Ratkaisut
Monivalintojen vastaukset
1.1. Generaattorin tuottaman jännitteen huippuarvo on suoraan verrannollinen pyörimisen taajuuteen. Taajuus pienenee, kun jaksonaika kasvaa, joten väite on epätosi.
1.2. Tehollinen jännite riippuu huippujännitteestä seuraavasti: [[$U_\text{eff}=\dfrac{\hat u}{\sqrt 2}$]]. Huippuarvo on siis
[[$\hat u=U_\text{eff}\cdot \sqrt 2 = 230\text{ V}\cdot \sqrt 2\approx 330\text{ V} $]].
1.3. Muuntajan muuntosuhde on [[$\dfrac {U_1}{U_2}=\dfrac {N_1}{N_2}$]]. Jännitteen alentaminen edellyttää, että muuntajan toisiokäämissä on vähemmän kierroksia kuin ensiökäämissä.
Tehtävän 2 ratkaisu
Generaattorin tuottama vaihtojännite kytketään vastukseen. Vastuksen napajännite ja sähkövirta vaihtelevat oheisen kuvaajan mukaisesti. (7 p.)
- Määritä vaihtojännitteen taajuus. (1 p.)
- Määritä vastuksen resistanssi. (2 p.)
- Määritä vastuksen kuluttama teho. (2 p.)
- Generaattorin jännite syntyy 12 000-kierroksisen käämin pyöriessä homogeenisessä magneettikentässä. Käämin poikkipinta-ala on 0,012 m². Kuinka suuri on kentän magneettivuon tiheys? (2 p.)
Ratkaisu
a. Jaksonaika [[$T$]] on kuvaajan perusteella 0,2 s. Taajuus on siis
[[$ \quad f=\dfrac{1}{T}=\dfrac{1}{0{,}2\text{ s}}\approx5{,}0\text{ Hz}$]]
Kaava ja oikea vastaus oikeassa yksikössä ja sopivalla tarkkuudella. 1–3 numeron tarkkuus hyväksytään, sillä kuvaajan lukemisen tarkkuus on epävarmaa, 1 p.
b. Vastus noudattaa joka hetkellä Ohmin lakia.
[[$ \quad R=\dfrac{U}{I}$]]
Ohmin laki oikein, 1 p.
Resistanssi voidaan laskea mistä tahansa kuvaajan kohdasta, esimerkiksi huippuarvojen perusteella kohdasta 0,05 s.
[[$ \quad R=\dfrac{15\text{ V}}{0{,}60\text{ A}}\approx25\ \Omega$]]
Oikea vastaus oikeassa yksikössä ja 1–3 numeron tarkkuudella, 1 p.
c. Vastuksen teho lasketaan virran ja jännitteen tehollisilla arvoilla.
[[$ \quad\begin{align} P&=U_\text{eff}I_\text{eff}\\ \ \\ &=\dfrac{\hat u}{\sqrt{2}}\cdot\dfrac{\hat i}{\sqrt{2}}=\dfrac{15\text{ V}}{\sqrt{2}}\cdot\dfrac{0{,}60\text{ A}}{\sqrt{2}}\approx4{,}5\text{ W}\end{align}$]]
Teholliset arvot määritetty oikein, 1 p.
Oikea vastaus oikeassa yksikössä ja 1–3 numeron tarkkuudella, 1 p.
d. Generaattorin tuottama jännite määrittyy seuraavasti.
[[$ \quad e=2\pi fNAB \sin \left(2\pi ft\right)$]]
Jännitteen huippuarvo on [[$\hat e=2\pi fNAB$]]
[[$N$]] on käämin kierrosten lukumäärä, [[$A$]] on käämin pinta-ala, [[$B$]] on käämin magneettivuon tiheys ja [[$t$]] on aika.
[[$ \quad B=\dfrac{\hat{e}}{2\pi fNA}=\dfrac{15\text{ V}}{2\pi\cdot5{,}0\text{ Hz}\cdot12\ 000\cdot0{,}012\text{ m}^2}\approx3{,}3\text{ mT}$]]
Oikeat kaava- ja lähtöarvot sekä niiden yksiköt, 1 p.
Oikea vastaus oikeassa yksikössä ja 2–3 numeron tarkkuudella, 1 p.
