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