ALALISVOOL

1. ALALISVOOL FÜÜSIKA III (II KONTROLLTÖÖ MATERJAL)

2. ELEKTRIMAHTUVUS. KONDENSAATORID TEEMA ALALISVOOL FÜÜSIKA III

3. ELEKTRIMAHTUVUSE MÕISTE Kehadevõime “siduda” endagalaengut on vägaerinev – ühtekehasse “mahub” rohkemlaengutkuiteise. Rangemaltvõttes on mahtuvusepuhultegemistalati (vähemalt) kahekehavahelisemahtuvusega Kahekehaomavahelinemahtuvusnäitab, kuisuurelaenguviimiselüheltkehaltteiseletekibnendekehadevaheleühikulinepinge

4. KEHADE ELEKTRIMAHTUVUS q- 2q- +q -q +2q -2q U 2U

5. ELEKTRIMAHTUVUSE ARVUTAMINE Kahe keha vaheline elektrimahtuvus on arvutatav valemist: kus – q – ühelt kehalt teisele viidud laengu suurus (C), U – laengu üleminekust kehade vahel tekkinud pinge (muutus) (V) C – kahe keha vaheline elektrimahtuvus: Mahtuvuse ühik:

6. KONDENSAATORI ELEKTRIVÄLI Kondensaatorid on kehad, mis on mõeldud (küllalt) suurte erinimeliste laengute kogumiseks. Lihtsaim kondensaator koosneb kahest metallplaadist, mida eraldab teineteisest dielektriline keskkond Kahe plaadi vahel tekib homogeenne elektriväli, mille tugevus on arvutatav: kus E – elektrivälja tugevus (V/m), U – plaatide vaheline pinge (V), d – plaatide vaheline kaugus (m)

7. KONDENSAATORI MAHTUVUS Teades plaatide pindala ja nende vahelise keskkonna dielektrilist läbitavust, saab kondensaatori elektrimahtuvust leida valemist: kus C – kondensaatori mahtuvus (F); ε – plaatide vahelise keskkonna dielektriline läbitavus; S – plaatide aktiivse (ehk kattuva) osa pindala (m2); d – plaatide vaheline kaugus (m); ε0=8,85∙10-12 F/m- elektriline konstant (mis on seotud konstandiga k=1/4πε0)

8. KONDENSAATORITE ÜHENDAMINE AHELASSE Kondensaatoreidtähistatakseelektriskeemidelsümboliga: NB! Nagusümboliltnäha, katkestabkondensaatoralalisvooluahela, sestplaatidevahel on dielektrik! Seegaleiavadkondensaatoridkasutamist (peamiselt) vahelduvvooluahelates.

9. KONDENSAATORITE JADAÜHENDUS Ühendadeskondensaatoridjadamisi, pinged nendeotstelliituvad, nendelaeng on agaigaühessama: seega: kusCjada – kondensaatoritejadahelamahtuvus, C1, C2,…CN – ahelasseühendatudkondensaatoritemahtuvused (kõik F)

10. KONDENSAATORITE RÖÖPÜHENDUS Ühendadeskondensaatoridrööbiti, on pinged kõigiotstevahelsamad, laengudagaliituvad: Seega: kusCrööp – kondensaatoriterööpahelamahtuvus, C1, C2,…CN – ahelasseühendatudkondensaatoritemahtuvused (kõik F)

11. LAETUD KONDENSAATORI ENERGIA Kondensaatoris laengute eraldamiseks tuleb teha tööd – tänu sellele suureneb plaatidest koosneva süsteemi potentsiaalne energia. Sama suur energia vabaneb kondensaatori tühjenemisel tööna: kus A – kondensaatori tühjenemisel tehtav töö (J); q – kondensaatori laeng (C), U – kondensaatori pinge (V); C – kondensaatori mahtuvus (F), Wp - kondensaatorisse salvestunud potentsiaalne energia

12. ELEKTRIVOOL FÜÜSIKA III

13. ELEKTRIVOOLU MÕISTE • Elektrivooluks nimetatakse laetud osakeste korrapärast (suunatud) liikumist. • Elektrivoolu tekkimiseks peab olema täidetud kaks tingimust: • peavad olemas olema vabalt liikuda saavad laenguga osakesed (st tegu peab olema elektrijuhiga); • osakestele peab mõjuma kindla suunaline jõud (juht peab asuma elektriväljas) • Elektrivoolu suunaks loetakse kokkuleppeliselt positiivsete osakeste liikumissuunda • kui juhis positiivseid osakesi ei liigu, loetakse voolu suunaks negatiivsete osakeste liikumisele vastupidist suunda

14. ELEKTRIVOOL ERINEVATES KESKKONDADES • Elektrivool metallides • Metallides on vabadeks laengukandjateks valentselektronid (vabad elektronid). • Elektrivälja sattudes hakkavad vabad elektronid liikuma elektrivälja jõujoontele vastupidises suunas. • Elektrivoolu suunaks metallides loetakse elektronide liikumisele vastupidist suunda. • Voolu toimel metallides keemilisi muutusi ei toimu. • Elektrivool vedelikes • Vedelikke, milles leidub vabu laengukandjaid nimetatakse elektrolüütideks • Elektrolüütides on vabadeks laengukandjateks positiivsed ja negatiivsed ioonid. • Elektrivälja sattudes hakkavad positiivsed ioonid liikuma elektrivälja jõujoonte suunas, negatiivsed ioonid aga jõujoontele vastupidises suunas. • Voolu suunaks elektrolüütides loetakse positiivsete ioonide liikumissuunda. • Kui ioonid jõuavad välja tekitava laetud kehani, kaotavad nad seal oma laengu ning muutuvad tagasi metalli vms aine aatomiteks – nii väheneb elektrivoolu toimel elektrolüütides sisalduvate ioonide arv.

15. ELEKTRIVOOL GAASIDES • Elektrivool gaasides • Gaasid on üldjuhul dielektrikus st neis ei leidu vabu laengukandjaid. • Selleks, et gaasis saaks tekkida elektrivool, tuleb sinna vabad laengukandjad tekitada – gaas tuleb ioniseerida. • Olukorda, kus gaas ioniseerub välismõju toimel, nimetatakse sõltuvaks gaaslahenduseks, kui ioniseerumine toimub välise mõjutuseta, on tegu sõltumatu gaaslahendusega. • Osaliselt või täielikult ioniseeritud gaasi nimetatakse plasmaks. • SÕLTUVATEKS GAASLAHENDUSTEKS on • termoionisatsioon (kus gaasi tekivad vabad laengukandjad – elektronid ja ioonid – gaasi välisel kuumutamisel) ja • fotoionisatsioon (kus gaasi tekivad vabad laengukandjad – elektronid ja ioonid – valguse toimel. • Kui välise mõjutaja toime lõppeb, lakkab ka elektrivool. • SÕLTUMATU GAASLAHENDUS tekib reeglina tänu põrkeionisatsioonile – gaasimolekulid lagunevad ioonideks ja elektronideks omavaheliste põrgete tagajärjel. • Näiteks õhus tekib sõltumatu gaaslahendus kui elektivälja tugevus on 3 MV/m.

16. ELEKTRIVOOL GAASIDES • SÕLTUMATUTEKS GAASLAHENDUSTEKS on • Sädelahendus tekib kui väline elektriväli pole võimeline tekitama gaasi vabu laengukandjaid pikema aja jooksul. Keskkonnda tekib lühiajaline plasmakanal (säde, välk) ning selles tekkiv elektrivool neutraliseerib elektrivälja tekitanud erinimeliselt laetud kehad. • Huumlahendus on sõltumatu gaaslahendus, mis tekib alandatud rõhuga gaaskeskkonnas. Gaasi rõhu langemisel teatavast piirist allapoole, tekib keskkonnas plasmakanal, mis võib täita tervet keskkonda – luminofoor ehk päevavalgus-lambid, säästulambid • Kaarlahendus tekib olukorras, kus sõltumatu gaaslahenduse käigus eralduva energia tagajärjel elektrivälja tekitavad kehad (eletroodid) kuumenevad ning hakkavad emiteerima elektrone. Kaarlahendust kasutatakse näiteks elektrikeevitusaparaatides • Koroonalahendus tekib tugevalt mittehomogeenses elektriväljas näiteks teraviku ja taspinna vahel. Koroonalahendus erineb kaarlahendusest selle poolest, et siin tekib ionisatsioon ainult teraviku läheduses. Koroonalahenduseega on seletatav näiteks Püha Elmo tulede tekkimine laevamastides ja kirikutornides.

17. VOOLUTUGEVUS • Voolutugevus on füüsikaline suurus, mis iseloomustab elektrijuhti (juhi ristlõiget) ajaühikus läbiva elektrilaengu suurust: • kus I – voolutugevus (A), q – elektrilaeng (C), Δt – ajavahemik (s). • Voolutugevuse ühik 1 AMPER (1A) on üks seitsmest SI fundamentaalühikust. • Amper on defineeritud kahe lõpmatu pika ja peenikese vooluga juhtme vahel tekkiva vastasmõju kaudu

18. VOOLUTUGEVUS METALLIDES JA ELEKTROLÜÜÜÜTIDES Metallides, kus vabadeks laengukandjateks on elektronid, saab voolutugevust kirjeldada juhti läbivate elektronide suunatud liikumise kaudu: kus I – voolutugevus (A); e=1,6∙10-19C – elektroni laeng; n – elektronide kontsentratsioon aines (m-3); S – juhi ristlõikepindala; v – elektronide suunatud liikumise kiirus (m/s) Elektrolüütides, kus vabadeks laengukandjateks on ioonid, kirjeldatakse elektrivoolu elektrolüüdist voolu toimel välja sadestuva ainekoguse kaudu: kus I – voolutugevus (A); m – negatiivsel elektroodil välja sadestunud aine mass (kg); k – aine elektrokeemiline ekvivalent (kg/(As) ehk kgA-1s-1)

19. OHMI SEADUS FÜÜSIKA III

20. OHMI SEADUS VOOLURINGI OSA KOHTA Voolutugevus ahelas on võrdeline pingega selle ahela otstel ja pöördvõrdeline selle ahela takistusega: kus I – voolutugevus (A); U – pinge (V) ja R – takistus (Ω) Kui pinge ahela otstel 1V tekitab ahelas voolu tugevusega 1A, on selle ahela takistus 1Ω (oom) Kui voolutugevusel 1A on pinge selle ahela otstel 1V, on selle ahela elektrijuhtivus 1S (siimens). kus I – voolutugevus (A); U – pinge (V) ja G – juhtivus (S) R=1/G või G=1/R

21. TAKISTUS/JUHTIVUS Elektritakistus/juhtivus on tingitud suunatult liikuvate laengute omavahelisest vastasmõjust ja/või vastasmõjust teiste juhis sisalduvate laetud osakestega. Elektritakistus/juhtivus EI SÕLTU juhi otstele rakendatud pingest ega juhti läbiva voolu tugevusest, vaid on nende kaudu arvutatav. Elektritakistus/juhtivus sõltub juhi mõõtmetest ja materjalist: Kus R – takistus (Ω), ρ - eritakistus (Ω∙m), l – juhi pikkus (m), S – ristlõikepindala (m2); G – elektrijuhtivus (S); σ – erijuhtivus (S ∙m) NB! ρ=1/σ ehk σ=1/ρ

22. JUHI TAKISTUSE SÕLTUVUS TEMPERATUURIST Lisaks juhi mõõtmetele ja materjalile, sõltub juhi (eri)takistus ka tema temperatuurist: kus – juhi eritakistus temperatuuril (0°C); - takistuse temperatuuritegur (K-1) ja t – juhi temperatuur (°C) Metallide takistuse temperatuuritegur on positiivne – so temperatuuri tõustes, metallide eritakistus suureneb, temperatuuri kahanedes takistus väheneb. Väga madalatel temperatuuridel (u 3K=-270°C) kaob metallide elektritakistust täielikult (R=0!) – seda nähtust nimetatakse ülijuhtivuseks.

23. JUHTIDE JADA- JA RÖÖPÜHENDUS FÜÜSIKA III

24. JUHTIDE JADAÜHENDUS Jadaühenduseks nimetatakse sellist ühendust, kus vooluahelas ei toimu hargnemisi Jadaühenduse korral kehtivad pinge, voolutugevuse, takistuse ja juhtivuse vahel järgmised seaduspärasused:

25. JUHTIDE RÖÖPÜHENDUS Rööpühenduseks nimetatakse sellist ühendust, kus ahelat moodustavate juhtide algus- ja lõpp-punktid on ühendatud samade punktide vahele ning vool jaguneb seetõttu mitmesse paralleelsesse harusse.

26. JUHTIDE RÖÖPÜHENDUS Rööpühenduse korral kehtivad pinge, voolutugevuse, takistuse ja juhtivuse vahel järgmised seaduspärasused:

27. ELEKTRIVOOLU TÖÖ JA VÕIMSUS FÜÜSIKA III

28. ELEKTRIVOOLU TÖÖ Laetud osakeste suunatud liikumisel teevad elektrivälja jõud laengute liigutamiseks tööd – seda tööd nimetataksegi elektrivoolu tööks. kus A – elektrivoolu töö (J); Δq – juhti läbiv elektrilaeng (C); U – pinge juhi otstel (V); I –juhti läbiva elektrivoolu tugevus (A); Δt – ajavahemik, mille jooksul vool juhti läbib (s)

29. ELEKTRIVOOLU VÕIMSUS Võimsus on füüsikaline suurus, mis iseloomustab töö tegemise kiirust: kus, P – elektrivoolu võimsus (W) A – elektrivoolu töö (J); Δq – juhti läbiv elektrilaeng (C); U – pinge juhi otstel (V); I –juhti läbiva elektrivoolu tugevus (A); Δt – ajavahemik, mille jooksul vool juhti läbib (s)

30. JOULE’i – LENZ’i SEADUS Kui vooluahelas ei ole liikuvaid juhte ega esine ainete keemilist muundumist, siis elektrivoolu poolt tehtava töö arvelt juht ainult soojeneb: kus Q – juhis eraldunud soojushulk (J); c – juhi erisoojus (J/(kgK)); m – juhi mass (kg); ΔT = T2-T1 – temperatuuri muutus (K); I – voolutugevus (A); R – takistus (Ω); t – ajavahemik, mille jooksul juhti läbib elektrivool (s)

31. OHMI SEADUS KOGU VOOLURINGI KOHTA FÜÜSIKA III

32. VOOLUALLIKAD • Et juhis saaks tekkida pikemaajalisem elektrivool, tuleb juhis tekitada ja hoida elektrivälja (pinget juhi otstel) pikema aja jooksul. • Vooluallikad on seadeldised, mis on mõeldud elektrivälja tekitamiseks ja säilitamiseks. • Kuna vooluallikas peavad elektrilaengud liikuma elektrivälja jõududele vastupidises suunas, siis põhineb voolukate töö mingite mitteelektriliste jõudude tööl. • Sõltuvalt sellest milline energia muundatakse vooluallikas elektrivälja energiaks, liigitatakse vooluallikaid: • keemilisteks (elektrivälja energiaks muundub keemiliste reaktsioonide energia – akud, patareid); • valguslikeks(elektrivälja energiaks muundub valgusenergia – päikesepatareid) • soojuslikeks(elektrivälja energiaks muundub - soojusenergia) • mehaanilisteks(elektrivälja energiaks muundub liikumise energia)

33. KÕRVALJÕUDUDE TÖÖ. ELEKTROMOTOORJÕUD Sõltumata vooluallikas laenguid liigutavate jõudude olemusest, teevad need jõud – kõrvaljõud - seal laengu liigutamisel tööd. Füüsikalist suurust, mis iseloomustab kõrvaljõudude poolt laengu ümberpaigutamiseks tehtava töö suurust, nimetatakse elektromotoorjõuks: kus ε – elektromotoorjõud; Akj – kõrvaljõudude poolt tehtud töö (J); q – vooluallikas ümber paigutatud laengu suurus (C) Elektromotoorjõu ühik: [ε]=[A]/[q]=1J/1C=1V

34. SULETUD VOOLURING Vaatleme suletud vooluringis tehtavat tööd: Vooluallikast väljaspool teevad tööd elektrijõud; vooluallikas aga kõrvaljõud VOOLU SUUND LÜLITI VOOLU-ALLIKAS HÕÕGLAMP ELEKTRONIDE SUUND

35. OHMI SEADUS SULETUD VOOLURINGIS Saab näitadavoolutugevus suletud vooluringis on võrdeline vooluallika elektromotoorjõuga ning pöördvõrdeline vooluringi kogutakistusega: kus I – voolutugevus ahelas (A), ε - vooluallika elektromotoorjõud (V); R – vooluahela välistakistus (Ω); r – vooluallika sisetakistus (Ω) ehk Kus Uv – pinge(langus) ahela välisosal (V); Us – pinge(langus) vooluallika sees (V)