Valintakoe A: Tekniikka ja luonnontieteet
Mikä on sähkömagneettinen induktio?
Sähkömagneettinen induktio on ilmiö, jossa johdinsilmukan läpi kulkevan magneettivuon muutos synnyttää silmukkaan jännitteen. Faradayn induktiolain mukaan indusoitunut jännite on vuon muutosnopeus kerrottuna kierrosten määrällä: e = −N ΔΦ/Δt. Ilmiöön perustuvat esimerkiksi generaattori ja muuntaja. Pelkkä muuttumaton magneettikenttä ei indusoi jännitettä.
Magneettivuo Φ = BA cos α kuvaa, kuinka paljon magneettikenttää kulkee pinnan läpi. Vuo muuttuu, kun kentän voimakkuus, silmukan ala tai silmukan asento muuttuu. Pelkkä voimakas mutta muuttumaton kenttä ei indusoi jännitettä.
Miinusmerkki ilmaisee Lenzin lain: indusoitunut virta kulkee suuntaan, jonka synnyttämä magneettikenttä vastustaa vuon muutosta. Laki on energian säilymisen seuraus, koska muuten liike tuottaisi energiaa tyhjästä.
Magneettikentässä liikkuvaan suoraan johtimeen indusoituu jännite e = vBl, kun johdin, liike ja kenttä ovat kohtisuorassa toisiaan vastaan. Generaattorissa pyörivä käämi tuottaa vaihtojännitteen, koska vuo muuttuu jaksollisesti.
Kaava
e = −N ΔΦ/Δt
magneettivuo Φ = BA cos α
liikkuva johdin e = vBl
Esimerkki
Käämissä on 200 kierrosta, ja sen läpi kulkeva magneettivuo pienenee tasaisesti arvosta 4,0 mWb nollaan 0,10 sekunnissa. Laske indusoituneen jännitteen suuruus.
- Vuon muutos: ΔΦ = 0 − 4,0 · 10⁻³ Wb = −4,0 · 10⁻³ Wb.
- Muutosnopeus: ΔΦ/Δt = −4,0 · 10⁻³ Wb / 0,10 s = −0,040 Wb/s.
- Jännitteen suuruus: e = N · |ΔΦ/Δt| = 200 · 0,040 V = 8,0 V.
- Vastaus: 8,0 V.
Tyypillinen virhe
Jännitteen luullaan syntyvän voimakkaasta magneettikentästä sinänsä. Jännite syntyy vain vuon muutoksesta: paikallaan olevan magneetin vieressä olevaan käämiin ei indusoidu jännitettä, vaikka kenttä olisi voimakas.
Valintakokeessa A
Sähkömagnetismi kuuluu lukion fysiikkaan, johon valintakokeen A fysiikan ja kemian osio perustuu. Induktiolaskussa magneettivuon muutos ja sen yksiköt kannattaa kirjoittaa näkyviin ennen jännitteen laskemista.
Missä kurssissa tämä opetetaan
SmartVK:n valintakoe A -kurssin luvussa 20: Sähköstatiikka ja sähkömagnetismi. Katso kurssin sisältö.
Kysymyksiä
Mikä on Lenzin laki?
Lenzin lain mukaan induktiovirta kulkee aina suuntaan, jonka synnyttämä magneettikenttä vastustaa virran aiheuttanutta vuon muutosta. Kun magneettia työnnetään kohti suljettua käämiä, käämi hylkii magneettia. Siksi generaattorin pyörittäminen vaatii työtä, kun siitä otetaan virtaa.
Miten muuntaja toimii?
Muuntajassa ensiökäämin vaihtovirta synnyttää rautasydämeen muuttuvan magneettivuon, joka indusoi jännitteen toisiokäämiin. Ihanteellisessa muuntajassa jännitteiden suhde on kierroslukujen suhde: U₂/U₁ = N₂/N₁. Muuntaja toimii vain vaihtovirralla, koska tasavirta ei tuota muuttuvaa vuota.