Ratkaisuja

Luku 26. Kestomagneetti

233.
a) Pohjois- (N) ja eteläkohtio (S).
b) Ne hylkivät toisiaan.
c) Ne vetävät toisiaan.
d) Jos kestomagneetti katkaistaan, molemmissa puoliskoissa on pohjois- ja
eteläkohtio.
234. Rautanappiin ja teräspellistä tehtyyn jääkaapin oveen.
235.
a) ­Käämi on johdin, johon on kierretty useita silmukoita. Käämin sisään laitetaan rautasydän ja käämiin kytketään sähkövirta.
b) Sähkömagneetti vaatii sähkövirtaa toimiakseen, ekstomagneetti on pysyvästi magneettinen. Sähkömagneetin magneettikentän voimakkuutta voi säätää muuttamalla sähkövirtaa.
236.
Käämin kierrosten lukumäärä, rautasydän ja käämissä olevan sähkövirran suuruus.
237. a) Sähkölinjassa kulkeva virta aiheuttaa voimakkaan magneettikentän, joka vaikuttaa
kompassineulaan. (Mutta kartassa linja erottuu hyvin!)
b) Sähkömagneetin kohtioiden paikka vaihtuu, kun käämissä olevan sähkövirran suunta muutetaan.
238.
Sähkömoottorilla toimivat esimerkiksi tuuletus, ikkunoiden avaaminen, tuulilasinpuuhkimet ja pesuainepumppu, bensiinipumppu, peilien ja valojen suuntaus. Sähkö- ja hybridiautoissa auto liikkuu sähkömoottorilla.
239.
1. Oikein, erinimiset kohtiot vetävät.
2. Oikein, samannimiset kohtiot hylkivät.
3. Väärin, voimien pitäisi olla yhtä suuret.
4. Väärin, magneetin ja pyyhekumin välillä ei ole magneettista vuorovaikutusta.

TT s. 120
Työ 1

1. rautanaula ja paperiliitin
2. magneettista on rauta, eivät ole alumiini ja kupari.
Työ 2
Kompassineulan eteläkohtio osoittaa kohti magneetin pohjoiskohtiota.
image20.jpg
Työ 3
1.
käämin kierrosten lukumäärän lisääminen kasvattaa
rautasydämen poistaminen käämistä pienentää
käämissä olevan sähkövirran suurentaminen kasvattaa
2.
B, E, F kasvattaa
A, C, D, ei vaikuta

Tuntitehtävät
1. kaikki
2. pohjoiskohtio on tummempi (punainen)
3. kaikki
4. a) kompassi, b) kestomagneetti, c) käämi, d) kaiutin
5. pohjoiskohtio: N, punainen, pieni lovi; eteläkohtio: S, valkoinen
6. VVOVOO

Luku 27

241.
a) Oikein.
b) Väärin. Kun magneetti on paikoillaan, magneettikenttä ei muutu johtimen sisällä, eivätkä elektronit lähde liikkumaan.
c) Oikein.

242. b) ja c)

243.
Sähkömagneettinen induktio tarkoittaa, että muuttuva magneettikenttä aiheuttaa johtimessa sähkövirran. Magneettikentän muutos voi tarkoittaa, että magneetti liikkuu, johdin liikkuu tai magneettikentän voimakkuus muuttuu.

Ilmiön voi havaita liikuttamalla magneettia käämin sisällä ja mittaamalla joko käämin napojen välistä jännitettä tai käämin läpi kulkevaa sähkövirtaa.

Johdin on metallia. Metalliatomit pitävät ulkoelektroneista löyhästi kiinni. Siksi metalli-ionien välissä vaeltaa vapaita elektroneja, jotka ovat liikkeessä. Jos johtimessa ei ole jännitettä, elektronit poukkoilevat satunnaisiin suuntiin ja kokonaisvirta on nolla. Magneettikentässä liikkuvaan varattuun hiukkaseen kohdistuu voima, joka riippuu magneettikentän voimakkuudesta ja hiukkasen varauksesta. Kun magneettikenttä muuttuu, elektroneihin kohdistuu voima, joka saa ne liikkumaan samaan suuntaan johtimen sisällä. Johtimeen siis indusoituu jännite, joka aiheuttaa sähkövirran. (Jännite = potentiaalienergiaero, virta = elektronien liiikettä.) Liikkuvan elektronin magneettikentä ja ulkoinen magneettikenttä ovat vuorovaikutuksessa.

Katso video.

244.
Kestomagneettia liikuttelemalla johtimeen indusoituvan sähkövirran suuruus riippuu

  1. kestomagneetin voimakkuudesta: kun kenttä on voimakas, myös kentän muutos on suuri, kun magneeettia liikutellaan;
  2. nopeudesta, jolla magneettia liikutellaan: suurempi nopeus tarkoittaa suurempaa muutosta magneettikentän voimakkuudessa johtimen sisällä;
  3. käämin kierrosten lukumäärästä: mitä enemmän silmukoita, sitä suurempi virta. Kun magnettikentälle altistuva johdin on pitempi, liikkeelle saadaan enemmän elektroneja.

245.
a) Käämi, kestomagneetti, akseli, johtimia.
b) Kun käämi pyörii magneettikentässä, sen sisällä magneettikenttä muuttuu ja johtimeen syntyy sähkövirta.
c) Generaattori muuttaa liike-energiaa sähköenergiaksi. Generaattoria pyörittävä liike-energia voidaan tuottaa liikkuvan veden, tuulen tai polttoaineen avulla.

248.
a) Kokeessa tutkitaan sähkömagneetin toiseen johtimeen indusoimaa sähkövirtaa. (Tutkitaan muuntajan toimintaa.)
b) Kokessa 1 paristo tuottaa tasajännitteen, joten käämiin B syntyy tasainen magneettikenttä. Käämiin A ei synny sähkövirtaa.
Kokeessa 2 käämiin A syntyy sähkövirta, koska muuttuva sähkövirta tuottaa käämiin B muuttuvan magneettikentän.

M1-M4: kootut selitykset

M1 Kestomagneetit

Katso videot ja kokeile sovelmia. Tee muistiinpanot vihkoon.

Materiaalit

Tutkitaan kestomagneetin vaikutusta esineisiin.
  1. Katso video: Materiaalit.
  2. Millaiseen materiaaliin magneetti vaikuttaa? Millaiseen se ei vaikuta?
    Magneetti tarttuu vain sellaisiin esineisiin, joissa on rautaa. Paperiliitin on maalattu kuparinväriseksi, mutta sisältä se on terästä.

    Kuulakärkikynässä klipsi on terästä mutta varsi metallinharmaaksi sävytettyä muovia.
    Kemian tunnilla käytimme kestomagneettia auttamaan metallielektrodien tunnistamisessa.
  3. Mitkä tutkituista esineistä ovat magneettisia?
    Rautanaulat, kynän klipsi, paperiliitin, kynänteroitin.
  4. Ota selvää, mitkä metallit ovat magneettisia.
    Rauta Fe, nikkeli Ni, koboltti Co.
    Näiden metallien atomit ovat alkeismagneetteja, toisin sanoen rakenteeltaan sellaisia, että ytimen ympärillä liikkuvat elektronit luovat atomin ympärille heikon magneettikentän. Kun alkeismagneetit suuntautuvat satunnaisesti, aine ei vaikuta magneettiselta. Kun lähelle tuodaan ulkoinen magneettikenttä, alkeismagneettiset järjestäytyvät magneettikentän suuntaisesti ja silloin magneetti ja metallikappale alkavat vetää toisiaan puoleensa.
  5. Miten voisit tutkia, kumpi kahdesta magneetista on voimakkaampi?
    Kokeillaan, kuinka painavaa kappaletta magneetti pystyy kannattelemaan.
  6. Miksi jääkaappimagneetti pysyy jääkaapin ovessa mutta ei ikkunassa tai seinällä?
    Jääkaapin ovi on teräslevyä. Seinämateriaalit tai ikkunalasi eivät yleensä sisällä magneettisia metalleja.

Kestomagneettien vuorovaikutus

  1. Katso video: Vuorovaikutus
  2. Mitä eroa magneetin kohtioilla eli navoilla (tangon päillä) on?
    Magneetilla on kaksi erilaista napaa eli kohtiota. Samanlaiset navat hylkivät toisiaan, erilaiset vetävät toisiaan puoleensa.
    Kohtiot nimetään sen mukaan, mihin suuntaan magneetti kääntyy maan magneettikentässä. Pohjoiskohtio N (yleensä punainen) kääntyy pohjoiseen, eteläkohtio S (valkoinen) etelään.
  3. Miten etäisyys vaikuttaa vuorovaikutuksen voimakkuuteen?
    Vuorovaikutus heikkenee kun etäisyys kasvaa.
    Vuorovaikutusta välittää sähkömagneettinen kenttä, jonka välittäjähiukkanen on fotoni. Kaikkeen sähkömagneettiseen vuorovaikutukseen pätee säteilyn neliölaki: kun etäisyys kasvaa, vuorovaikutus heikkenee. Voima on kääntäen verrannollinen etäisyyden neliöön. Kun etäisyys kasvaa kolminkertaiseksi, voima pienenee yhdeksäsosaan.

Magneettikenttä

  1. Katso video: Magneettikenttä.
  2. Magneettikenttä kuvaa magneetin vuorovaikutusta. Miten magneettikentän saa näkyviin?
    Kompassilla, pienillä nauloilla tai vaikkapa rautaviilajauheella. Pienet rautakappaleet järjestyvät magneettikentän suuntaisiksi. Muodostuvat kenttäviivat ovat (kuvitteellisia) suljettuja polkuja, joiden suunta on pohjoiskohtiosta eteläkohtioon.

    image42.jpg
  3. Piirrä vihkoosi kuva tankomagneetin magneettikentästä.
    magneettikenttä1.png
  4. Kokeile itse: Tankomagneetin magneettikenttä
    Siirrä punavihreää kompassia ja odota, kun sovelma piirtää kenttäviivan. Siirrä sitten kompassi uuteen paikkaan.

    mag2.png
  5. Kokeile itse: Tankomagneettien vuorovaikutus
    Magneettikenttä kuvaa magneettisen vuorovaikutuksen suuntaa ja voimakkuutta.
    Kääntele magneetteja ja tutki, miten magneettikenttä niiden ympärillä muuttuu.
    mag3.png
    Minkä muotoinen kenttä on silloin, kun magneetit hylkivät toisiaan?
    Samannimisistä kohtioista lähtevät kenttäviivat taipuvat toisistaan poispäin.
    mag-NS-2.png
    Entä silloin, kun ne vetävät toisiaan?
    Kenttäviivat kaartuvat pohjoiskohtiosta toisen magneetin eteläkohtioon.

    mag-NS-1.png

Magnetoituminen

  1. Katso video: Magnetoituminen.
  2. Mitä rautanaulalle tapahtuu, kun siitä tartutaan magneetilla?
    Rautanaulasta tulee magneetin jatke.
    Selitys: raudan alkeismagneetit järjestyvät kestomagneetin kentän suuntaisiksi ja naulan ympärille tulee magneettikenttä.
  3. Miksi pienet naulat putoavat, kun magneetti irrotetaan isosta naulasta?
    Naula ei ole pysyvästi magneettinen. Kun ulkoinen magneettikenttä häviää, lämpöliike sekoittaa taas alkeismagneettien järjestyksen ja naulan magneettikenttä katoaa.
  4. Miten sukkapuikon magnetoiminen tapahtuu?
    Sivellään sukkapuikkoa kestomagneetilla yhdensuuntaisin vedoin.
    Toistuva sively saa aina vain suuremman osan alkeismagneeteista järjestäytymään yhdensuuntaisiksi.
  5. Kokeile itse: Magnetoituminen
    Raudan atomit ovat pieniä alkeismagneetteja. Aluksi alkeismagneetit ovat satunnaisessa järjestyksessä. Lisää ulkoisen magneettikentän voimakkuutta (B) liukusäätimestä. Mitä tapahtuu?
    Mitä voimakkaampi magneettikenttä on, sitä paremmin alkeismagneetit oivat järjestäytyneet yhdensuuntaisiksi.

Kompassi

  1. Katso video: Kompassi. Videossa käytetään edellisessä demossa magnetoitua sukkapuikkoa.
  2. Kokeile itse: Maan magneettikenttä. Ota näkyviin maapallo (earth show) ja kompassi (compass show). Liikuta kompassia, tutki magneettikentän suuntaa ja kääntele maapalloa (magnet points up/down/left/right).
  3. Mitä tarkoittavat magneetissa tai kompassissa merkinnät N ja S? Entä punainen ja valkoinen väri?
    N (punainen) on pohjoiskohtio, joka kääntyy kohti Maan maantieteellistä pohjoisnapaa. S (valkoinen) on eteläkohtio. Maapallon magneettinen etelänapa on lähellä maantieteellistä pohjoisnapaa mutta ei ihan tarkalleen siellä. Tästä johtuu suunnistuksessa huomioitava eranto. Lisäksi Maan magneettiset navat liikkuvat nopin 40 km vuodessa, niiden voimakkuus vaihtelee. Napojen paikat myös vaihtuvat muutaman sadantuhannen vuoden välein.

Magneettinen dipoli

  1. Katso video: Kaksinapaisuus.
  2. Kun magneetin jakaa, kuinka monta napaa puolikkailla on? Voiko magneetin kohtiot saada erilleen toisistaan?
    Magneetti on aina dipoli eli sillä on aina kaksi kohtiota. Kun kaksi magneettia yhdistää tai magneetin katkaisee keskeltä, uudella kappaleella on edelleen pohjois- ja eteläkohtio.
    Selitys: puolikkaissa yhdensuuntaiset alkeismagneetit ovat kaksinapaisia. Kohtioita ei voi siis erottaa toisistaan.
  3. Kun kaksi magneettia yhdistää, kuinka monta napaa yhdistetyllä magneetilla on?
    Kaksi.


M2. Sähkömagneetti

  1. Katso video: Sähkömagneetti.
  2. Kuinka monta napaa käämin magneettikentällä on? Eroavatko ne kestomagneetin navoista?
    Napoja eli kohtioita on myös sähkömagneetilla kaksi. Ne käyttäytyvät, kuten kestomagneetin navat.
  3. Miten käämin sisään pujotettu rautasydän vaikuttaa magneettikenttään?
    Magneettikenttä käämin ulkopuolella voimistuu.
  4. Miten jännitteen lisääminen vaikuttaa magneettikenttään?
    Kun jännite kasvaa, myös magneettikenttä voimistuu.
  5. Katso video: Sähkömagneetin kenttä.
  6. Miksi naulat eivät tartu käämiin ilman rautasydäntä, mutta pysyvät käämin sisällä?
    Magneettikenttä on voimakkain käämin sisällä. (Fyysikkotermeillä magneettivuo on siellä tihein.)
  7. Katso video: Sähkömagneetin navat.
  8. Missä kohdassa käämiä magneettikenttä on voimakkain?
    Käämin sisällä tai jos käämissä on rautasydän, rautasydämen päässä.
  9. Mikä on rautasydämen tehtävä?
    Rautasydän magnetoituu ja tuo käämin sisällä olevan vahvan magneettikentän käämin ulkopuolelle.
  10. Katso video: How does an Electromagnet Work?
  11. Mitä rautasydämen sisällä tapahtuu, kun käämin läpi kulkee sähkövirta?
    Raudan alkeismagneetit kääntyvät käämin tuottaman kentän suuntaisiksi.
  12. Mitä etuja sähkömagneetilla on kestomagneettiin verrattuna?
    Sähkömagneetin voimakkuutta voi säätää ja sen voi myös sammuttaa kokonaan.
  13. Miten käämin kierrosten määrä vaikuttaa magneettikenttään? Miksi?
    Mitä enemmän käämissä on kierroksia, sitä voimakkaampi magneettikenttä on.
    Jokaisessa silmukassa kulkee sama sähkövirta, liikkuvia elektroneja. Jokainen liikkuva elektroni tuottaa oman pienen magneettikentän. Mitä enemmän elektroneja liikkuu käämin sydämen ympärillä, sitä voimakkaammaksi magneettikenttä muuttuu. Siksi sekä virran lisääminen että silmukoiden lisääminen voimistavat magneettikenttää.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/0d/VFPt_Solenoid_correct2.svg


M3. Sähkömagneettinen induktio

Rakennetaan virtapiiri käämistä (400r) ja virtamittarista. Virtalähdettä ei tarvita.
Työnnetään kestomagneetti käämin sisään. Katso video: Sähkömagneettinen induktio.

Mitä tapahtuu, kun magneetti työnnetään käämin sisään?
Virtamittarin osoitin heilahtaa. Käämin läpi kulkee siis sähkövirta.
Mitä tapahtuu kun magneetti vedetään ulos?
Virtamittarin osoitin heilahtaa vastakkaiseen suuntaan kuin äsken. Virran suunta siis muuttuu sen mukaan, mihin suuntaan magneetti liikkuu.
Mitä tapahtuu kun magneetti on paikallaan?
Virtamittarissa ei näy muutosta. Paikallaan oleva magneetti ei siis tuota käämiin sähkövirtaa.
Millainen magneettikentän pitää olla, että virtapiiriin syntyy sähkövirtaa? muuttuva
Miten magneetin kääntäminen vaikuttaa sähkövirran suuntaan?
Sähkövirran suunta vaihtuu. Magneettikentän suunta vaikutta siis siihen, mihin suuntaan elektronit johtimessa liikkuvat.
Miten johtimien vaihtaminen vaikuttaa sähkövirran suuntaan?
Sähkövirran suunta tietenkin vaihtuu.
Magneetin liikuttaminen muuttaa magneettikentän voimakkuutta käämin sisällä.
Miten magneettikentän muutosnopeus vaikuttaa hetkelliseen virran määrään?
Mitä nopeammin magneettikentän voimakkuus tai suunta muuttuu, sitä suurempi hetkellinen virta saadaan.
Miten käämin ja magneetin avulla voisi tuottaa sähköenergiaa?
Laitetaan käämi pyörimään tasaiseen magneettikenttään tai pyöritetään magneetteja käämin ympärillä. Näin saadaan vaihtovirtaa, eli sähkövirtaa, jonka suunta muuttuu säännöllisesti.
Selvitä ja selitä lyhyesti, mikä on sähkögeneraattori ja miten se toimii. Merkitse lähteet tekstiin.
Sähkögeneraattori muuttaa pyörimisliikkeen energian sähköenergiaksi.
Lue tiivistelmästä luku 4.4. Induktio.

M4. Muuntaja

1. Miten sähköenergiaa voi siirtää ilman johdinta? Katso video: Energiansiirtoa induktiolla
Ensiokäämi on se käämi, joka on kytketty virtalähteeseen. Toisiokäämillä ja ensiokäämillä on yhteinen rautasydän. Kun ensiokäämiin johdetaan vaihtovirtaa, käämiin syntyy muuttuva magneettikenttä. Edellisessä tehtävässä opit, että muuttuva magneettikenttä indusoi toisiokäämin johtimeen sähkövirtaa.

Miksi lamppu sammuu, kun virtalähteen vaihtovirta (AC) muutetaan tasavirraksi (DC)?
Tasavirta tuottaa pysyvän, tasaisen magneettikentän. Tasainen magneettikenttä ei indusoi toisen käämin johtimeen sähkövirtaa.

Kokeessa lamppu hehkuu hyvin himmeästi myös tasavirralla. Tämä johtuu käämien liikuttelusta sekä käämien ja rautasydämen vuorovaikutuksen aiheuttamasta värinästä. Pienetkin liikkeet aiheuttavat magneettikentän muutoksia ja indusoivat toisiokäämiin pienen sähkövirran.

Muuntaja on laite, jossa kaksi erilaista käämiä on kytketty induktiivisesti yhteen. Muuntaja muuttaa jännitteen ja virran arvoa.

muuntaja.png

2. Aloitetaan muuntajalla, jossa ensiö- ja toisiokäämissä on yhtä monta kierrosta (90r/90r).
Ensiokäämi on kytketty virtalähteeseen, toisiokäämin antamaa jännitettä mitataan. (Video: Muuntaja 90r/90r)

Huom! Monissa tehtävän vastauksissa jännite (voltit) ja käämin kierrokset ovat menneet sekaisin. 90r tai käämissä 90N tarkoittaa yhdeksääkymmentä kierrosta, ei 90 volttia!

Katso edellisistä töistä, mikä merkitys käämin kerroksilla on sähkömagneetissa ja induktiossa.

Täydennä mittaustulokset.
ensiokäämi: N1=90, V1= 3,3 V
toisiokäämi: N2=90, V2 = 3,2 V Induktiossa tapahtuu jonkin verran energiahäviötä. Olen vaimentanut videoista äänet, mutta muuntajien rautasydämen irtopalikka piti koko ajan voimakasta pärinää. 3. Seuraavassa muuntajassa käämeissä on 60 ja 90 kierrosta. Nyt muuntajaa pitää kokeilla tietenkin molemmin päin.
Video: Muuntaja 60r/90r.
Täydennä mittaustulokset.
a) Aluksi 60 kierrosta ensiokäämissä:
N1=60, V1= 3,0 V
N2=90, V2 = 4,6 V
Laske toisio- ja ensiokäämin kerroslukujen suhde sekä toisio- ja ensiojännitteiden suhde:
N2 : N1 = 90 : 60 = 1,5
V2 : V1 = 4,6 V : 3,0 V = 1,533.. ≈ 1,5
b) Sitten käämit toisin päin:
N1=90, V1= 3,4 V
N2=60, V2 = 2,1 V

Laske N2 : N1 sekä V2 : V1.
N2 : N1 = 60 : 90 = 0,66... ≈ 0,6
V2 : V1 = 2,1 V : 3,4 V = 0,6176 ≈ 0,7
Mitä huomaat?
Käämien kierroslukujen suhde on sama kuin jännitteiden suhde.
[[$$ \frac{N_1}{N_2}=\frac{V_1}{V_2} $$]]​
Kun toisiokäämissä on enemmän kierroksia kuin ensiokäämissä, jännite kasvaa.
Kun toisiokäämissä on vähemmän kierroksia kuin ensiokäämissä, jännite pienenee.

4. Seuraavaksi muuntajassa on 60 ja 180 kierroksen käämit.
Video: Muuntaja 60r/180r.
Täydennä mittaustulokset.
N1=60, V1= 3,4 V
N2=180, V2 = 11.0 V

N2 : N1 = 180 : 60 = 3
V2 : V1 = 11,0 V : 3,4 V = 3,23... ≈ 3

N1=180, V1= 3,5 V
N2=60, V2 = 0,9 V

N2 : N1 = 60 : 180 = 0,33...
V2 : V1 = 0,9 V : 3,5 V = 0,257....