25. Sähkövaraus

1. 25. Sähkövaraus • Atomin rakenne on sähköisesti neutraali. • Hangatessa kappaleita, elektroneja siirtyy toiseen kappaleeseen  kappaleet saavat erimerkkiset varaukset. • Samanmerkkiset varaukset hylkivät, erimerkkiset varaukset vetävät puoleensa • Huom! Muista, että voimanuolet ovat aina yhtä suuret • Polarisaatiossa varattu kappale aiheuttaa neutraalin kappaleen ”sähkövarauksen järjestäytymisen”, esim. ilmapallo seinässä.

2. 26. Jännite aiheuttaa sähkövirran • Kahden kappaleen välistä varauseroa kutsutaan jännitteeksi (U, yks. voltti, 1 V) • Kaikki erot pyrkivät luonnossa tasoittumaan (lämpötila-, paine-, varauserot) • Varauseron tasoittuessa elektronit siirtyvät negatiivisesta navasta positiiviseen. Tätä elektronien yhdensuuntaista liikettä kutsutaan sähkövirraksi. • Sähkövirta liikkuu parhaiten metalleissa (hyvä johdin), huonosti esim. muovissa (huono johdin, hyvä eriste) • Kasvaessaan tarpeeksi suureksi varausero voi purkautua myös ilman johdinta, esim. salama.

3. 27. Jännitteen ja sähkövirran mittaaminen • Virtamittari mittaa piirissä kulkevaa virtaa  kytketään siis aina sarjaan. • Virtamittarin vastus pitää olla mahdollisimman pieni, jotta mittari vaikuttaa mahdollisimman vähän virran kulkuun. • Jännitemittari mittaa laitteen yli tapahtuvaa jännitehäviötä  kytketään rinnan.

4. 28. Lamppu vastustaa sähkövirtaa • Kappaleen kykyä vastustaa sähkövirran kulkua sanotaan resistanssiksi (tunnus R, yksikkö ohmi, 1 Ω) • johteilla pieni • eristeillä suuri • Johteen resistanssi on sitä suurempi, mitä • pidempi • ohuempi johdin on

5. 28. Lamppu vastustaa sähkövirtaa • Ohmin lain mukaan sähkövirta on • Suoraan verrannollinen jännitteen suuruuteen • Kääntäen verrannollinen virtapiirin resistanssiin • Eli yhtälön muodossa • Voidaan kirjoittaa myös U = RI • Esim. Kuinka suuri sähkövirta kulkee leivänpaahtimen läpi, kun sen resistanssi on 75 Ω ja käyttöjännite 230 V. • Ratk. T: n. 3,1 A

6. 28. Lamppu vastustaa sähkövirtaa • Kun vastukset kytketään sarjaan, kokonaisvastus on yksittäisten vastusten summa, , katso esim. 3 s. 192 • Kun vastukset kytketään rinnan, kokonaisvastus voidaan laskea yhtälöstä Tällöin kokonaisvastus pienenee, katso esim. 5b. s. 193. • Kotona laitteet kytketään rinnan. Jokainen laite ottaa oman virtansa, jolloin kokonaisvirta kasvaa. • Sulake suojaa virtapiiriä ylikuumenemiselta: kun virta kasvaa liian suureksi, sulake kytkee virran pois.

7. 29. Sähköenergia siirtyy virtapiirissä • Sähköenergia on yksi energian olomuoto, joka muuttuu sähkölaitteissa muihin muotoihin, esim. valoksi, ääneksi, liikkeeksi, lämmöksi. • Sähköteho (P, eng. power) kertoo yo. muuntumisnopeuden, yksikkö watti, 1 W • Sähköteho on suoraan verrannollinen jännitteeseen ja sähkövirtaan, P = UI. Katso esim. 1. s.197 • Laitteen käyttämä energia riippuu laitteen tehosta ja tietysti käyttöajasta eli E = Pt

8. 29. Sähköenergia siirtyy virtapiirissä • Sähköyhtiöt käyttävät energiayksikkönä kilowattituntia käytännön syistä (1 kWh = 3600000 J) • Sähkölaitteen käyttökustannus = käytetty sähköenergia · yksikköhinta • Esim. Toni imuroi huoneensa joka päivä. Imurin teho 1300 W ja imurointi vie 10 minuuttia. Laske paljonko Tonin imurointiharrastus maksaa vuodessa, kun sähköenergia maksaa 12 snt/kWh. • Ratk. • Useissa sähkölaitteissa on termostaatti, joka säätelee laitteen tomintaa. Esim. lämpöpatterissa termostaatti kytkeytyy päälle ja pois huonelämpötilan mukaan.

9. 31. Kompassin neula on kestomagneetti • Magneetin kohtioita kutsutaan pohjois- ja eteläkohtioiksi. • Pohjois- ja eteläkohtioita ei voida koskaan erottaa toisistaan (alkeismagneetti) • Erinimiset kohtiot vetävät toisiaan puoleensa, samannimiset hylkivät. • Kompassin neula näyttää kohti maapallon magneettikentän eteläkohtiota, joka sijaitsee lähellä maantieteellistä pohjoisnapaa. • Maapallon magneettikentän suuntaa muuttuu hitaasti ajan saatossa.

10. 31. Kompassin neula on kestomagneetti • Magneetti ei tartu kaikkiin kappaleisiin eikä edes kaikkiin metalleihin, vaan ainoastaan kappaleisiin, jotka ovat valmistettu raudasta, koboltista tai nikkelistä (ns. ferromagneetteja). • Esim. rautanaula voidaan magnetisoida sivelemällä sitä toisella magneetilla yhdensuuntaisin vedoin. Tällöin alkeismagneetit järjestäytyvät yhdensuuntaisiksi.

11. 32. Sähkömagneetin voimakkuutta • Sähkövirta aiheuttaa ympärilleen magneettikentän (muista kompassi ja sähköjohto-työ) • Käämi: paljon sähköjohtoa kieputettu kierroksiksi. • Käämin jokainen silmukka vahvistaa magneettikenttää  sähkömagneetti

12. 32. Sähkömagneetin voimakkuutta voidaan muuttaa • Sähkömagneetin voimakkuuteen kasvattaa lisäämällä • Käämin kierroksia • Jännitettä (virtaa) • Rautasydän • Sähkömagneetin etuja verrattuna kestomagneettiin • Voimakkuutta voidaan säätää • Magneettisuus voidaan helposti poistaa (virta pois) • Sovelluksia: romunosturit, sähkömoottori, mikrofonit, kaiuttimet jne.

13. 33. Generaattori muuntaa liike-energiaa sähköenergiaksi • Sähkövirtaa on ollut tietysti aina, mutta mullistavaa oli, kun sähkövirta saatiin hallintaan (vertaa ukkonen) • Miten tuuli, vedenvirtaus tai ydinvoimasta vapautuva lämpö saadaan muutettua sähkövirraksi? Vastaus: Sähkömagneettinen induktio

14. 33. Generaattori muuntaa liike-energiaa sähköenergiaksi • Sähkömagneettinen induktio: muuttuva magneettikenttä indusoi lähettyvillä olevaan johtimeen sähkövirran (Michael Faraday v. 1831). • Tällaisia laitteita kutsutaan generaattoreiksi (esim. polkupyörän dynamo, veivattava kännykkälaturi, tietysti voimalaitosten isot generaattorit) • Indusoituvan sähkövirran suuruutta voidaan kasvattaa lisäämällä • Käämin kierroksia • Magneetin liikuttelunopeutta • Magneetin voimakkuutta • Rautasydän • Muita sovelluksia: induktioliesi, sähköhammasharjan lataaminen • Eli puhuttaessa tuuli-, ydin-, vesivoimasta jne., kyse on vain siitä mikä yo. energialähteistä käämiä pyörittää.

15. 34. Kodin virtapiirit ovat osa Suomen sähköverkkoa • Muuntaja muuntaa jännitettä pienemmäksi tai suuremmaksi. Muutos tehdään kahden toisiinsa kytketyn käämin avulla (käämin kierrosten lukumäärän suhde ratkaisee, ks. Seuraava dia) • Sähköenergia pysyy samana: jos jännite kasvaa, niin virta pienenee ja toisin päin (eli UI=vakio) • Useimmat laitteet sisältävät muuntajan, joka pienentää jännitettä (esim 230 V  12V). • Sähköenergia siirretään korkeajännitteisenä (pieni virta  vähemmän lämpöhukkaa)

16. Käämiin tulee vaihtovirtaa, joka indusoi muuttuvan mg-kentän. Muuttuva mg-kenttää välittyy rautasydäntä pitkin toisiokäämiin, jossa muuttuva mg-kenttä indusoi vaihtojännitteen (virran). Vasemmalla puolen on enemmän kierroksia kuin oikealla  jännite pienenee.