FY06 11-14

Question 1

vastus

Answer 1

komponentti, jota käytetään sähkölaitteiden virtapiireissä rajoittamaan tai säätämään sähkövirtaa. Vastuksella voi olla tietty resistanssi, tai vastus voi olla ns. säätövastus, jolloin sen resistanssia voi muuttaa.

Question 2

vastukset sarjassa

Answer 2

• peräkkäin
• läpi kulkee sama sähkövirta
• yhteisresistanssi vastusten resistanssien summa
• Sähkövirta pienenee, koska sarjakytkennässä virtapiirin resistanssi kasvaa.

Question 3

vastukset rinnan

Answer 3

• vastusten molemmat navat on kytketty pareittain yhteen.
• virtapiirin virrasta osa kulkee toisen vastuksen läpi ja osa toisen.
• kokonaisresistanssi on aina kytkennän jokaisen vastuksen resistanssia pienempi.
• kunkin vastuksen päiden välinen jännite on sama U
• kokonaisresistanssin R käänteisluku saadaan laskemalla yhteen yksittäisten vastusten resistanssien käänteisluvut

Question 4

mitä jos rinnan kytkettyjen vastusten resistanssit ovat yhtä suuret?

Answer 4

R_kok=R/n

Question 5

napajännite

Answer 5

kuormitetun pariston napojen välinen jännite. pariston napojen välinen jännite pienenee kun se on kuormitettu

Question 6

sisäinen resistanssi

Answer 6

paristolla on sähkövirran I kulkua rajoittava ominaisuus, sisäinen resistanssi Rs. Pariston sisäisen resistanssin vuoksi myös itse paristossa tapahtuu jännitehäviö. Kun paristo on kuormittamaton, sen läpi ei kulje sähkövirtaa ja jännitehäviö on nolla. Tällöin pariston napojen välinen jännite on suurimmillaan.

Question 7

lähdejännite

Answer 7

Kuormittamattoman pariston napojen välinen jännite

Question 8

ideaalinen jännitelähde

Answer 8

jännitelähde, jolla ei ole sisäistä resistanssia

Question 9

todellisen jännitelähteen mallintaminen

Answer 9

Todellista jännitelähdettä voidaan mallintaa systeeminä, jossa ideaalisen jännitelähteen kanssa on kytketty sarjaan vastus, jonka resistanssi on Rs.

Question 10

pariston napajännite

Answer 10

Kuormitetun pariston napajännite on U = E – RsI, jossa E on lähdejännite ja RsI pariston jännitehäviö.

Question 11

oikosulku

Answer 11

Ääritapauksessa ulkoinen resistanssi on nolla, ja tällöin paristoa kuormittaa ainoastaan pariston sisäinen resistanssi. Tällaista tilannetta kutsutaan oikosuluksi. Kun paristo on oikosulussa, sen läpi kulkevaa virtaa kutsutaan oikosulkuvirraksi I0. Oikosulkuvirta voi olla hyvin suuri ja sytyttää virtapiirissä olevan komponentin tuleen tai vaurioittaa jännitelähdettä.

Question 12

oikosulkuvirran määritys

Answer 12

voidaan määrittää pariston kuormituskäyrästä (I,U) kuvaajan ja I-akselin leikkauspisteestä. yhtälöstä I_0=E/R_s

Question 13

pariston kuormituskäyrä

Answer 13

Pariston kuormituskäyrä eli I,U-kuvaaja saadaan mittaamalla pariston napajännite eri sähkövirran arvoilla. lineaarinen ja sen yhtälö on U = –RsI + E
Pariston lähdejännite saadaan kuormituskäyrän ja U-akselin leikkauspisteestä.

Question 14

paristot sarjassa

Answer 14

• paristojen erimerkkiset navat kytketään toisiinsa
• Sarjakytkennässä paristoyhdistelmän lähdejännite (napajännite) on yksittäisten lähdejännitteiden (napajännitteiden) summa.
• yhdistelmän sisäinen resistanssi Rs,kok on paristojen sisäisten resistanssien summa.

Question 15

paristot rinnan

Answer 15

• paristojen samannimiset navat kytketään toisiinsa
• paristoyhdistelmän napojen välinen jännite on sama kuin yksittäisen pariston napajännite. Tällöin myös niiden sisäiset resistanssit ovat rinnankytketyt. Siksi yhdistelmän sisäisestä resistanssista johtuva jännitehäviö on pienempi kuin yhdellä paristolla. Yhdistelmän käyttöikä on pidempi kuin yksittäisen pariston käyttöikä, koska paristojen kemiallisen energian kokonaismäärä on suurempi.

Question 16

kondensaattori

Answer 16

Kaksi lähellä toisiaan olevaa johdekappaletta, joilla on yhtä suuret vastakkaismerkkiset varaukset ja joiden välillä on eristekerros, muodostavat kondensaattorin. Siihen voidaan varastoida sähköiseen vuorovaikutukseen liittyvää potentiaalienergiaa. kokonaisuutena sähköisesti neutraali.

Question 17

levykondensaattori

Answer 17

Yksinkertaisin kondensaattori muodostuu kahdesta lähelle toisiaan asetetusta johdelevystä, joiden välissä on eriste. Tällaista kondensaattoria kutsutaan levykondensaattoriksi. Kondensaattoria varatessa levyjen varaukset asettuvat levyjen sisäpinnalle, sillä erimerkkiset varaukset vetävät toisiaan puoleensa. Koska samanmerkkiset varaukset hylkivät toisiaan, ne levittäytyvät levyille tasaisesti. Johdelevyjen välissä on homogeeninen sähkökenttä, jonka voimakkuus on
, ja levyjen välillä on jännite U.

Question 18

kondensaattorin varaus

Answer 18

Kun puhutaan ”kondensaattorin varauksesta”, tarkoitetaan yhdellä levyllä olevan varauksen itseisarvoa.

Question 19

purkauskäyrä

Answer 19

Kondensaattorin sähkövaraus voidaan selvittää esimerkiksi purkauskäyrän avulla. Purkauskäyrä esittää virtapiirissä kulkevan sähkövirran I ajan funktiona, kun kondensaattorin annetaan purkautua. Purkauskäyrän ja aika-akselin väliin jäävä fysikaalinen pinta-ala vastaa silloin koko purkauksen aikana kondensaattorista poistunutta sähkövarausta eli kondensaattorin varausta Q.

Question 20

kapasitanssi

Answer 20

Kapasitanssin yksikkö on faradi (F). U,Q-kuvaajan kulmakerroin. Kondensaattorin kapasitanssi on kondensaattorille ominainen suure, joka kuvaa kondensaattorin sähkönvaraamiskykyä. Kondensaattorin sähkövaraus Q ja jännite U ovat verrannolliset: Q = CU, jossa C on kondensaattorin kapasitanssi.

Question 21

läpilyönti

Answer 21

varauksen purkautuminen eristeen läpi suoraan levyltä toiselle

Question 22

rajajännite

Answer 22

Eristeen materiaali ja paksuus määräävät kondensaattorin jännitekeston eli rajajännitteen. Mitä korkeampi rajajännite on, sitä suurempi varaus kondensaattoriin voidaan ladata ilman pelkoa läpilyönnistä.

Question 23

eristeen suhteellinen permittiivisyys

Answer 23

kuvaa eristeen kykyä heikentää sähkökenttää.

Question 24

miten kondensaattori varastoi sähköiseen vuorovaikutukseen liittyvää potentiaalienergiaa?

Answer 24

Mitä enemmän varauksia levyjen välillä siirretään, sitä suuremmaksi tulee levyjen välinen jännite U ja sitä suurempi työ täytyy tehdä seuraavan varauksen q siirtämiseksi, sillä työ on W = Uq. Tehty työ varastoituu kondensaattorin energiaksi.

Question 25

varatun kondensaattorin energia

Answer 25

Energia saadaan U,Q-kuvaajan ja jänniteakselin väliin jäävän alueen fysikaalisena pinta-alana

Question 26

missä muodossa kondensaattorin energian yhtälö voidaan myös esittää?

Answer 26

E= 1/2 Q^2/C tai E=1/2CU^2

Question 27

akku

Answer 27

sähkökemiallinen energiavarasto, johon voi varastoida energiaa ja josta energian voi tarvittaessa ottaa käyttöön. Akkua ladattaessa sähkön siirtämä energia muuntuu kemialliseksi energiaksi, ja akkua purettaessa kemiallinen energia muuntuu sähkön avulla siirrettäväksi energiaksi. Akuista saatava jännite on aina tasajännitettä ja akkuja ladataan tasajännitteellä

Question 28

mistä akut koostuvat?

Answer 28

yhdestä tai useammasta sähköparista. Jännitteen syntyminen aiheutuu sähköparissa tapahtuvista kemiallisista reaktioista. Sarjaan kytkettyjen sähköparien määrä määrittää sen, mikä on akun lähdejännite täyteen ladattuna. Nykyisin suuret akut koostuvat moduuleista, jotka sisältävät rinnan- ja sarjaankytkettyjä akkukennoja. Moduuleista voidaan koota akkuja erilaisiin tarpeisiin. Modulaarisuutta voidaan hyödyntää myös latauksen yhteydessä. Kytkemällä moduuleja sarjaan tai rinnan, voidaan akkua ladata joko korkealla jännitteellä tai suurella sähkövirralla. Modulaarisuus on eduksi myös vikatilanteissa: akkuun voidaan vaihtaa vain ne moduulit, jotka ovat rikkoutuneet.

Question 29

lyijyakku

Answer 29

Perinteisessä lyijyakussa sähköparin jännite on noin 2,1 V. polttomoottoriautot

Question 30

litiumakku

Answer 30

Litiumioni-sähköparin jännite on noin 3,7 V, joka on huomattavasti suurempi kuin muilla akkutyypeillä. Litiumioniakkuja käytetään niin puhelimissa, kameroissa kuin sähköautojen akustoissa.

Question 31

nikkelikadmiumakku

Answer 31

Nikkelikadmiumakkua käytetään mm. sähkötyökaluissa kuten porakoneissa. NiCd-akun kestoikä on pitkä ja sisäinen resistanssi pieni.

Question 32

nikkelimetallihydridiakku

Answer 32

Nikkelimetallihydridiakkuja käytetään muun muassa tietokoneissa. NiMh-akun kapasiteetti on suurempi, mutta kestoikä lyhempi kuin NiCd-akulla.

Question 33

miten latauslaite kytketään akkua ladattaessa?

Answer 33

Ladattava akku kytketään rinnan latauslaitteen kanssa, eli akun ja latauslaitteen positiiviset navat toisiinsa ja negatiiviset navat toisiinsa. Latauslaitteen lähdejännite tulee olla hieman akun lähdejännitettä korkeampi. Akkua ladattaessa sähkövirta kulkee akun sisällä positiivisesta navasta negatiiviseen napaan. Piirissä kulkevien varausten sähköinen potentiaalienergia muuntuu kemialliseksi energiaksi akun sisällä. Akun sisäinen resistanssi rajoittaa virran kulkua. Kun lataus jatkuu, akun jännite jatkaa kasvamistaan, kunnes latauslaitteen ja akun plusnapojen välinen potentiaaliero pienenee nollaan. Tällöin myös latausvirta lakkaa.

Question 34

akun latauksen ohjaaminen

Answer 34

Muiden kuin lyijyakkujen lataamista ei saa tehdä lyijyakulle tarkoitetulla latauslaitteella edes silloin, kun jännitteet ovat näennäisesti sopivat. Litiumioniakun lataaminen vaatii latausjännitteen aktiivista ohjaamista. Esimerkiksi puhelimen akun lataamista ohjaa puhelimen sisäinen latauspiiri.
Akun liiallisen lämpenemisen estämiseksi latausvirtaa täytyy rajoittaa laskemalla latausjännitettä. Suurin turvallinen latausvirta riippuu sähköparin ominaisuuksista ja siitä, kuinka monta sähköparia akussa on kytketty rinnan.

Question 35

litiumakun lataus

Answer 35

Kun litiumioniakun jännite nousee yli akkuun merkityn nimellisjännitteen, latauksessa siirrytään käyttämään vakiojännitettä. Nimellisjännitteeltään 3,7 V:n akkua ladataan tällöin noin 4,2 V:n jännitteellä. Latausvirta pienenee ajan oloon, kun viimeisetkin ionit ovat siirtyneet akun navalta toiselle.
Liian korkea latausvirta aiheuttaa akun kuumenemista ja akkuun alkaa kertyä hiilidioksidia. Jos lämpötila tai paine akussa kasvaa liiaksi, akku saattaa leimahtaa tuleen.

Question 36

akun kapasiteetti

Answer 36

kertoo akun sisältämän sähkövarauksen määrän. Käytännön syistä akun kapasiteetti ilmoitetaan yleisesti milliampeeritunteina (mAh) tai ampeeritunteina (Ah). Akun kapasiteetista ei voi suoraan päätellä akkuun maksimissaan varastoitavissa olevaa energiaa. Energia riippuu myös akun jännitteestä. Akun sisältämä energia ilmoitetaan usein wattitunteina (Wh).

Question 37

akun energia

Answer 37

kun energia on E = QU, missä Q on akun varaus ja U on akun jännite.

Question 38

energiatiheys

Answer 38

Energiavaraston energiatiheys ilmaisee energialähteeseen varastoituneen energian määrän massayksikköä tai tilavuusyksikköä kohden. Energiatiheys voidaan laskea mille tahansa energialähteelle.

Question 39

tehotiheys

Answer 39

Joissakin sovelluksissa, kuten sähköautoissa ja lennokeissa tarvitaan suuria tehoja. Energiavarastosta saatavan tehon ja massan suhdetta kuvaa suure tehotiheys. Polttoaineille ei ole järkevää määritellä tehotiheyttä, koska se riippuu polttoainetta käyttävästä laitteesta. Kondensaattoreiden tehotiheys on tuhansia kertoja akkujen tehotiheyttä suurempi.

Question 40

miksi uraania käytetään energialähteenä esim. sukellusveneissä?

Answer 40

Ydinpolttoaineena käytetyn uraanin energiatiheys on noin 108-kertainen akkuihin nähden, joten uraani soveltuu energialähteeksi esimerkiksi avaruusluotaimiin, sukellusveneisiin tai lentotukialuksiin, joiden tankkaaminen on hankalaa.

Question 41

yksi lataussykli

Answer 41

Yhdellä lataussyklillä tarkoitetaan sitä, että akkua on käytetty sen kapasiteetin verran yhden kerran.

Question 42

kevyiden sähköajoneuvojen lataus

Answer 42

Esimerkiksi sähköpolkupyöriä ja -skoottereita voi ladata tavanomaisesta maadoitetusta hyväkuntoisesta 230 V kotitalouspistorasiasta, joka on suojattu kiinteään asennukseen kuuluvalla 30 mA vikavirtasuojalla.

Question 43

hidas lataus

Answer 43

Myös sähköautoa voi ladata tavanomaisesta kotitalouspistorasiasta tarkoitukseen sopivalla ohjaus- ja suojalaiteyksiköllä, mutta sitä ei suositella. Tällöin latausvirta tulee yleensä rajoittaa 8 ampeeriin. Latausteho on tuolloin maksimissaan 1,8 kW.

Question 44

peruslataus

Answer 44

Suositeltavin sähköauton lataustapa on käyttää erityistä sähköautopistorasiaa, jolloin ajoneuvossa olevaa oleva laturi huolehtii latauksesta. Latauksessa käytetään sähköverkon jännitettä 230 V. Latausteho riippuu käytettävissä olevasta maksimivirrasta sekä ladattavan auton ominaisuuksista. Latausvirta voi olla maksimissaan 3 · 63 A, jolla saavutetaan 43 kW latausteho. Ladattaessa pistokytkimet lukittuvat mekaanisesti tai sähköisesti vastakappaleisiinsa. Latausjärjestelmään kuuluu tiedonsiirtoväylä, jonka avulla varmistetaan, että ajoneuvo on oikein ja turvallisesti kytketty latauspisteeseen. Lisäksi väylällä voidaan ohjata kuormitusta ja virran syöttöä molempiin suuntiin.
Käytännössä peruslatauksen todellinen latausteho riippuu käytettävissä olevasta sähköliittymästä sekä ladattavan sähköauton ominaisuuksista.

Question 45

pikalataus

Answer 45

Teho- eli pikalataus (mode 4) tehdään tasavirralla. Nykyisten teholatureiden autoon syöttämät tasavirrat ovat satoja ampeereita ja lataustehot ovat suurimmillaan satoja kilowatteja.

Question 46

kehitteillä olevia akkuratkaisuja

Answer 46

kuten natriumpohjainen suola-akku. Myös vedestä erotettua vetyä voi käyttää energiavarastona. Kun energiasta on ylitarjontaa, voidaan vedestä sähkön avulla erottaa vetyä ja happea. Kun energiasta on vajausta, vety ja happi yhdistetään, jolloin reaktiossa vapautuu energiaa. Vedystä ja hapesta voi tuottaa sähköä polttokennon avulla. Vetyä voi käyttää myös polttoaineena polttomoottoreissa.