Liite: Kurssin käsitteet
Coulombin laki
Pistemäisten sähkövarauksellisten hiukkasten välillä on voima, joka noudattaa Coulombin lakia: [[$F=k\dfrac{Q_1Q_2}{r^2}$]]. Tässä [[$Q_1$]] ja [[$Q_2$]] ovat pistemäiset sähkövaraukset, [[$r$]] on niiden välinen etäisyys ja [[$k=8,98755\cdot 10^9\dfrac{\text{Nm}^2}{\text{C}^2}$]] on Coulombin vakio.
Samanmerkkisten sähkövarausten ollessa kyseessä voima on hylkivä ja erimerkkisten tapauksessa vetävä.
Samanmerkkisten sähkövarausten ollessa kyseessä voima on hylkivä ja erimerkkisten tapauksessa vetävä.
Diodi
Diodi on komponentti, joka päästää virtaa lävitseen vain yhteen suuntaan. Siinä on liitettynä toisiinsa P- ja N-tyypin puolijohdepalat.
Jotta virta kulkisi päästösuuntaan, diodin napojen välisen jännitteen on oltava suurempi kuin sille ominainen kynnysjännite. Kun tämä jännite ylittyy, virta kasvaa nopeasti. Estosuuntaan virta ei kulje, mutta liian suuri jännite rikkoo diodin.
Jotta virta kulkisi päästösuuntaan, diodin napojen välisen jännitteen on oltava suurempi kuin sille ominainen kynnysjännite. Kun tämä jännite ylittyy, virta kasvaa nopeasti. Estosuuntaan virta ei kulje, mutta liian suuri jännite rikkoo diodin.
Energiantuotantotavat Suomessa
Voimalaitokset tuottavat sähkövirtaa ja lämpöä. Voimalaitoksen tyypistä riippuu, saadaanko energianlähteestä sähkövirtaa vai lämpöä. Suomessa keskeinen asema on myös sähkövirran ja lämmön yhteistuotannolla, jonka osuus koko energiantuotannosta on maailman suurimpia. Yhteistuotannon etuna on, että raaka-ainetta hyödynnetään kokonaisvaltaisemmin, jolloin energiantuotannon hyötysuhde paranee. Yhteistuotantolaitoksissa tai teollisuuslaitosten energiantuotannossa vapautuvaa lämpöä käytetään rakennusten lämmitykseen.
Suomen omat luonnonvarat eivät riitä täyttämään yhteiskunnan energiantarvetta. Sähkön ja lämmön tuotannossa tarvittavia fossiilisia polttoaineita tai uraania joudutaan hankkimaan muualta. Puuta Suomessa on kuitenkin runsaasti. Puupolttoaineet ovatkin suurin energianlähde. Suomi on sähköntuotannossa pääosin omavarainen, mutta sähköä ostetaan myös muilta valtioilta jonkin verran.
Sähköntuotantoon käytetty energia vuonna 2014 oli yhteensä 524 000 terajoulea. Alla on esitetty eri energianlähteiden suhteellinen osuus sähköntuotannosta.
Suomen omat luonnonvarat eivät riitä täyttämään yhteiskunnan energiantarvetta. Sähkön ja lämmön tuotannossa tarvittavia fossiilisia polttoaineita tai uraania joudutaan hankkimaan muualta. Puuta Suomessa on kuitenkin runsaasti. Puupolttoaineet ovatkin suurin energianlähde. Suomi on sähköntuotannossa pääosin omavarainen, mutta sähköä ostetaan myös muilta valtioilta jonkin verran.
Sähköntuotantoon käytetty energia vuonna 2014 oli yhteensä 524 000 terajoulea. Alla on esitetty eri energianlähteiden suhteellinen osuus sähköntuotannosta.
Eriste
Eriste on aine, jossa mitkään sähkövaraukselliset hiukkaset eivät pääse liikkumaan vapaasti. Tyypillisiä eristeitä ovat ionikiteet (esimerkiksi ruokasuola), kaasut ja monimutkaiset yhdisteet (esimerkiksi puu, kumi ja muovit).
Generaattori
Generaattori muuntaa pyörimisliikkeen sähkövirraksi. Tämä tapahtuu induktion avulla: pyörimisliikkeellä saadaan joko magneetit tai niiden lähellä olevat käämit (joissa on sähköjohtoa rullalla) pyörimään. Muuttuva magneettikenttä indusoi ympärilleen sähkökentän. Jos tässä sähkökentässä on sähköjohto, siihen indusoituu sähkövirtaa. Induktioon palataan opintojaksolla 7.
Hankaussähkö
Hankaussähköllä tarkoitetaan ilmiötä, jossa kahden kappaleen hangatessa toisiaan elektroneja siirtyy kappaleesta A kappaleeseen B ja kappaleiden välille syntyy varausero. Tämä voi purkautua kipinänä. Elektroneja siirtyy sitä enemmän, mitä suurempi ero hankaavien aineiden kyvyssä on kerätä elektroneja itseensä hankaustilanteessa.
Homogeeninen sähkökenttä
Homogeeninen sähkökenttä on sähkökenttä, joka on kaikkialla samansuuruinen ja samansuuntainen. Tällainen sähkökenttä syntyy positiivisesti ja negatiivisesti varattujen samansuuntaisten levyjen väliin. Homogeenisessa sähkökentässä potentiaali kasvaa tasaisesti siirryttäessä kohti positiivisesti varautunutta levyä, eli [[$V=Ed$]], missä E on sähkökentän voimakkuus ja d on etäisyys valitusta potentiaalin nollatasosta.
Koska sähkövaraukseltaan [[$Q$]] olevan hiukkasen sähköinen potentiaalienergia yleisesti on [[$E_{SP}=QV$]], homogeenisessa sähkökentässä saadaan kaava [[$E_{SP}=QEd$]].
Koska sähkövaraukseltaan [[$Q$]] olevan hiukkasen sähköinen potentiaalienergia yleisesti on [[$E_{SP}=QV$]], homogeenisessa sähkökentässä saadaan kaava [[$E_{SP}=QEd$]].
Jännite
Jännite tarkoittaa kahden pisteen välillä olevaa potentiaalieroa. Jännitteen yksikkö on voltti (V) ja tunnus [[$ U $]]. Kun kahden pisteen välillä on jännite, niiden välillä on sähkökenttä, ja sähkövaraukset pyrkivät liikkumaan pisteiden välillä. Positiiviset varaukset pyrkivät alhaisempaan ja negatiiviset korkeampaan potentiaaliin.
Jännite syntyy, kun sähkövaraukset ovat jakautuneet epätasaisesti. Jännite voidaan saada aikaan myös jännitelähteellä, kuten paristolla tai pistorasialla.
Kun yhdistetään pisteet, joiden välillä on jännite, syntyy suljettu virtapiiri. Varaukset lähtevät liikkeelle, ja syntyy sähkövirtaa.
Jännite syntyy, kun sähkövaraukset ovat jakautuneet epätasaisesti. Jännite voidaan saada aikaan myös jännitelähteellä, kuten paristolla tai pistorasialla.
Kun yhdistetään pisteet, joiden välillä on jännite, syntyy suljettu virtapiiri. Varaukset lähtevät liikkeelle, ja syntyy sähkövirtaa.
Jännitelähde
Jännitelähde on komponentti tai laite, joka tuottaa jännitteen napojensa välille. Yhdistämällä jännitelähteen navat syntyy suljettu virtapiiri ja sähkövirtaa.
Paristot ja akut ovat tasajännitelähteitä, eli niistä saadaan tasavirtaa. Paristossa sähkövirta syntyy kemiallisista reaktioista vapautuvasta energiasta. Akku on paristo, jonka voi ladata käytön jälkeen uudelleen. Pistorasiasta saadaan vaihtovirtaa.
Jännitelähteen lähdejännitteellä [[$E$]] tarkoitetaan jännitettä, joka sen napojen välillä on silloin, kun jännitteestä ei oteta lainkaan sähkövirtaa. Kun jännitelähteen läpi kulkee sähkövirta, sen napojen välinen jännite pienenee. Tämä johtuu jännitelähteen sisäisestä resistanssista, [[$R_S$]]. Resistanssin takia napajännitteeksi [[$U$]] tulee [[$U=E-R_SI$]].
Paristot ja akut ovat tasajännitelähteitä, eli niistä saadaan tasavirtaa. Paristossa sähkövirta syntyy kemiallisista reaktioista vapautuvasta energiasta. Akku on paristo, jonka voi ladata käytön jälkeen uudelleen. Pistorasiasta saadaan vaihtovirtaa.
Jännitelähteen lähdejännitteellä [[$E$]] tarkoitetaan jännitettä, joka sen napojen välillä on silloin, kun jännitteestä ei oteta lainkaan sähkövirtaa. Kun jännitelähteen läpi kulkee sähkövirta, sen napojen välinen jännite pienenee. Tämä johtuu jännitelähteen sisäisestä resistanssista, [[$R_S$]]. Resistanssin takia napajännitteeksi [[$U$]] tulee [[$U=E-R_SI$]].
Jännitemittari
Jännitemittarilla mitataan kahden pisteen välinen jännite. Jännitemittarin mittapäät kytketään näihin pisteisiin. Tutkittaessa jonkin komponentin napojen välistä jännitettä jännitemittari kytketään siis komponentin kanssa rinnan. Ideaalin jännitemittarin läpi ei kulje lainkaan virtaa. Jännitemittarina käytetään usein yleismittaria, josta valitaan jännitteenmittausasento.
Kirchhoffin I laki
Kirchhoffin I lain mukaan virtaa ei voi hävitä mihinkään. Mihin tahansa virtapiirin kohtaan saapuu yhtä paljon virtaa kuin siitä lähtee. Erityisesti tätä voi soveltaa virtapiirin haarautumiskohdissa: saapuvien virtojen summa on sama kuin lähtevien virtojen summa.
Kirchhoffin II laki
Kirchhoffin II lain mukaan kuljettaessa virtapiirissä mitä tahansa reittiä pitkin suljettua lenkkiä siten, että palataan lähtöpisteeseen, palataan myös samaan potentiaaliin kuin alussa. Potentiaalimuutosten summa suljetulla lenkillä on siis nolla.
Kuljettaessa reitillä jännitelähteen ohi potentiaali muuttuu jännitelähteen lähdejännitteen verran. Muutoksen suunta riippuu siitä, miten päin jännitelähteen ohi kuljettiin: kuljettaessa negatiiviselta navalta positiiviselle potentiaali kasvaa ja päinvastaiseen suuntaan pienenee.
Kuljettaessa vastuksen ohi potentiaali pienenee Ohmin lain mukaisen jännitteen verran: [[$U=RI$]], missä R on vastuksen resistanssi ja I sen läpi kulkeva virta. Tällöin oletetaan, että kuljetaan virran suuntaisesti. Jos reittiä kuljetaan vastakkaiseen suuntaan kuin virta, potentiaali kasvaa.
Kuljettaessa reitillä jännitelähteen ohi potentiaali muuttuu jännitelähteen lähdejännitteen verran. Muutoksen suunta riippuu siitä, miten päin jännitelähteen ohi kuljettiin: kuljettaessa negatiiviselta navalta positiiviselle potentiaali kasvaa ja päinvastaiseen suuntaan pienenee.
Kuljettaessa vastuksen ohi potentiaali pienenee Ohmin lain mukaisen jännitteen verran: [[$U=RI$]], missä R on vastuksen resistanssi ja I sen läpi kulkeva virta. Tällöin oletetaan, että kuljetaan virran suuntaisesti. Jos reittiä kuljetaan vastakkaiseen suuntaan kuin virta, potentiaali kasvaa.
Kondensaattori
Kondensaattori on komponentti, johon voidaan varastoida sähkövarausta. Kondensaattori koostuu kahdesta elektrodista, joista yhdestä kerätään elektroneja pois siirrettäväksi toiselle elektrodille. Kun sähkövaraukset ovat näin jakautuneet epätasaisesti, kondensaattorin elektrodien välille muodostuu jännite. Kondensaattorin kapasitanssi [[$C$]] kuvaa, kuinka paljon sähkövarausta Q elektrodeille voi siirtää suhteessa niiden välille muodostuvaan jännitteeseen [[$U$]]: [[$C=\dfrac{Q}{U}$]]. Kapasitanssin yksikkö on Faradi, 1 F.
Sähkövarausta saadaan siirrettyä kondensaattorin elektrodilta toiselle kytkemällä kondensaattori jännitelähteeseen. Tätä kutsutaan kondensaattorin lataamiseksi. Latautuminen tapahtuu hyvin nopeasti, ja sitä hidastetaan usein kytkemällä kondensaattorin kanssa sarjaan vastus. Ladattu kondensaattori voidaan purkaa irrottamalla se jännitelähteestä ja kytkemällä sen navat toisiinsa.
Sähkövarausta saadaan siirrettyä kondensaattorin elektrodilta toiselle kytkemällä kondensaattori jännitelähteeseen. Tätä kutsutaan kondensaattorin lataamiseksi. Latautuminen tapahtuu hyvin nopeasti, ja sitä hidastetaan usein kytkemällä kondensaattorin kanssa sarjaan vastus. Ladattu kondensaattori voidaan purkaa irrottamalla se jännitelähteestä ja kytkemällä sen navat toisiinsa.
LED
LED (light-emitting diode) on diodi, jossa syntyy valoa. Elektronien siirtyessä PN-liitoksen yli ne täyttävät toisella puolella olevia aukkoja. Tällöin ne siirtyvät alhaisempaan energiatilaan, ja energiaa vapautuu. Jos puolijohteina on käytetty sopivia materiaaleja, vapautuva energia on valoa. Eri materiaaleja käyttämällä saadaan aikaan eri värisiä ledejä.
Liike-energia
Liike-energia on yksi energian ilmenemismuoto. Nopeudella v liikkuvalla m-massaisella kappaleella oleva liike-energia määräytyy lausekkeella [[$E_{KIN}=\dfrac{1}{2}mv^2$]].
Maadoitus
Maadoituksessa jokin kappale, esine tai virtapiirin kohta yhdistetään johtimella maahan. Tällöin maadoitettu kohta on nollapotentiaalissa kuten maakin eikä sen ja maan välillä ole potentiaalieroa. Sähköturvallisuuden kannalta maadoittaminen on hyödyllistä. Sillä estetään potentiaalieron syntyminen maan ja jonkin laitteen kuoren välille. Jos tällainen potentiaaliero syntyisi ja maahan kosketuksissa oleva ihminen koskisi myös laitteeseen, sähkövirta alkaisi kulkea ihmisen läpi ja hän saisi sähköiskun.
Polarisaatio
Polarisaatiolla tarkoitetaan sähkövarausten epätasaista sijoittumista kokonaisuutena neutraalissa kappaleessa. Polarisoituneen kappaleen kokonaisvaraus on nolla, mutta sen toinen pääty on positiivisesti ja toinen negatiivisesti varautunut. Kappale polarisoituu, kun se on sähkökentässä eli esimerkiksi varautuneen kappaleen lähellä.
Metallit ja johteet polarisoituvat yleensä voimakkaasti, koska niissä on paljon vapaasti liikkuvia elektroneja. Eristeet polarisoituvat heikosti, koska niissä varaukset eivät pääse liikkumaan. Niissä polarisaatio tapahtuu molekyylien sisällä, ja yhteisvaikutus on johteita heikompi.
Metallit ja johteet polarisoituvat yleensä voimakkaasti, koska niissä on paljon vapaasti liikkuvia elektroneja. Eristeet polarisoituvat heikosti, koska niissä varaukset eivät pääse liikkumaan. Niissä polarisaatio tapahtuu molekyylien sisällä, ja yhteisvaikutus on johteita heikompi.
Potentiaali
Potentiaali on sähkökentässä olevan pisteen ominaisuus. Potentiaalin yksikkö on voltti, V, ja tunnus on myös V. Potentiaali on suurimmillaan positiivisten varausten lähellä ja pienimmillään negatiivisten varausten lähellä. Sähkökenttä voidaan kuvata piirtämällä sen tasapotentiaalikäyrät. Niitä pitkin kuljettaessa potentiaali ei muutu.
Tasapotentiaalikäyriä voidaan verrata maaston korkeuskäyriin. Samalla tavoin kuin kappaleet pyrkivät vierimään kuoppiin eli alhaisemmille korkeuskäyrille, positiivisesti varatut hiukkaset pyrkivät liikkumaan alhaisempaan potentiaaliin. Negatiivisesti varatut hiukkaset pyrkivät liikkumaan päinvastaiseen suuntaan.
Myös virtapiirissä jokainen piste on jossain potentiaalissa. Jännitelähteen positiivinen napa on korkeammassa potentiaalissa kuin negatiivinen, ja tämä potentiaaliero on sama kuin jännitelähteen napajännite. Virtapiirin toiminnan kannalta ainoastaan potentiaalieroilla on merkitystä. Potentiaalin nollatason voi valita vapaasti laskuja varten, tai se on voitu määrittää maadoittamalla. Maadoitettu piste on samassa potentiaalissa kuin maa eli nollapotentiaalissa.
Tasapotentiaalikäyriä voidaan verrata maaston korkeuskäyriin. Samalla tavoin kuin kappaleet pyrkivät vierimään kuoppiin eli alhaisemmille korkeuskäyrille, positiivisesti varatut hiukkaset pyrkivät liikkumaan alhaisempaan potentiaaliin. Negatiivisesti varatut hiukkaset pyrkivät liikkumaan päinvastaiseen suuntaan.
Myös virtapiirissä jokainen piste on jossain potentiaalissa. Jännitelähteen positiivinen napa on korkeammassa potentiaalissa kuin negatiivinen, ja tämä potentiaaliero on sama kuin jännitelähteen napajännite. Virtapiirin toiminnan kannalta ainoastaan potentiaalieroilla on merkitystä. Potentiaalin nollatason voi valita vapaasti laskuja varten, tai se on voitu määrittää maadoittamalla. Maadoitettu piste on samassa potentiaalissa kuin maa eli nollapotentiaalissa.
Puolijohde
P-tyypin puolijohteessa suurimmalla osalla aineen atomeista on kahdeksan ulkoelektronia, mutta muutamilla on vain seitsemän. Aineeseen jää siten aukkoja, jotka voivat liikkua ja toimivat positiivisina varauksenkuljettajina. N-tyypin puolijohteessa kaikilla atomeilla on kahdeksan ulkoelektronia, mutta lisäksi on vapaita elektroneja, jotka voivat liikkua aineessa. Liitoskohdassa elektronit voivat kulkea vain N-puolijohteesta P-puolijohteeseen.
Resistanssi
Resistanssi tarkoittaa komponentin kykyä vastustaa sähkövirtaa. Ohmin lakia noudattavilla komponenteilla sähkövirta kasvaa lineaarisesti komponentin napojen välisen jännitteen kasvaessa. Jännitteen ja virran suhdetta kutsutaan resistanssiksi: [[$\dfrac{U}{I}=R$]]. Sen yksikkö on ohmi, [[$\Omega$]].
Kaikki komponentit eivät noudata Ohmin lakia. Jos komponentti kuumenee merkittävästi, sen resistanssi muuttuu, eikä sähkövirran ja jännitteen riippuvuus ole lineaarinen.
Kaikki komponentit eivät noudata Ohmin lakia. Jos komponentti kuumenee merkittävästi, sen resistanssi muuttuu, eikä sähkövirran ja jännitteen riippuvuus ole lineaarinen.
Resistiivisyys
Resistiivisyys kuvaa tietyn materiaalin kykyä vastustaa sähkövirran kulkua sen läpi. Johteiden resistiivisyys on pieni ja eristeiden suuri. Resistiivisyyden yksikkö on ohmimetri, [[$\Omega \text{m}$]], ja sen tunnus on kreikkalainen pieni roo, [[$\rho$]].
Johdelangan resistanssi riippuu sen pituudesta, [[$l$]], poikkipinta-alasta, [[$A$]] ja langan materiaalin resistiivisyydestä. Se voidaan laskea lausekkeella [[$R=\rho \dfrac{l}{A}$]].
Johdelangan resistanssi riippuu sen pituudesta, [[$l$]], poikkipinta-alasta, [[$A$]] ja langan materiaalin resistiivisyydestä. Se voidaan laskea lausekkeella [[$R=\rho \dfrac{l}{A}$]].
Rinnankytkentä
Jokainen rinnankytketty komponentti tarjoaa oman reittinsä sähkövirralle. Virtapiiri siis haarautuu ennen rinnankytkettyjä komponentteja, ja haarat yhdistyvät jälleen niiden jälkeen. Kokonaisvirta jakautuu kulkemaan eri komponenttien läpi Kirchhoffin I lain mukaisesti. Koska jokaisen komponentin navoista toinen on kytketty haarautumispisteeseen ja toinen yhdistymispisteeseen, rinnankytkennässä jokaisen komponentin napojen välinen jännite on yhtä suuri.
Rinnankytkettyjen vastusten kokonaisresistanssi lasketaan lausekkeella [[$R_{YHT}=\left(\dfrac{1}{R_1}+\dfrac{1}{R_2}+\dfrac{1}{R_3}+\dots \right)^{-1}$]].
Rinnankytkettyjen vastusten kokonaisresistanssi lasketaan lausekkeella [[$R_{YHT}=\left(\dfrac{1}{R_1}+\dfrac{1}{R_2}+\dfrac{1}{R_3}+\dots \right)^{-1}$]].
Sarjaankytkentä
Sarjaankytketyt komponentit ovat kytkettynä peräkkäin siten, että ensimmäisen läpi kulkevan virran on kuljettava myös toisen komponentin läpi.
Sarjaankytkettyjen vastusten kokonaisresistanssi on yksittäisten vastusten resistanssien summa: [[$R_{YHT}=R_1+R_2+R_3+\dots$]].
Sarjaankytkettyjen vastusten kokonaisresistanssi on yksittäisten vastusten resistanssien summa: [[$R_{YHT}=R_1+R_2+R_3+\dots$]].
Suljettu virtapiiri
Kun jännitelähteen navat yhdistetään toisiinsa, syntyy suljettu virtapiiri. Piiriin syntyvä virta on sitä suurempi, mitä suurempi on jännitelähteen napajännite [[$U$]], ja sitä pienempi, mitä suurempi on jännitelähteeseen kytketyn kokonaisuuden resistanssi, [[$R$]]. Virta voidaan laskea Ohmin laista: [[$I=\dfrac{U}{R}$]].
Sähköinen potentiaalienergia
Sähköinen potentiaalienergia, [[$E_{SP}$]], on sähkökentässä olevan sähkövarauksellisen hiukkasen ominaisuus. Positiiviset varaukset pyrkivät siirtymään negatiivisten varausten luo, joten niillä on potentiaalienergiaa, joka voi muuttua liike-energiaksi. Mitä korkeammassa potentiaalissa [[$V$]] eli lähempänä suuria positiivisia varauksia ne ovat, sitä suurempi niiden sähköinen potentiaalienergia on. Myös hiukkasen varauksen [[$Q$]] suuruus vaikuttaa sen sähköiseen potentiaalienergiaan: [[$E_{SP}=QV$]].
Sähköistä potentiaalienergiaa voidaan kasvattaa työntämällä hiukkasta päinvastaiseen suuntaan kuin mihin sähkökentän siihen kohdistama voima [[$F=QE$]] osoittaa. Esimerkiksi negatiivisesti varatun hiukkasen sähköinen potentiaalienergia kasvaa, kun sitä työnnetään kohti toista negatiivista varausta. Tehty työ on sama kuin sähköisen potentiaalienergian muutos ja sama kuin siirretyn hiukkasen varaus kerrottuna alku- ja loppupisteen välisellä jännitteellä: [[$W=\Delta E_{SP}=QU$]]. Sama energiamäärä vapautuu hiukkasen liike-energiaksi, jos hiukkanen saa vapaasti liikkua sähkökentän työntämänä saman matkan päinvastaiseen suuntaan.
Sähköistä potentiaalienergiaa voidaan kasvattaa työntämällä hiukkasta päinvastaiseen suuntaan kuin mihin sähkökentän siihen kohdistama voima [[$F=QE$]] osoittaa. Esimerkiksi negatiivisesti varatun hiukkasen sähköinen potentiaalienergia kasvaa, kun sitä työnnetään kohti toista negatiivista varausta. Tehty työ on sama kuin sähköisen potentiaalienergian muutos ja sama kuin siirretyn hiukkasen varaus kerrottuna alku- ja loppupisteen välisellä jännitteellä: [[$W=\Delta E_{SP}=QU$]]. Sama energiamäärä vapautuu hiukkasen liike-energiaksi, jos hiukkanen saa vapaasti liikkua sähkökentän työntämänä saman matkan päinvastaiseen suuntaan.
Sähkökenttä
Sähkökenttä on malli, jolla voidaan kuvata sähköistä vuorovaikutusta. Sähkövaraukset vetävät tai hylkivät toisiaan, vaikka eivät koskekaan toisiinsa. Voidaan ajatella, että sähkövaraus luo ympärilleen sähkökentän, ja että lähelle tuotu toinen sähkövaraus havaitsee sen. Tällöin sähkökenttään [[$E$]] tuotuun sähkövaraukseen [[$Q$]] kohdistuu voima [[$F=QE$]]. Sähkökentän yksikkö on newtonia per coulombi, N/C. Tämä on sama asia kuin volttia per metri, V/m.
Sähkökenttä osoittaa, minne paikallaan oleva positiivinen varaus pyrkii lähtemään liikkeelle. Sähkökentän suunta on siis positiivisista varauksista poispäin ja kohti negatiivisia varauksia. Näin ollen positiiviseen sähkövaraukseen kohdistuu sähkökentässä kentänsuuntainen voima. Negatiiviseen kohdistuva voima on päinvastaiseen suuntaan.
Sähkökenttä voidaan kuvata piirtämällä sen kenttäviivat. Niiden suunta kertoo sähkökentän suunnan kussakin pisteessä, ja tiheys kertoo sähkökentän voimakkuuden. Kentässä oleviin positiivisiin hiukkasiin kohdistuu kenttäviivan suuntainen voima, joka on sitä suurempi, mitä tiheämmässä kenttäviivat alueella ovat.
Sähkökenttä osoittaa, minne paikallaan oleva positiivinen varaus pyrkii lähtemään liikkeelle. Sähkökentän suunta on siis positiivisista varauksista poispäin ja kohti negatiivisia varauksia. Näin ollen positiiviseen sähkövaraukseen kohdistuu sähkökentässä kentänsuuntainen voima. Negatiiviseen kohdistuva voima on päinvastaiseen suuntaan.
Sähkökenttä voidaan kuvata piirtämällä sen kenttäviivat. Niiden suunta kertoo sähkökentän suunnan kussakin pisteessä, ja tiheys kertoo sähkökentän voimakkuuden. Kentässä oleviin positiivisiin hiukkasiin kohdistuu kenttäviivan suuntainen voima, joka on sitä suurempi, mitä tiheämmässä kenttäviivat alueella ovat.
Sähkömoottori
Sähkömoottorissa sähkövirta saa aikaan pyörimisliikettä. Sähkömoottoreita on useissa laitteissa, kuten tuulettimissa ja sähköautoissa.
Sähkövirta luo ympärilleen aina magneettikentän. Sähkömoottorissa tätä hyödynnetään siten, että syntynyt magneettikenttä kääntää johdon lähistöllä olevaa magneettia. Ilmiöön palataan tarkemmin opintojaksolla 7.
Sähkövirta luo ympärilleen aina magneettikentän. Sähkömoottorissa tätä hyödynnetään siten, että syntynyt magneettikenttä kääntää johdon lähistöllä olevaa magneettia. Ilmiöön palataan tarkemmin opintojaksolla 7.
Sähkönjohde
Sähkönjohde on materiaali, jossa jotkin sähkövaraukselliset hiukkaset pääsevät helposti liikkumaan. Usein nämä hiukkaset ovat elektroneja. Ne voivat liikkua metalleissa pyrkien tasoittamaan osien varauseroja. Sähkönjohteita voivat olla myös liuokset, kuten suolaliuos. Niissä varauksenkuljettajia ovat erilaiset ionit. Kun varauksenkuljettajat liikkuvat aineessa, siinä kulkee sähkövirta.
Sähköteho
Jos komponentin napojen välillä on jännite [[$U$]] ja sen läpi kulkee virta [[$I$]], komponentti tuottaa energiaa virtapiiriin tai kuluttaa sitä teholla [[$P=UI$]]. Yhdistettynä Ohmin lakiin [[$U=RI$]] tästä saadaan Joulen laki: [[$P=RI^2$]].
Sähkövaraus
Sähkövaraus on hiukkasen tai kappaleen ominaisuus. Kun kappaleella on sähkövaraus, se on sähköisessä vuorovaikutuksessa toisten sähkövarausten kanssa. Sähkövarausta on positiivista ja negatiivista. Samanmerkkiset varaukset hylkivät toisiaan ja erimerkkiset vetävät toisiaan puoleensa. Sähkövarauksen yksikkö on coulomb, C.
Alkeishiukkasista elektronit ovat sähkövaraukseltaan negatiivisia ja protonit positiivisia. Neutraalissa aineessa on yhtä paljon protoneja ja elektroneja. Elektronit siirtyvät protoneja helpommin. Negatiivisesti varautuneisiin kappaleisiin on kertynyt ylimääräisiä elektroneja ja positiivisesti varautuneista niitä puuttuu.
Protonin varaus on pienin luonnossa irrallisena esiintyvä varaus, alkeisvaraus. Sen suuruus on noin [[$1,602176462\cdot 10^{-19}$]]. Elektronin varaus on yhtä suuri, mutta negatiivinen.
Alkeishiukkasista elektronit ovat sähkövaraukseltaan negatiivisia ja protonit positiivisia. Neutraalissa aineessa on yhtä paljon protoneja ja elektroneja. Elektronit siirtyvät protoneja helpommin. Negatiivisesti varautuneisiin kappaleisiin on kertynyt ylimääräisiä elektroneja ja positiivisesti varautuneista niitä puuttuu.
Protonin varaus on pienin luonnossa irrallisena esiintyvä varaus, alkeisvaraus. Sen suuruus on noin [[$1,602176462\cdot 10^{-19}$]]. Elektronin varaus on yhtä suuri, mutta negatiivinen.
Sähköverkko
Sähköverkolla tarkoitetaan sähkökaapeleista koostuvaa järjestelmää, jota pitkin sähkö johdetaan voimalaitoksista käyttäjille kotitalouksiin ja tehtaisiin. Suurimmissa sähkön siirtolinjoissa käytetään 400 kV:n korkeajännitettä. Pienempiä linjoja varten jännitettä lasketaan muuntajilla. Lopulta kotitalouksissa jännite on enää 230 V.
Sähkövirta
Sähkövirta on varausten liikettä. Sähkövirran yksikkö on ampeeri, A. Se on sama asia kuin coulombia sekunnissa, C/s. Kun varaus [[$\Delta Q$]] liikkuu tarkkailupisteen ohi ajassa [[$\Delta t$]], pisteessä kulkee keskimäärin virta [[$I=\dfrac{\Delta Q}{\Delta t}$]].
Liikkuva varaus voi olla joko positiivinen tai negatiivinen. Sähkövirran suunnaksi on sovittu liikkuvan positiivisen varauksen suunta. Useimmiten liikkuvat varaukset ovat kuitenkin negatiivisesti varautuneita elektroneja. Sähkövirran suunta on siis päinvastainen elektronien liikkeen suuntaan nähden.
Liikkuva varaus voi olla joko positiivinen tai negatiivinen. Sähkövirran suunnaksi on sovittu liikkuvan positiivisen varauksen suunta. Useimmiten liikkuvat varaukset ovat kuitenkin negatiivisesti varautuneita elektroneja. Sähkövirran suunta on siis päinvastainen elektronien liikkeen suuntaan nähden.
Tasasähkö ja vaihtosähkö
Tasasähköllä tai tasavirralla (DC, direct current) tarkoitetaan sähkövirtaa, jonka suuruus ja suunta pysyvät koko ajan samana. Paristot, akut ja aurinkokennot tuottavat tasasähköä.
Vaihtosähköllä tai vaihtovirralla (AC, alternate current) tarkoitetaan sähkövirtaa, jonka suunta muuttuu säännöllisin väliajoin. Vaihtovirran taajuus ilmaisee, montako kertaa sekunnissa suunta muuttuu. Pistorasioista saatava sähkö on vaihtosähköä, jonka taajuus on 50 Hz.
Vaihtosähköllä tai vaihtovirralla (AC, alternate current) tarkoitetaan sähkövirtaa, jonka suunta muuttuu säännöllisin väliajoin. Vaihtovirran taajuus ilmaisee, montako kertaa sekunnissa suunta muuttuu. Pistorasioista saatava sähkö on vaihtosähköä, jonka taajuus on 50 Hz.
Työ
Voiman tekemä työ lasketaan lausekkeella [[$W=Fs$]], missä [[$F$]] on voima ja [[$s$]] voiman suunnassa kuljettu matka. Työn yksikkö on joule eli sama kuin energian, koska työ on siirtyvää energiaa: se siirtää energiaa tarkasteltavalle systeemille tai siitä pois.
Varausero
Vastus
Vastus on virtapiirin komponentti, jonka tarkoitus on vastustaa virran kulkua ja pienentää virta halutun suuruiseksi. Vastuksen kykyä vastustaa virtaa kuvaa sen resistanssi, [[$R$]]. Vastustaessaan virran kulkua vastus lämpenee Joulen lain mukaisesti teholla [[$P=RI^2$]], missä [[$I$]] on vastuksen läpi kulkeva virta.
Jos vastuksen päätarkoitus on lämmetä, kyseessä on lämpövastus, joita on esimerkiksi sähkökiukaissa.
Jotkin vastukset lämpenevät niin paljon, että ne alkavat loistaa. Esimerkiksi hehkulamppu on tällainen.
Kuumentuessaan vastus voi myös palaa niin, ettei virta pääse enää kulkemaan sen läpi. Sulakkeessa tämä on tarkoituksellista: sulake palaa virran kasvaessa liian suureksi, jolloin virta katkeaa, eikä mikään muu virtapiirin osa vahingoitu.
Jos vastuksen päätarkoitus on lämmetä, kyseessä on lämpövastus, joita on esimerkiksi sähkökiukaissa.
Jotkin vastukset lämpenevät niin paljon, että ne alkavat loistaa. Esimerkiksi hehkulamppu on tällainen.
Kuumentuessaan vastus voi myös palaa niin, ettei virta pääse enää kulkemaan sen läpi. Sulakkeessa tämä on tarkoituksellista: sulake palaa virran kasvaessa liian suureksi, jolloin virta katkeaa, eikä mikään muu virtapiirin osa vahingoitu.
Virtamittari
Virtamittarilla eli ampeerimittarilla mitataan sähkövirran suuruutta. Virtamittari kytketään osaksi virtapiiriä niin, että tutkittava virta joutuu kulkemaan virtamittarin läpi. Tutkittaessa jonkin komponentin läpi kulkevaa virtaa virtamittari kytketään siis komponentin kanssa sarjaan. Ideaalin virtamittarin resistanssi on nolla, jolloin se ei muuta virtapiirissä kulkevaa virtaa.
Virtamittarina käytetään usein yleismittaria, joka on asetettu virranmittausasentoon. On olemassa myös erillisiä virtamittareita, jotka pihtien tavoin asetetaan johdon ympärille siihen kohtaan, jossa kulkeva virta halutaan selvittää. Näiden toiminta perustuu sähkömagnetismiin.
Virtamittarina käytetään usein yleismittaria, joka on asetettu virranmittausasentoon. On olemassa myös erillisiä virtamittareita, jotka pihtien tavoin asetetaan johdon ympärille siihen kohtaan, jossa kulkeva virta halutaan selvittää. Näiden toiminta perustuu sähkömagnetismiin.