Esimerkkikysymyksiä ja kaavoja Amperen laista muuntajan indusoimasta sähkömagneettisesta voimasta
Amperen laki
1. H.C. Oerstedin mukaan sähkövirta tuottaa magneettikentän. Tätä teoriaa kehittäen sähkövirtaa kuljettava kela tuottaa myös magneettikentän. Kela, joka sähkövirran kuljettaessa tuottaa samanlaisen magneettikentän kuin sauvamagneetti, on...
A. toroidi
B. solenoidi
C. kierretty lanka
D. suorakulmainen kela
Keskustelu
Sauvamagneetilla on kaksi napaa: pohjoisnapa ja etelänapa. Sauvamagneetin synnyttämää magneettikenttää edustavat magneettikenttäviivat, jotka lähtevät pohjoisnavalta ja menevät etelänapaan.
Tankomagneetin synnyttämä magneettikenttä on samanlainen kuin solenoidin synnyttämä magneettikenttä, kuten viereisessä kuvassa näkyy.
Solenoidi on pitkä, monikierteinen lankakela. Alla olevassa kuvassa on esimerkki magneetin valmistamisesta kiertämällä sähkövirtaa kuljettava lankakela sen ympärille. Magneettisten napojen suunta voidaan määrittää oikean käden säännön avulla.
Ojenna oikea kätesi ja aseta se niin, että kämmen on kasvojasi kohti. Ojenna peukalo ja taivuta neljää muuta sormea eteenpäin kasvojasi kohti. Neljän sormen taivutusten suunta vastaa virran suuntaa kelassa, kun taas peukalo osoittaa kohti magneettikentän pohjoisnapaa. Peukalo osoittaa kohti N-akselia, joten N edustaa magneetin pohjoisnapaa ja M edustaa magneetin etelänapaa.
Oikea vastaus on B.
Toroidi
2. Sähkövirtaa kuljettavan toroidin luomalla magneettikentällä on suunta….
A. kohtisuorassa toroidin tasoon nähden
B. pyöreä
C. edestakaisin
D. riippuu ajasta
Keskustelu
Toroidi on pyöreä solenoidi, joten oikean käden säännön mukaan toroidin synnyttämällä magneettikentällä on ympyrän suunta.
Oikea vastaus on B.
Indusoitu sähkömagneettinen kenttä
3. Jos magneetti siirretään kelaan, kelan päiden välille syntyy indusoitunut sähkömotorinen voima. Tämä tapahtuu, koska...
A. Käämiä leikkaavan magneettikentän suunnassa tapahtuu muutos.
B. magneettisissa navoissa on muutos, joka katkaisee kelan
C. Käämiä leikkaavien magneettisten voimaviivojen lukumäärässä on muutos.
D. käämiä leikkaavien magneettisten voimaviivojen määrä vähenee
Keskustelu
Indusoitu sähkömotorinen voima syntyy muuttuvasta magneettikentästä. Indusoituneen sähkömotorisen voiman suuruus ei riipu magneettikentän muutosnopeudesta, vaan magneettivuon muutosnopeudesta. Magneettivuo on kelan läpi kulkevien magneettikenttäviivojen lukumäärä. Magneettivuon matemaattinen kaava on ΦB = BA cos θ. Jos magneettikentän viivat ovat kohtisuorassa kelan pinta-alaan nähden, magneettikentän viivojen ja normaaliviivan välille muodostuva kulma on 0o, jossa kosini on 0o = 1. Jos magneettikentän viivat ovat yhdensuuntaiset kelan pinta-alan kanssa, muodostuva kulma on 90o, jossa kosini on 90o = 0. Magneettivuolla on siis pienin arvo, kun magneettikentän viivat ovat yhdensuuntaiset kelan pinta-alan kanssa, ja suurin arvo, kun magneettikentän viivat ovat kohtisuorassa kelan pinta-alan kanssa.
Indusoidun emf:n suuruus lasketaan Faradayn induktiolain kaavalla:
Negatiivinen merkki osoittaa, että indusoitu sähkömotorinen voima synnyttää sähkövirran vastakkaiseen suuntaan kuin vuonmuutoksen lähtöpiste. Tätä väitettä kutsutaan Lenzin laiksi.
Oikea vastaus on C.
4. Käämissä indusoitunut sähkömagneettinen kenttä (EMF) kasvaa lineaarisesti ajan myötä. Jos käämin pinta-ala pysyy vakiona ja magneettikenttä on kohtisuorassa käämin pintaan nähden, niin mahdollinen magneettikentän kuvaaja tässä tilanteessa on….
Keskustelu
Indusoidun emf:n suuruus lasketaan Faradayn induktiolain kaavalla:
Jos sähkökenttä on kohtisuorassa kelan pintaan nähden, niin:
Tietoja:
Jos magneettikenttä on kohtisuorassa kelan pintaan nähden, magneettivuon kaava on:
B = magneettikenttä, A = kelan pinta-ala.
Käämin pinta-alalla on kiinteä arvo ja magneettikenttä on kohtisuorassa käämin pintaan nähden, joten sillä on kiinteä arvo.
Yllä olevan kaavan perusteella voidaan siis päätellä, että indusoidun emf:n arvoon vaikuttaa vuon muutosnopeus: jos vuon muutosnopeus on suurempi, indusoitu emf on suurempi.
Oikea vastaus on B.
muuntaja
5. Kiinnitä huomiota seuraavaan lauseeseen!
1. Ensiökäämien lukumäärä on pienempi kuin toisiokäämien lukumäärä
2. Ensisijainen jännite on suurempi kuin toisiojännite
3. Ensisijainen virta on suurempi kuin toisiovirta
4. Ensisijainen teho on pienempi kuin toissijainen teho
Väite, joka vastaa jännitteennousumuuntajan ominaisuuksia, on….
A. väittämät 1 ja 2
B. väittämät 1 ja 3
C. väittämät 2 ja 3
D. väitteet 2 ja 4
Keskustelu
Muuntaja on laite vaihtovirran (AC) jännitteen muuttamiseen. Muuntajia on kahdenlaisia: jännitteennostomuuntajia ja jännitteenalennusmuuntajia. Jännitteennostomuuntajat lisäävät jännitettä, kun taas jännitteenalennusmuuntajat laskevat jännitettä.
Jännitteen nostomuuntaja nostaa jännitettä siten, että sen ominaisuudet ovat:
1. Ensiöjännite on pienempi, toisiojännite on suurempi
2. Ensisijainen sähkövirta on suurempi, toisiovirta on pienempi
3. Ensiökierrosten lukumäärä on pienempi, toisiokierrosten lukumäärä on suurempi
Alennusmuuntajan ominaisuudet pienentävät jännitettä siten, että ominaisuudet ovat:
1. Ensiöjännite on suurempi, toisiojännite on pienempi
2. Ensisijainen sähkövirta on pienempi, toisiovirta on suurempi
2. Ensiökierrosten lukumäärä on suurempi, toisiokierrosten lukumäärä on pienempi.
Sähköteho on tietyn aikavälin aikana käytetty sähköenergia. Energiaa säilyy, ja siksi myös tehoa säilyy. Siksi ensiökäämin sähköenergia on yhtä suuri kuin toisiokäämin sähköenergia, ja niin on myös sähköteho.
Sähkötehon kaava:
P = VI
Kuvaus: P = sähköteho, V = sähköjännite, I = sähkövirta
Vakioteho, joten tämän kaavan perusteella päätellään, että jos sähköjännite on suuri, sähkövirta on pieni, joten sähköjännitteen ja sähkövirran tulolla on vakioarvo.
Oikea vastaus on B.
