Transcript tuntikooste

Sähköoppi
Sähköiset ja magneettiset
vuorovaikutukset sekä sähkö
energiansiirtokeinona.
Sähkövaraus
 Pienintä sähkövarausta kutsutaan
alkeisvaraukseksi.
– Elektronin varaus negatiivinen ja yhden
alkeisvarauksen suuruinen.
– Protonin varaus positiivinen ja samansuuruinen
 Elektronit eivät ole niin sidottuja
kappaleeseen kuin protonit, joten ne voivat
siirtyä kappaleesta toiseen ja saada aikaan
kappaleiden varautumisen.
Sähköoppia ©HO 2001-2007
2
Hankaussähkö
– Kappale varautuu hankauksessa. Elektroneja
saanut kappale saa negatiivisen varauksen ja
luovuttanut kappale positiivisen varauksen.
– Kahden kappaleen sähköisten tilojen ero pyrkii
tasoittumaan, jolloin niiden välille saattaa
syntyä kipinäpurkaus. Tällöin elektronit
siirtyvät kappaleesta toiseen ja sähköisten
tilojen ero häviää.
Sähköoppia ©HO 2001-2007
3
Sähköinen vuorovaikutus
 Sähköinen vuorovaikutus voi
gravitaatiovuorovaikutuksesta poiketen
ilmetä sekä veto- että poistovoimana.
 Samanmerkkiset varaukset hylkivät toisiaan
ja erimerkkiset vetävät toisia puoleensa.
 Varattu kappale voi olla vuorovaikutuksessa
myös alun perin neutraalin kappaleen
kanssa polarisaation vuoksi.
Sähköoppia ©HO 2001-2007
4
Polarisaatio
Negatiivisesti varautunut kalvo hylkii
paperinpalassa olevia elektroneja,
jolloin kalvonpuoleinen pää paperista
jää positiivisesti varatuksi
 vetovoima.
Sähköoppia ©HO 2001-2007
5
Jännite ja sähkövirta
 Sähköisen tilan eroa kutsutaan jännitteeksi.
– esim. hangatun ja neutraalin kalvon välillä
– Jännitteen yksikkö on voltti (1V)
 Sähköisten tilojen ero tasoittuu elektronien
siirtyessä. Tästä virtauksesta käytetään
nimitystä sähkövirta.
– Sähkövirran yksikkö on ampeeri (1A)
Sähköoppia ©HO 2001-2007
6
Virtalähde
 Virtalähde on laite, joka ylläpitää
sähkövirtaa virtapiirissä synnyttämällä
virtalähteen napojen välille jännitteen.
– esim. paristo
+
-
Sähköoppia ©HO 2001-2007
7
Suljettu virtapiiri
 Suljettu virtapiiri on sähkövirran kulkureitti,
jonka muodostavat johtimet, paristot ja
lamput tai muut sähkölaitteet.
– Pariston napojen välinen jännite pyrkii tasaantumaan sähkövirran avulla. Tällöin sähkövirta
saa napojen väliin kytketyn lampun
hehkumaan.
Sähköoppia ©HO 2001-2007
8
Johteet ja eristeet
 Johde on aine, jossa sähkövirta pääsee
liikkumaan vapaasti.
– metallit
 Eristeissä sähkövirta ei kulje.
– muovi, kumi, posliini,...
 Sähköä johtavia nesteitä sanotaan
elektrolyyteiksi
Sähköoppia ©HO 2001-2007
9
Piirrosmerkeistä
 Piirrosmerkit helpottavat virtapiirien
piirtämistä ja tulkitsemista.
 Piirrosmerkkien avulla esitetystä
kytkennästä eli virtapiiristä käytetään
nimitystä kytkentäkaavio.
Sähköoppia ©HO 2001-2007
10
Yleismittarin käyttö
 Mitattaessa käytetään ensin suurinta
mittausaluetta.
 Tarvittaessa voidaan valita herkempi
mittausalue.
 Sähkövirtaa ei saa koskaan mitata suoraan
virtalähteen navoista.
Sähköoppia ©HO 2001-2007
11
Jännitteen mittaaminen
 Jännitemittarilla voidaan mitata virtalähteen
napojen välinen jännite tai virtapiirissä
olevan komponentin aiheuttama
jännitehäviö.
 Mitattaessa jännitemittari kytketään pariston
tai sähkölaitteen rinnalle.
V
Sähköoppia ©HO 2001-2007
12
Virran mittaaminen
 Mitattaessa virtapiirissä kulkevan virran
suuruutta virtamittari kytketään osaksi
virtapiiriä siten, että mitattava virta kulkee
mittarin läpi.
A
Sähköoppia ©HO 2001-2007
13
Paristojen rinnan kytkentä
 Rinnan kytkennässä paristojen
samanmerkkiset navat on yhdistetty. Toiset
paristot on siis kytketty alkuperäisen
pariston rinnalle.
 Kokonaisjännite rinnan kytkennässä on
sama kuin yksittäisen pariston jännite.
Sähköoppia ©HO 2001-2007
14
Paristojen sarjaan kytkentä
 Sarjaan kytkennässä paristojen erimerkkiset
navat on yhdistetty kytkemällä paristot
peräkkäin
 Sarjaan kytkettyjen paristojen muodostama
kokonaisjännite on yksittäisten paristojen
jännitteiden summa.
Sähköoppia ©HO 2001-2007
15
Lamppujen kytkennät
 Lamppu vastustaa virran kulkua.
 Sarjaan kytketyt lamput aiheuttavat sitä
suuremman vastuksen mitä useampi lamppu
kytkennässä on.
Piirissä kulkee pienempi virta.
 Rinnan kytkennässä jokaisen lampun läpi
pääsee sama virta.
Kokonaisvirta piirissä kasvaa.
Sähköoppia ©HO 2001-2007
16
Resistanssi
 Resistanssi kuvaa komponentin (esim. lampun,
johtimen tai vastuksen) sähkövirran kulkua
vastustavaa ominaisuutta.
 Jos komponentti vastustaa paljon sähkövirran
kulkua, sillä on suuri resistanssi.
 Jos komponentti päästää sähkövirran kulkemaan
helposti lävitseen, sillä on pieni resistanssi.
 Resistanssin tunnuksena käytetään R-kirjainta ja
yksikkönä on Ω. (ohmi)
Sähköoppia ©HO 2001-2007
17
Resistanssin suuruus
 Komponentin resistanssin (R) suuruus
voidaan määrittää mittaamalla komponentin
läpi kulkeva sähkövirta (I) sekä
komponentissa tapahtuva jännitehäviö (U).
R = U / I
 Jännitehäviö siis jaetaan sähkövirran
suuruudella.
 Esim. R = 12V / 0,4A = 30Ω
Sähköoppia ©HO 2001-2007
18
Vastus
 Komponentti, jota käytetään sähkövirran
pienentämiseen virtapiirissä.
 Vastuksen resistanssi ei muutu sähkövirran
suuruuden mukaan, vaan on aina sama.
Sähköoppia ©HO 2001-2007
19
Vastusten sarjaan kytkentä
 Kytkettäessä useampia vastuksia sarjaan
(peräkkäin), ne vastustavat sähkövirran
kulkua enemmän ja sähkövirta piirissä
pienenee. (kuten lampuilla)
 Kokonaisresistanssi saadaan selville, kun
lasketaan resistanssit yhteen. (alla 550Ω)
Sähköoppia ©HO 2001-2007
20
Vastusten rinnan kytkentä
 Kytkettäessä vastukset rinnakkain, saadaan
sähkövirralle kaksi reittiä, joita molempia pitkin se
voi kulkea.
 Kahta reittiä käytettäessä virtapiirissä voi kulkea
suurempi virta, joten rinnan kytkennässä
kokonaisvirta kasvaa.
 Kokonaisresistanssin käänteisluku saadaan
laskemalla resistanssien käänteislukujen summa.
Sähköoppia ©HO 2001-2007
21
Vastusten rinnan kytkentä
 Kokonaisresistanssin käänteisluku saadaan
resistanssien käänteislukujen summana
1 1
1
1
 

R R1 R 2 R3
 Eli kokonaisresistanssi saadaan siis
1
R
1
1
1 
 
 
 R1 R2 R3 
R
1
1

 58
1
1  0,0173
 1




150

150

250 

Sähköoppia ©HO 2001-2007
22
Sähkövirta energian siirrossa
 Energiaa voidaan tuottaa kaukana sen
kulutuspaikasta, koska energian siirto on
mahdollista johtimia pitkin sähkövirran
avulla.
 Pitkillä siirtomatkoilla pitää käyttää suuria
jännitteitä, jotta energiahäviö (lämpö)
saadaan mahdollisimman pieneksi.
Sähköoppia ©HO 2001-2007
23
Sähkölaitteen käyttämä energia
 Sähkölaitteen energiankulutus (tunnus E)
riippuu sekä sähkövirran suuruudesta että
laitteen käyttöjännitteestä.
 Sähkölaitteen energiankulutukseen
vaikuttaa myös laitteen käyttöaika.
 E=UIt
 Energiankulutusta laskettaessa aika
sekunteina! => Energian yksikkö J (joule)
Sähköoppia ©HO 2001-2007
24
Sähkölaitteen teho
 Teho (tunnus P) lasketaan kuten mekaniikan
yhteydessä siirtyneen energian määränä tietyssä
ajassa.
E
P
t
 Sijoittamalla tehon yhtälöön E=UIt, saadaan
E UIt
P 
 UI
t
t
Sähköoppia ©HO 2001-2007
25
Sähkölaitteen teho
 Yhtälöstä P=UI voidaan muistikolmion avulla
helposti ratkaista mikä tahansa kolmesta
suureesta, jos kaksi tunnetaan.
P
U I
P
U
I
P
I
U
Sähköoppia ©HO 2001-2007
26
Kulutettu energia sähkölaskussa
 Sähkölaskussa kulutetun energian määrä on
ilmoitettu kilowattitunteina (kWh).
 Kulutetun energian määrä kilowattitunteina
lasketaan myös kaavalla E=UIt=Pt, mutta
teho merkitään kilowatteina (tuhansina
watteina) ja aika tunteina.
 Laskun suuruus määräytyy kulutetun
energian ja energian yksikköhinnan avulla.
Sähköoppia ©HO 2001-2007
27
Kestomagneetti
 Kiinalaisten tiedetään käyttäneen
magneettisesta rautamalmista valmistettua
alkeellista kompassia jo 1000-luvulla.
 Magneettisten kappaleiden välillä on
magneettinen etävuorovaikutus, jonka
ansiosta kompassin neulakin kääntyy aina
pohjoista kohti.
Sähköoppia ©HO 2001-2007
28
Kompassi
 Kompassin neula, joka on kestomagneetti,
pyrkii aina asettumaan pohjois-eteläsuuntaan.
 Kompassin, kuten muidenkin
kestomagneettien pohjoiseen kääntyvää
päätä sanotaan pohjois- eli N-kohtioksi
 Etelään kääntyvää päätä sanotaan etelä- eli
S-kohtioksi (tai navaksi).
Sähköoppia ©HO 2001-2007
29
Magneettiset vuorovaikutukset
 Kestomagneetin samannimiset kohtiot
hylkivät toisiaan.
 Kestomagneetin erinimiset kohtiot vetävät
toisiaan puoleensa.
 Kestomagneetit ovat vuorovaikutuksessa
myös magneettisten aineiden, kuten
raudan, nikkelin ja koboltin kanssa. Niiden
välillä on vetovoima.
Sähköoppia ©HO 2001-2007
30
Magneettikenttä
 Magneetit ovat vuorovaikutuksessa
toistensa kanssa magneettikentän
välityksellä.
 Magneettikenttää kuvataan kenttäviivoilla,
jotka alkavat eteläkohtiosta ja päättyvät
pohjoiskohtioon.
 Maan magneettikentän arvellaan aiheutuvan
sulan raudan liikkeestä maan sisällä.
Sähköoppia ©HO 2001-2007
31
Rautakappaleen magnetoiminen
 Rautakappale voidaan magnetoida sivelemällä sitä
kestomagneetilla yhdensuuntaisin vedoin.
 Jos magnetoitu rautakappale katkaistaan, saadaan
kaksi magneettia, joissa molemmissa on sekä
pohjois- että etelänavat
 Rautakappaleen magneettisuuden voi poistaa
takomalla tai kuumentamalla.
Sähköoppia ©HO 2001-2007
32
Sähkövirta aiheuttaa
magneettikentän
 Kun virtajohtimessa laitetaan kulkemaan
sähkövirta, johtimen ympärille syntyy
magneettikenttä.
 Johtimen ympärillä magneettikentän kenttäviivat
ovat ympyröitä.
 Jos oikealla kädellä tarttuu johtimesta kiinni siten,
että peukalo osoittaa sähkövirran kulkusuuntaan,
niin magneettikentän suunta on muiden sormien
osoittamaan suuntaan.
Sähköoppia ©HO 2001-2007
33
Käämi
 Kun johdin pyöräytetään ympyrän muotoiseksi,
saadaan silmukan sisälle magneettikenttä, jonka
suunta on kohtisuoraan silmukan läpi
 Kun johdin kierretään useammalle silmukalle,
saadaan voimakkaampi magneettikenttä.
 Tällaisesta rullatusta johtimesta käytetään nimeä
käämi.
Sähköoppia ©HO 2001-2007
34
Sähkömagneetin voimakkuus
 Käämin kierrosten lukumäärää lisäämällä
saadaan sähkömagneettia voimistettua.
 Mitä suurempi sähkövirta johtimessa
kulkee, sitä voimakkaamman
magneettikentän se aiheuttaa.
 Sähkömagneetin voimakkuutta voidaan
kasvattaa myös lisäämällä käämin sisään
rautasydän.
Sähköoppia ©HO 2001-2007
35
Sähkömagneetin sovelluksia
 Sähkömoottori
 Kaiutin, mikrofoni
 Soittokellot, releet
 Kuvaputket, (tv, tietokone)
 Video- ja kasettinauhojen tallennus
 Muuntajat (ks. kappale 8)
 Magneettijarrut, nosturit,…
Sähköoppia ©HO 2001-2007
36
Liike sähkövirraksi
 Muuttuva magneettikenttä aiheuttaa eli indusoi
käämiin jännitteen.
 Käämiin indusoituvan jännitteen suuruuteen
vaikuttavat käämin kierrosten lukumäärä,
magneetin voimakkuus ja liikuttelunopeus sekä
rautasydän.
 Indusoitunut jännite synnyttää sähkövirran, kun
käämi laitetaan osaksi suljettua virtapiiriä
 Mekaanisesta energiasta voidaan tuottaa
sähkövirtaa generaattorilla.
Sähköoppia ©HO 2001-2007
37
Generaattori
 Generaattorissa käämi eli ankkuri pyörii
kahden tai useamman kestomagneetin välissä,
jolloin niiden aiheuttama magneettikenttä
muuttuu koko ajan käämin suhteen.
 Ankkurin päiden välille syntyy vaihtojännite,
joka aiheuttaa vaihtovirran, kun käämin päät
kytketään virtapiiriin.
 Polkupyörän dynamokin on generaattori.
 Suuria generaattoreita käytetään voimalaitoksissa.
Sähköoppia ©HO 2001-2007
38
Generaattorin tuottama jännite
 Generaattorin tuottama jännite on
vaihtojännitettä, eli sen suuruus ja
napaisuus muuttuu jaksollisesti.
Aika
Sähköoppia ©HO 2001-2007
39
Vaihtojännite ja vaihtovirta
 Vaihtojännitteen taajuus kertoo sekunnissa olevien
jaksojen määrän.
 Yhdessä jaksossa napaisuus vaihtuu kahdesti,
joten vaihtojännitteen aiheuttaman vaihtovirran
suunta muuttuu myös kahdesti jakson aikana.
 Pistorasiassa vaihtojännitteen taajuus on 50Hz,
joten sen aiheuttama vaihtovirta muuttaa
suuntaansa 100 kertaa sekunnissa.
Sähköoppia ©HO 2001-2007
40
Vaihtojännitteen muuntaminen
 Muuntaja koostuu kahdesta eri kokoisesta
käämistä ja niitä yhdistävästä rautasydämestä.
 Suojajännitteelliset
sähkölaitteet toimivat
pienellä jännitteellä,
joten niille tarvitaan
muuntaja. Muuntaja
muuttaa 230V
verkkojännitteen
pienemmäksi.
Sähköoppia ©HO 2001-2007
41
Muuntajan toiminta
1.
2.
Ensiökäämissä kulkeva
vaihtovirta synnyttää
rautasydämeen
muuttuvan
magneettikentän.
Rautasydämen
muuttuva
magneettikenttä indusoi
toisiokäämiin
vaihtojännitteen, joka
saa aikaan toisiopuolen
vaihtovirran.
Sähköoppia ©HO 2001-2007
42
Muuntajan toiminta
 Ideaalisen muuntajan
vaihtojännitteen
muuntosuhde on suoraan
verrannollinen käämien
kierrosten lukumäärään.
 Käytännössä aivan yhtä
hyviin muuntosuhteisiin ei
päästä, sillä osa energiasta
muuttuu lämmöksi.
Sähköoppia ©HO 2001-2007
U1 N1

U 2 N2
43