2. Jännite
Johdanto
Miksi taskulamppu palaa kirkkaammin paristonvaihdon jälkeen? Kirjaa ylös luokan yhteiseen ryhmämuistioon laitteita, jotka toimivat paristoilla. Millaisia paristoja laitteissa käytetään? Keskustelkaa niistä yhdessä luokan kesken.
Jännite ja jännitelähde
Jännite on esimerkiksi pariston kyky tuottaa sähkövirtaa. Jännitettä tuottavia laitteita, kuten paristoja ja akkuja, kutsutaan yleisesti jännitelähteiksi. Kun tavalliseen 1,5 voltin sormiparistoon kytketään johtimilla lamppu, se syttyy palamaan. Paristo, johtimet ja lamppu muodostavat suljetun virtapiirin, jossa sähkövirta kulkee. Lamppu syttyy palamaan sähkövirran vaikutuksesta. Kun pariston jännite on suurempi, lamppu palaa kirkkaammin. Tämä tarkoittaa suurempaa sähkövirtaa.
Perinteisessä paristossa on sinkkiä ja hiiltä ammoniumkloridiliuoksessa.
Pariston tarkempi rakenne: 1) metallinappi (plus-napa), 2) grafiittitanko, 3) sinkkilieriö (anodi), 4) mangaanidioksidi (katodi), 5) kosteaa ammoniumkloridia, 6) metalliliitin eli miinus-napa.
Paristossa eli sähköparissa on kahta eri ainetta, jotka ovat sähköä johtavassa elektrolyyttiliuoksessa. Aineiden välille syntyy jännite kemiallisten reaktioiden ansiosta. Pariston jännite on tasajännitettä. Se tuottaa virtapiiriin tasavirtaa, DC (direct current). Pistorasian jännite on vaihtojännitettä. Se tuottaa virtapiiriin vaihtovirtaa, AC (alternating current). Tasajännite tuottaa vain samaan suuntaan kulkevaa sähkövirtaa, kun vaihtovirta tuottaa sähkövirtaa, jonka suunta vaihtuu. Vaihtovirtaa tarkastellaan luvussa Generaattori.
Katso tästä interaktiivinen sovelma tasa- ja vaihtovirran mallinnuksesta.
Pariston ja akun välinen ero on se, että akun voi ladata uudelleen, mutta paristoa ei. Akut voivat olla samannäköisiä kuin paristot, joten laittaessasi akkuja lataukseen, sinun on oltava tarkkana. Jos erehdyt laittamaan akkulaturiin tavallisia paristoja, paristot voivat syttyä palamaan.
Sormiparistot ja akut ovat ulkoisilta mitoiltaan samanlaisia. Siksi on tarkkaan luettava lataukseen laitettavan osalta, että se on ladattavissa (rechargeable).
Jännite ja sähkölaitteet
Erilaiset laitteet tarvitsevat toimiakseen erisuuruisia jännitteitä. Saunan kiuas vaatii 400 voltin jännitteen, jotta lämmöntuotto olisi riittävää. Kannettava tietokone toimii esimerkiksi 19 voltin jännitteellä ja sähköhammasharja tarvitsee 2,4 voltin jännitteen. Leluissa tarvittava jännite saadaan erilaisista paristoista tai akuista.
Paristoja vasemmalta oikealle: 4,5 V 3R12, D, C, AA (ns. sormiparisto), AAA, AAAA, A23, 9 V PP3 paristo (ns. neppariparisto), kaksi nappiparistoa rinnakkain.
Laitteen käyttötarkoitus määrittää sen tarvitsema käyttöjännite. Laite, kuten esimerkiksi sähkökiuas, jonka tarkoituksena on tuottaa lämpöä, tarvitsee korkean käyttöjännitteen. Lelu, jonka tarkoituksena on liikkua sähkövirran avulla, tarvitsee pienemmän jännitteen.
Kuvagalleria – kodin sähkölaitteet ja niiden tarvitsemat käyttöjännitteet
Jännitettä mitataan jännitemittarilla
Jännitteen tunnus on U. Sen yksikkö on voltti, 1 V. Jännitteen mittaamisessa käytetään jännitemittaria. Jännitemittaria kutsutaan myös volttimittariksi jännitteen yksikön mukaan. Jännitemittarin kytkentätapa on rinnankytkentä. Virtapiirissä oleva virta ei kulje jännitemittarin läpi. Kun jännitemittarilla mitataan pariston napojen välinen jännite, saadaan pariston lähdejännite. Suljetussa virtapiirissä napojen välinen jännite on napajännite. Napajännite on lähdejännitettä pienempi. Kun jännitemittarilla mitataan jännitettä jonkin komponentin yli, saadaan mitattua komponentin jännitehäviö. Virtapiirissä komponenteissa tapahtuvien jännitehäviöiden summa on jännitelähteen jännite.
Jännitemittari on kytketty mittaamaan jännitettä lampun yli. Johtimet haarautuvat mittarin kohdalla.
Vasemmanpuoleisessa kuvassa mitataan 4,5 voltin pariston jännitettä jännitemittarilla. Asteikkona on 6 voltin asteikko. Oikeanpuoleisessa kuvassa saman pariston jännite mitataan 30 voltin asteikolla. Kuvassa punaisen johtimen paikka määrää asteikon maksimilukeman, ja sen perusteella pitää mittaria lukea oikealta asteikolta.
Paristojen sarjaan- ja rinnankytkentä
Tarkastellaan kahden pariston ja lampun välisiä kytkentöjä. Kun virtapiirissä on yhden pariston kanssa lamppu, mitataan jännitteeksi 4,5 volttia. Kun piiriin kytketään sarjaan eli peräkkäin toinen paristo, jännitteen suuruudeksi mitataan 9,0 volttia. Tällöin lamppu palaa kirkkaammin.
Yksi paristo ja lamppu kytkettynä sarjaan.
Kaksi paristoa ja lamppu kytkettynä sarjaan. Tässä tapauksessa lamppu palaa kirkkaammin kuin edellisessä kytkennässä. Kokonaisjännite saadaan laskemalla paristojen jännitteet yhteen.
Paristot voidaan kytkeä myös toisella tavalla virtapiiriin. Tällöin johdin haarautuu. Kyseessä on rinnankytkentä. Paristojen ollessa rinnankytkettynä jännitteen suuruudeksi mitataan 4,5 volttia. Lamppu palaa yhtä kirkkaasti kuin yhden pariston kytkennässä. Paristojen rinnankytkennällä saatava hyöty on se, että laitteen käyttöaika pidentyy. Kahden pariston rinnankytkennässä molempien paristojen kemiallinen energia muuntuu sähköenergiaksi, jolloin käytettävissä on kaksinkertainen määrä energiaa.
Kaksi rinnankytkettyä paristoa ja lamppu. Lamppu palaa yhtä kirkkaasti kuin ensimmäisessä tilanteessa, mutta lampun käyttöaika on pidempi. Kokonaisjännite on sama kuin kahden samanlaisen pariston jännitteet.
Jännitteen suuruuteen vaikuttaa kytkennässä olevien paristojen määrä ja se, miten ne on kytketty.
Laskuesimerkki 1 – paristojen kytkentöjä
Laske, kuinka suuri on paristojen kokonaisjännite, kun
a) kolme 1,5 voltin sormiparistoa kytketään sarjaan
b) kaksi 9 voltin neppariparistoa kytketään sarjaan
c) kolme 1,5 voltin sormiparistoa kytketään rinnan
d) kaksi 9 voltin neppariparistoa kytketään rinnan.
Ratkaisu:
a) [[$ 3 \cdot \text{1,5 V} = \text{4,5 V} $]]
b) [[$ 2 \cdot 9\text{ V} = 18\text{ V} $]]
c) [[$ \text{Kokonaisjännite on sama kuin yhden pariston eli 1,5 V} $]].
d) [[$ \text{Kokonaisjännite on sama kuin yhden pariston eli 9 V} $]].
Avainsanat
Jännite: Jännite on esimerkiksi pariston kyky tuottaa sähkövirtaa. Sähkövirran tuottamiseksi on oltava jännite ja virtapiirin on oltava suljettu.
Sähköpari: Tunnetaan tavallisemmin nimellä paristo. Paristossa on kahta eri ainetta, joiden kemiallisen vuorovaikutuksen kautta syntyy jännite.
Kemiallinen reaktio: paristossa tapahtuva hapettumis–pelkistymis-reaktio, jonka seurauksena paristoon syntyy jännite.
Tasajännite: esimerkiksi pariston tuottama jännite.
Tasavirta, DC (Direct Current): tasajännitteen tuottamaa virtaa, jonka suunta ei muutu.
Vaihtojännite: Vaihtojännite on esimerkiksi pistorasiasta saatava jännite.
Vaihtovirta, AC (Alternating Current): Vaihtojännitteen tuottamaa virtaa, jonka suunta muuttuu. Suomessa vaihtovirran taajuus on 50 Hz.
Jännitemittari: Mittari, jolla mitataan jännitettä. Kytketään rinnan mitattavan komponentin kanssa.
Volttimittari: Jännitemittarin toinen nimitys. Mittari, jolla mitataan jännitettä. Kytketään rinnan mitattavan komponentin kanssa.
Rinnankytkentä: johdin haaroittuu, kun kyseessä on rinnankytkentä.
Lähdejännite: jännitelukema, joka saadaan, kun mitataan suoraan pariston jännite.
Napajännite: Jännitelukema, joka saadaan, kun mitataan kuormitetun pariston jännite. Kuormituksella tarkoitetaan, että virtapiirissä on pariston lisäksi kytkettynä jokin muu komponentti, esimerkiksi lamppu. Napajännite on aina pienempi kuin lähdejännite.
Jännitehäviö: Kun sähkövirta kulkee komponentin läpi, komponentissa tapahtuu jännitehäviö. Kun jännitemittarilla mitataan jännitettä jonkin komponentin yli, saadaan mitattua komponentissa tapahtuva jännitehäviö. Virtapiirin jännitehäviöiden summa on yhtä suuri kuin pariston napajännite.
Kemiallinen energia: Paristoista saatava energia on kemiallista energiaa. Energia perustuu kemiallisiin reaktioihin.
Sähköenergia: sähkövirran kuljettama energiamuoto, jonka avulla sähkölaitteet toimivat.