuusyksikköä kohti on U / Al eli

uB = 1/2 B2 / µ0.

Tämä on magneettikentän energiatiheys yleisemminkin. Ver-taa sähkökentän energiatiheyden lausekkeeseen uE = 1/2 ε0 E2.

32.4. Vapaasti värähtelevä LC-piiri

Oheisen piirin kondensaattori on aluksi varattu, Q0 = C V0 ja UE = Q02 / 2C.

Kytkennän jälkeen virta I: 0 → I0 = Imax purkaa kondensaattorin varauksen ja siirtää energian kelaan, I0 = B0 / µ0n ja UB = 1/2 LI0 2. Tämän jälkeen virta I va-raa taas kondensaattorin, nyt vastak-kaiseen jännitteeseen, – Q0 = – C V0 ja

UE = Q02 / 2C, jonka jälkeen sama toistuu virran kulkiessa vas-takkaiseen suuntaan.

Edellä kuvattu tapahtumasarja voidaan ratkaista täsmällisesti soveltamalla kytkentään Kirchhoffin silmukkasääntöä, josta

Q/C – L dI/dt = 0.

(32.13)

koska I = – dQ/dt, on dI/dt = – d2Q/dt2 ja saadaan d2Q/dt2 + (1/LC) Q = 0.

Kun merkitään

ns. LC-piirin ominaiskulmataajuus, voidaan differentiaaliyhtä-lön ratkaisu kirjoittaa muodossa

Q = Q0 cos ω0t.

Totea:

Piirin virta on I = – dQ/dt = ω0 Q0 sin ω0t, joten

I = I0 sin ω0t, missä I0 = ω0 Q0.

Koska I02 = ω02 Q02 = Q02 / LC, piirin kokonaisenergia on U = UE + UB = 1/2 Q2 / C + 1/2 L I2

= 1/2 Q02/C cos2ω0t + 1/2 LI02 sin2 ω0t

= 1/2 Q02/C (cos2 ω0t + sin2 ω0t) = 1/2 Q02/C = 1/2 LI02, joka on ajasta riippumaton.

Vertaa harmoniseen oskillaattoriin!

(32.14) ω0 = 1

LC ,

(32.15)

(32.16)

32.5. LC-piirin vaimenevat värähtelyt

Todellisuudessa LC-piirin värähtelyt aina vaimenevat, koska piirin energiaa kuluu ohmisiin vastuksiin sekä säteilee pois sähkömagneettisena säteilynä.

Kun LC-piirissä on resistanssi R Kirch-hoffin silmukkasäännöstä saadaan

ja

Ratkaisu käyttäytyy samoin kuin vaimenevan harmonisen os-killaattorin ratkaisu.

(32.17) Q

C – IR – L dI dt = 0 L d2Q

dt2 + R dQ dt + Q

C = 0 .

32.6. Aineiden magneettiset ominaisuudet

Aineet jaetaan niiden magneettisten ominaisuuksiensa perus-teella kolmeen ryhmään: ferromagneettiset (esim. Fe, Ni, Co, CrO2, Fe3O4, ...), paramagneettiset (esim. Al, Cr, K, ...) ja diamagneettiset

(esim. Cu, C, Ag, Au, Pb, ...). Niiden koke-mat voimavaikutukset epähomogeenisessa magneettikentässä ovat erilaiset.

Ulkoisessa magneettikentässä B0 aineen magneettikenttä on B = B0 + BM = (1+χm) B0 = κm B0 ,

missä χm on ko. aineen magneettinen suskeptibiliteetti ja κm on suhteellinen permeabiliteetti (merk. myös µr).

Atomaariset momentit

Aineiden magneettiset ominaisuudet perustuvat elektronien rataliikkeen (orbitaalien) aiheuttamiin magneettisiin moment-teihin atomeissa sekä elektronien spiniin liittyviin magneettisiin momentteihin. Esimerkissä 29.6 sivulla 89 todettiin, että vety-atomin klassillisessa mallissa µ = eL / 2m (= µB), missä L on rataliikkeen liikemäärämomentti. Kvanttimekaniikan mukaan atomeissa elektronin rataliikkeeseen liittyvä µ = l µB; l = 0, 1, 2, ...; missä Bohrin magnetoni

µB = e\ / 2m

ja edelleen elektronin spiniin liittyvä µ = µB.

Nämä alkeismomentit voivat esiintyä siten, että atomeilla on magneettinen momentti tai pareittain siten, että atomeilla ei ole nettomomenttia.

(32.22)

(32.23)

Diamagnetismi on seurausta aineeseen indusoituneista mag-neettisista momenteista, jotka Lenzin lain mukaan pyrkivät pienentämään ulkoista magneettikenttää, χm ≈ – 10–5 < 0. Kai-kissa aineissa esiintyy diamagnetismia, joskin se peittyy mah-dollisen para- tai ferromagnetismin alle. Suprajohteet ovat täydellisiä "diamagneetteja", χ = –1 ja B = 0.

Paramagnetismi on seurausta aineen atomien tai molekyy-lien pysyvistä magneettisista momenteista. Ne orientoituvat kentän suuntaan sitä vahvistaen, χm ≈ 10–5 > 0. Koska lämpö-liike vähentää (sekoittaa) alkeismagneettien orientoitumista, on paramagnetismi lämpötilasta riippuvaa.

Ferromagnetismi aiheutuu atomaarisista magneettisista mo-menteista, jotka pyrkivät

järjes-tymään spontaanisti. Järjestys esiintyy alueissa, joiden koko on millimetrien luokkaa. Ferro-magneettisen aineen magneet-tikentässä esiintyy ns. hystere-sistä eli jäännösmagnetismia, joka aiheutuu em. makroskoop-pisten alueiden järjestyksen "hi-taasta" muuttumisesta ulkoisen

1. Virran, jännitteen ja tehon hetkelliset, huippu- ja teholliset arvot

2. Virran ja jännitteen vaihe-ero 3. RLC-piirit

4. Muuntaja

Tasavirtaa merkitään tavallisesti DC (Direct Current) ja vaihto-virtaa AC (Alternating Current). Vaihtovirran suunta vaihtelee jaksollisesti ja yleensä sini-funktion mukaisesti. Sähköener-gian siirrossa käytetään yleensä vaihtovirtaa ja useimmat säh-kölaitteet toimivat vaihtovirralla.

33.1. Käsitteitä ja merkintöjä

Käytetään seuraavassa pieniä kirjaimia virtapiirin virran ja jän-nitteen hetkellisille arvoille

i = i0 sin ωt ja

v = v0 sin (ωt + φ),

missä amplitudit i0 ja v0 ovat ns. huippuarvoja ja φ on virran ja jännitteen vaihe-ero. Mikäli vaihe-ero φ = 0, sanotaan, että piirin virta ja jännite ovat samassa vaiheessa, jolloin ne saa-vat hetkellisen huippuarvonsa samanaikaisesti. Näin ei ylei-sesti ole.

Vaihtojännitelähdettä merkitään ; eikä vaihtovirtaa osoit-tavan nuolen suunnalla ole yleensä merkitystä.

(33.1) (33.2)

33.2. Resistanssi AC-piirissä ja teholliset arvot

Resistanssin virta ja jännite ovat samassa vaiheessa, vR = v0R sin ωt,

missä

v0R = i0 R, ja hetkellinen teho on

p = i2 R = i02 R sin2 ωt.

tehollinen arvo eli rms-arvo (root mean square) on

I = √(i2)av = i0 / √2 ≈ 0.707 i0. Vastaavasti jännitteen tehollinen arvo I R on

V = √(v2)av = v0 / √2 ≈ 0.707 v0 ja

VR = I R sekä keskimääräinen teho (rms-teho)

PR = I2 R = V2 / R.

Esim. 33.1: Mitkä ovat jännitteen ja virran huippuarvot tavalli-sessa 100 W hehkulampussa 220 V verkkojännitteessä?

(33.5a)

Jännite voidaan kirjoittaa vL = v0L cos ωt

= v0L sin (ωt +90°),

joten jännite on 90° eli π/2 vir-taa edellä. Virran ja jännit-teen huippu- ja tehollisille ar-voille voidaan kirjoittaa

v0L = i0 XL ja VL = I XL, missä

XL = ω L

on kelan reaktanssi. Reaktanssin SI-yksikkö on ohmi.

Kelan reaktanssi siis "toimii resistanssin tavoin vastustaen"

vaihtovirran kulkua. Kelan reaktanssi on suoraan verrannolli-nen vaihtovirran taajuuteen ja sen hetkelliverrannolli-nen teho on

p = i vL = i0 v0L sin ωt cos ωt ,

mutta jakson yli keskimääräistettynä teho häviää P = pav = 0.

(33.8) (33.9)

(33.10) (33.11)

33.4. Kondensaattori vaihtovirtapiirissä

Kondensaattorin varaus q = ∫ i dt

= ∫ i0 sin ωt dt = – i0/ω cos ωt + vakio eli q = – i0/ω cos ωt ,

kun vakio valitaan nollaksi. Koska kon-densaattorin jännite vC = q/C, niin vC = – i0/ωC cos ωt = – v0C cos ωt eli jännitteen huippuarvo on

v0C = i0 1/ωC.

Nyt vC = – v0C cos ωt =

= v0C sin(ωt – 90°) eli jännite on nyt 90° virtaa jäljessä.

Samoin kuin kelalle voidaan myös kondensaattorillekin kirjoit-taa

v0C = i0 XC ja VC = I XC, missä kondensaattorin reaktanssi on

XC = 1 / ωC.

Kondensaattorin reaktanssi on kääntäen verrannollinen taa-juuteen. Myös kondensaattorin ottama teho on keskimäärin nolla.

(33.12)

(33.13)

(33.14)

(33.15)

33.5. Vektoridiagrammit

(ja kompleksilukuesitykset)

Vaihtovirtapiirin virtojen ja jännitteiden huippuarvoja voidaan kuvata vektoreilla (tai kompleksiluvuilla), jotka pyörivät origon ympäri kulmataajuudella ω ja muodostavat kulman ωt + φ po-sitiivisen x-akselin kanssa. Tällöin vektoreiden y-komponentit antavat virtojen ja jännitteiden hetkelliset arvot.

.

33.6. RLC-sarjapiirit

RLC-sarjapiirin kaikkien komponenttien virta on sama ja jännit-teille v – vR – vC – vL = 0. Jännitteen hetkellinen arvo saadaan vektoridiagrammista, jossa v0 = v0R + v0C + v0L. Vektorien yh-teenlaskusääntöjen avulla

v02= v0R2 + (v0L – v0C)2

= i02 [ R2 + (XL – XC)2 ]

= i02 Z2 .

Siten voidaan kirjoittaa v0 = i0 Z ja V = I Z, missä

Z = √[ R2 + (XL – XC)2 ] on piirin impedanssi.

(33.16) (33.17)

Koska v0R ja i0 ovat aina samansuuntaisia, v0- ja i0-vektoreiden välinen vaihe-erolle φ on voimassa

tan φ = (XL – XC) / R .

33.7. RLC-sarjapiirin resonanssi

RLC-sarjapiirin virta on siis

joka taajuuden muuttuessa saa maksimiarvonsa, kun XL = XC eli ωL = 1 / ωC. Tämä, ns. reso-nanssitaajuus on siten

joka on sama kuin aikaisemmin todettu LC-piirin ominaistaa-juus. Virran maksimiarvoksi resonanssitaajuudella tulee

Imax = V / R.

33.8. Vaihtovirtapiirin ottama teho

Vaihtovirtapiirin hetkellinen teho on p = i v = i0 v0 sin ωt sin(ωt + φ)

= i0 v0 [ sin2 ωt cos φ + sin ωt cos ωt sin φ ] , jonka keskiarvo jakson yli on

P = pav = i0 v0 [ 1/2 × cos φ + 0 × sin φ ]

= 1/2 i0 v0 cos φ,

missä φ on jännitteen ja virran välinen vaihe-ero.

(33.18)

I = V

Z = V

R2 + (XL – XC)2 ,

ω0 = 1

LC , (33.19)

(33.20)

Koska 1/2 i0 v0 = (i0 / √2) × (v0 / √2) = I V ja vektoridiagram-min mukaan v0 cos φ = v0R = i0 R , saadaan ns. pätöteho

P = I V cos φ = I2 R.

Termi cos φ on nimeltään tehokerroin. Pätöteho P = I2 R = (V/Z)2 R voidaan kirjoittaa vielä muotoon

33.9. Muuntaja

Muuntajalla voidaan muuttaa vaihtovirran jännitettä. Koska E1 = – N1 dΦ/dt ja E2 = – N2 dΦ/dt, niin

E1 / E2 = N1 / N2 .

Mikäli sekundääripiiriä ei kuormi-teta, on primääripiirissä cos φ = 0, eikä primääripiiri ota tehoa.

(33.21)

P = V2 R R2 + ωL – 1

ωC

2 . (33.22)

(33.23)

34. MAXWELLIN YHTÄLÖT JA

In document 27.4. Ohmin laki (sivua 25-34)

LIITTYVÄT TIEDOSTOT