Fysiikan oppikirja/Sähkö

Wikikirjasto
Loikkaa: valikkoon, hakuun

Mitä on sähkö?[muokkaa]

Olemme kaiken aikaa tekemisissä sähkön kanssa. Jokaisella on jonkinlainen käsitys sähköstä.

Aineessa on kahta sähköistä hiukkastyyppiä: elektroneja ja protoneja. Näillä on kuitenkin erilainen sähkövaraus. Ne vetävät toisiaan puoleensa. Protonin sähkövarausta on alettu kutsua positiiviseksi ja elektronin negatiiviseksi. Voimaa, joka vaikuttaa protonien ja elektronien välillä, kutsutaan sähkövoimaksi tai sähköiseksi vuorovaikutukseksi. Sähkövoima on perusvuorovaikutus. Aikaisemmin on käsitelty toista perusvuorovaikutusta, nimittäin gravitaatiota.

Protonit ovat osina atomien ytimissä tai ne voivat yksinäänkin muodostaa ytimen. Vedyn ydin on pelkkä protoni. Sähkövoima pitää elektroneja ydintä ympäröivillä radoilla. Pienet määrät protoneja ja elektroneja voi liikkua yksinään atomien ulkopuolella. Jos kappaleeseen kulkeutuu ylimääräisiä elektroneja, tulee kappale negatiivisesti sähköiseksi. Protonit tekevät kappaleen positiivisesti sähköiseksi. Erinimiset sähkövaraukset vetävät toisiaan puoleensa ja samannimiset hylkivät. Kaksi positiivisesti varautunutta kappaletta hylkivät toisiaan. Nykyisen käsityksen mukaan sama hiukkanen, fotoni, joka muodostaa valon ja muun sähkömagneettisen säteilyn toimii myös sähköisen vuorovaikutuksen välittäjänä.

Sähköinen vetovoima on yksi voimista, jotka pitävät aineen koossa.

Sähköiset perussuureet[muokkaa]

Sähkövirta - I[muokkaa]

Sähkövirta on yksi SI-järjestelmän perussuureista. Virran perusyksikön Ampeerin määritelmä on sellainen ajallisesti muuttumaton sähkövirta, joka kulkiessaan kahdessa äärettömän pitkässä, yhdensuuntaisessa ja suorassa johtimessa joiden poikkileikkaus on ympyrä ja jotka ovat 1 metrin päässä toisistaan tyhjiössä, saa aikaan johtimien välille 2·10-7 newtonin voiman johtimen metriä kohden.

Sähkövirran yksikkö on ampeeri (A) ja SI-järjestelmän tunnus I.

Jännite - U[muokkaa]

Jännite kuvaa kahden kappaleen välisen sähköisten potentiaalien välistä eroa. Täsmällisemmin määriteltynä jännite on varauksen sähköinen potentiaalienergia jaettuna varauksen suuruudella, eli V = E_p / Q.

Jännitteen yksikkö on voltti (V) ja tunnus U.

Joskus kuulee puhuttavan jännite-erosta. Jännite on kuitenkin jo itsessään potentiaaliero. Jännitteiden välinen ero on siis jännite.

Teho - P[muokkaa]

Tehon yksikkö on watti (tunnus W) ja SI-järjestelmän tunnus P. Teho on jännitteen ja virran tulo, eli  P = U \cdot I. Watti tarkoittaa kuinka monta joulea energiaa kuluu sekunnissa.

Laskentaesimerkki sähköverkosta 16 A sulakkeesta saatavasta tehosta[muokkaa]

Pistorasiaan tulee 230 V verkkojännite 16 A sulakkeen kautta. Mikä on maksimi pistorasiasta otettavissa oleva teho?

P = U · I = 230 V · 16 A = 3680 W = 3,68 kW

Sähköenergia - E[muokkaa]

Sähköenergiaa mitataan laskemalla kuinka kauan (aika t) kuinka suurta tehoa (teho P) kulkee. Teho on puolestaan jännitteen U ja virran I tulo. Näin ollen energia (tunnus E) on:

E_{\mathrm{s\ddot{a}hk\ddot{o}}}=P\cdot t=U\cdot I\cdot t

Sähköenergian yksikkönä voidaan käyttää SI-järjestelmän mukaisen joulen lisäksi lisäyksikköä kilowattitunti (1 kWh = 3,6 MJ).

Laskentaesimerkki energiankulutuksesta[muokkaa]

Paljonko 2 kW lämmitin kuluttaa energiaa 24 tunnin aikana?

E = P · t = 2 kW · 24 h = 48 kWh

Sähkövaraus - Q[muokkaa]

Sähkövaraus, Q, on yksi alkeishiukkasten perusominaisuuksista. Sähkövarauksinen hiukkanen luo ympärilleen sähkökentän ja sähkökenttä vaikuttaa varautuneeseen hiukkaseen. Tämä on sähkömagneettisen vuorovaikutuksen perusta. Negatiivisesti varautuneessa kappaleessa on elektroneja enemmän kuin protoneja ja positiivisesti varautuneessa päinvastoin.

Sähkövarauksen yksikkö on coulombi, C, joka vastaa noin 6,24 · 1018 alkeisvarausta (yhden elektronin varaus). Joskus, erityisesti akuissa ja paristoissa, sähkövarauksen yksikkönä käytetään ampeerituntia Ah.

Lisämateriaalia suureista Wikipediassa[muokkaa]

Tasavirta ja vaihtovirta[muokkaa]

Sähkökenttä[muokkaa]

Virtapiiri[muokkaa]

Suljettu virtapiiri on johtimien ja sähkölaitteiden muodostama sähkövirran kulkureitti. Avoimesta virtapiiristä ei virta kulje lävitse, virtapiiri voidaan katkaista tarkoituksellisesti esimerkiksi katkaisijalla.

Sähköiset mittalaitteet[muokkaa]

  • Galvanometri
  • Jännitteen mittaaminen (mittari piirissä rinnan)
  • Virran mittaaminen (mittari piirissä sarjassa)
  • Oskilloskooppi, jolla mitataan jännitteen aaltomuotoa
  • Yleismittarilla voi mitata jännitettä, virtaa, resistanssia ja joillakin yleismittareilla voi mitata muitakin suureita

Resistanssi - R[muokkaa]

Ohmi (tunnus Ω) on sähköinen vastus, johon aiheutuu voltin jännitehäviö ampeerin virralla. Ohmi on SI-järjestelmässä resistanssin (tunnus R), reaktanssin (vaihtovirtavastus, tunnus X) ja impedanssin (tunnus Z) yksikkö. Ohmin käänteisyksikkö on siemens (tunnus S).

1 Ω = 1 V/A = 1/S.

Ohmin laki[muokkaa]

Ohmin lain mukaan metallijohtimessa tai muussa vastuksessa jännitehäviö on vakiolämpötilassa verrannollinen sähkövirtaan:

U = R\cdot I, missä U = jännite, R = resistanssi, I = sähkövirta.

Ohmin lain pätevyys on rajallinen, sillä se on voimassa vain vakiolämpötilassa oleville metallijohtimille. Lämpötilan kasvaessa myös resistanssi kasvaa metalleilla.

Laskentaesimerkki vastuksen läpi kulkeavasta virrasta[muokkaa]

100Ω lämmitysvastus kytketään 230V verkkojännitteeseen. Mikä on lämmitysvastuksen läpi kulkeva virta?

U = R · I → I = U / R = 230V / 100Ω = 2,3A

Ominaisvastus ja sähkönjohtavuus[muokkaa]

Ominaisvastus on aineen sähköinen ominaisuus, joka kuvaa, minkälainen resistanssi muodostuu minkäkin kokoisesta kappaleesta ainetta. Ominaisvastuksen toisia nimiä ovat ominaisresistanssi ja resistiivisyys ja sen tunnus on ρ. Ominaisvastuksen SI-järjestelmän mukainen yksikkö on ohmimetri (tunnus Ωm, Ω m tai Ω·m). Ominaisvastuksen käänteisarvo on sähkönjohtavuus.

Johtimen, jonka pituus on l ja poikkipinta-ala A, vastus R voidaan laskea ominaisvastuksesta ρ seuraavasti:

R = ρ · l / A

Laskentaesimerkki kaapelin resistanssin laskemisesta[muokkaa]

Kuparikaapelia, jonka poikkipinta-ala on 1,5 mm², on 100 m. Mikä on kaapelin resistanssi normaalilämpötilassa?

Kuparin ominaisvastus on 0,0168·10−6 Ωm. Lasketaan kaapelin resistanssi:

R = ρ · l / A = 0,0168·10−6 Ωm · 100 m / 1,5·10−6 m² = 1,12 Ω

Sähköllä siirretään energiaa[muokkaa]

Joskus kuulee puhuttavan sähköenergiasta. Sähkö ei kuitenkaan ole energiaa, vaan tapa siirtää sitä paikasta toiseen.

Johdin[muokkaa]

Sähköjohdin on lankamainen tai monesta langasta kerrattu sähköä johtava materiaali. Sähköjohtimet tehdään yleensä kuparista tai alumiinista ja ne eristetään muovi- tai kumieristevaipalla.

Moninapaista johdinta kutsutaan kaapeliksi. Sähköjohtimia ja -kaapeleita valmistetaan moniin käyttötarkoituksiin ja monenlaisiin olosuhteisiin: niitä valmistetaan mm. korkeille jännitteille, korkeisiin lämpötiloihin ja kestämään erityistä mekaanista rasitusta (robottikaapelit) ja kemiallista rasitusta (erityiset vaippamateriaalit). Radiotekniikassa ja tietoliikenteessä tarvitaan suojattuja kaapeleita (rakenteeseen lisätty suojavaippa).

Johtimen paksuus ilmaistaan poikkipinta-alana/mm². Kaapelin virran kesto riippuu poikkipinta-alasta - tavanomaisissa olosuhteissa noin 1,5 mm² kuparijohdin kestää 10 A virran.

Magneettikenttä[muokkaa]

Kestomagneetti[muokkaa]

Magneetti on kappale, joka luo ympärilleen magneettikentän. Luonnossa magneettisia aineita ovat eräät rautapitoiset malmit. Magneettikenttä muodostuu magneetissa, kun malmin yksittäiset atomit tai molekyylit ovat järjestäytyneet samansuuntaisesti esimerkiksi ulkoisen magneettikentän ohjaamina. Siten magneettinen malmi kertoo syntyaikansa ja -paikkansa magneettikentän suunnan.

Magneetit ovat kaksinapaisia. Napoja nimitetään S- ja N-navoiksi (engl. South ja North, etelä ja pohjoinen). Kompassineulan N-napa on se, joka osoittaa kohti pohjoista. Samannimiset magneetin navat hylkivät toisiaan ja erinimiset vetävät toisiaan puoleensa.

Sähkömagneetti[muokkaa]

Sähkövirta sähköjohtimessa tai käämissä luo ympärilleen myös magneettikentän.

Induktio[muokkaa]

Johteen ympärillä muuttuva magneettikenttä synnyttää eli indusoi johteeseen jännitteen. Ilmiötä käytetään hyväksi muun muassa generaattoreissa.

Jos johtimessa kulkee sähkövirta synnyttää se ympärilleen magneettikentän. Jos virta katkaistaan nopeasti, muuttuu magneettikenttä, mikä indusoi johtimeen jännitteen, jonka aiheuttaman virran suunta on vastakkainen katkaistun virran suunnalle. Ilmiötä kutsutaan itseinduktioksi.

Kelat ja kondensaattorit[muokkaa]

Sähköopin suureet ja yksiköt[muokkaa]

Sähköopin suureet ja yksiköt kansainvälinen yksikköjärjestelmän (SI-järjestelmän) mukaisesti:

Sähköopin suureet ja yksiköt
Mitattava suure Suureen tunnus Yksikön nimi Yksikön tunnus Yksikkö muilla yksiköillä ilmaistuna
energia E, W joule J kg·m²/s² (= N·m = W·s)
energia, lisäyksikkö E, W kilowattitunti kWh 3,6 MJ
teho P watti W kg·m² / s³ (= V·A= J/s )
pätöteho P
loisteho Q vari var kg·m²/s² (= V·A = J/s)
näennäisteho S volttiampeeri VA kg·m²/s² (= V·A = J/s)
virta I ampeeri A (perusyksikkö)
sähkövaraus Q coulombi C A·s
sähkövuo Ψ
sähkövaraus, lisäyksikkö Q ampeeritunti Ah 3600 As = 3600 C
jännite, sähköinen potentiaali U voltti V kg·m² / (s³ A) (= W/A = J/C)
resistanssi, sähköinen vastus R ohmi Ω kg·m² / (s³·A²) (=V/A)
reaktanssi X
impedanssi Z
konduktanssi ("sähkönjohtavuus") G siemens S s³·A² / (kg·m²) (= 1/Ω = A/V)
transkonduktanssi gm
suskeptanssi B
admittanssi Y
kapasitanssi C faradi F s4 A² / (kg m²) (= A·s/V)
induktanssi L henry H kg·m² / (s²·A²) (= V·s/A)
keskinäisinduktanssi M
permeanssi Λ
magneettivuo, käämivuo Φ weber Wb kg·m² / (s²·A) (= V·s)
magneettisen navan voimakkuus p
magneettivuon tiheys B tesla T kg / (s²·A) (= Wb/m²)
sähkövuon tiheys D coulombi neliömetriä kohti C / m² A·s / m²
sähkövaraustiheys ρ coulombi neliömetriä kohti C / m³ A·s / m³
sähkökentän voimakkuus E voltti metriä kohti V/m kg·m / (s³·A)
magneettikentän voimakkuus H ampeeri metriä kohti A/m
sähkövirran tiheys J ampeeri neliömetriä kohti A/m²
ominaisvastus eli resistiivisyys ρ ohmimetri Ωm kg·m³ / (s³·A²)
konduktiivisuus eli sähkönjohtavuus σ 1/(Ωm) s³·A² / (kg·m³)
reluktanssi, magneettivastus Rm 1/H s²·A² / (kg·m²) (= A/(V·s))
permeabiliteetti μ T·m/A V·s/(A·m) = H/m
permittiivisyys ε C²/(N·m²) A·s/(V·m) = F/m
magneettinen momentti μ, m ampeerineliömetri A·m² J/T

Katso myös[muokkaa]