Jännite ja sähkövirta virtapiirissä

Jännitelähteellä tarkoitetaan laitetta, joka luo pysyvän potentiaalieron kahden pisteen välille. Näitä pisteitä kutsutaan jännitelähteen navoiksi ja napojen välistä potentiaalieroa napajännitteeksi. Tyypillisiä jännitelähteitä ovat paristot, akut ja pistorasiat. Kun jännitelähteen navat yhdistetään johdemateriaalilla, kuten kuparista valmistetulla sähköjohdolla, varaukset pääsevät liikkumaan. Syntyy suljettu virtapiiri, jossa sähkövirta kulkee.

Tasajännitelähteen napajännite ei muutu. Tasajännitelähteitä ovat paristot ja akut. Jännitelähteessä on korkeammassa potentiaalissa oleva positiivinen napa ja alhaisemmassa potentiaalissa oleva negatiivinen napa. Plusmerkkiset varaukset pyrkivät liikkumaan alhaisempaan ja miinusmerkkiset korkeampaan potentiaaliin.

Metallisessa sähkönjohteessa liikkuvat varaukset ovat elektroneja, joten ne liikkuvat negatiiviselta navalta kohti positiivista napaa. Sähkövirran suunnaksi on kuitenkin sovittu plusmerkkisen varauksen liikkeen suunta. Sähkövirran suunta on positiiviselta navalta kohti negatiivista napaa eli vastakkainen elektronien liikkeen suunnalle.

Vaihtojännitelähteessä napajännitteen suunta vaihtuu tasaisin aikavälein. Vaihtojännitelähteitä ovat pistorasiat, joiden jännitettä pitävät yllä voimalaitokset sähköverkon kautta. Vaihtojännitteen ja vaihtovirran syntyyn palataan moduulissa FY7.

Jännitelähteeseen kytkettäviä yksittäisiä osasia kutsutaan komponenteiksi. Sähkövirta kulkee komponentin läpi, kun sen napojen välillä on jännite. Sähkövirran suuruus määräytyy sen mukaisesti, miten virtapiirin osat vastustavat sähkövirtaa. Mitä suurempi kyky vastustaa sähkövirtaa on, sitä pienempi sähkövirta kulkee.

Varausten on helppoa kulkea lyhyen ja paksun sähkönjohteen, kuten rautanaulan läpi. Ylemmässä virtapiirissä komponentiksi on valittu hehkulamppu, jolloin varaukset joutuvat kulkemaan metrien pituisessa ohuessa metallilangassa. Virtapiiriin syntyy pienempi sähkövirta kuin rautanaulan tapauksessa. Kuvassa on myös hehkulampun piirrosmerkki.

Sarjaan- ja rinnankytkentä

Jos samaan jännitelähteeseen kytketään useita komponentteja peräkkäin, niitä on kytketty sarjaan. Tällöin kaikkien komponenttien läpi kulkee yhtä suuri sähkövirta. Varaukset eivät pakkaannu mihinkään kohtaan virtapiiriä: yhden komponentin läpi siirtyneiden varausten on kuljettava seuraavankin komponentin läpi. Mitä enemmän komponentteja kytketään sarjaan, sitä enemmän ne yhteensä vastustavat varausten siirtymistä, jolloin sähkövirta pienenee. Sähkövirran suuruuksia voidaan vertailla tarkkailemalla virtapiiriin kytkettyjä lamppuja: lamppu loistaa sitä kirkkaammin, mitä suurempi sähkövirta sen läpi kulkee.

Alla olevassa kuvassa nähdään lamppujen himmenevän, mitä enemmän niitä kytketään sarjaan. Kuvassa on kytkentäkaavio yksittäiselle lampulle sekä kahden ja kolmen lampun sarjaankytkennälle.

Komponentteja voidaan liittää samaan jännitelähteeseen myös siten, että sähkövirta voi kulkea useaa reittiä jännitelähteen navalta toiselle. Komponentit on tällöin kytketty rinnan. Yksinkertaisimmassa rinnankytkennässä jokainen komponentti on yhdistetty johtimia pitkin suoraan jännitelähteeseen. Jokaisen komponentin päiden välinen jännite on tällöin jännitelähteen napajännite. Jokaisen komponentin kautta kulkee likimain yhtä suuri sähkövirta kuin tilanteessa, jossa ne olisi kytketty jännitelähteeseen yksin. Rinnankytkentä kasvattaa jännitelähteestä saatavaa kokonaissähkövirtaa. Koska jännitelähteestä lähtee suurempi sähkövirta, virtapiirin kyky vastustaa sähkövirran syntyä on pienentynyt vaihtoehtoisten reittien lisäämisen myötä.

Sähkövirta ei jakaannu aina tasan jokaisen komponentin haaraan. Vain silloin kun rinnankytketyt komponentit ovat keskenään samanlaisia, komponenttien läpi kulkevat sähkövirrat ovat yhtä suuret. Jos yksi komponenteista vastustaa sähkövirran kulkua enemmän kuin toiset, sen kautta kulkee pienempi osa jännitelähteestä lähtevästä sähkövirrasta.

Lamppujen kirkkaus ei muutu, vaikka niitä kytketään useampia rinnan. Jokaisen lampun napojen välillä on pariston napajännite, joten jokaisen lampun läpi kulkee sama virta kuin jos muita lamppuja ei olisi. Alla ovat kytkentäkaaviot yksittäisen lampun virtapiiristä sekä kahden ja kolmen lampun rinnankytkennästä.

Jännitteen ja sähkövirran mittaaminen

Sähköön liittyviä suureita mitataan usein yleismittarilla. Mitattava suure valitaan yleismittarilla ennen mittausta. Kuvan tilanteessa mittarin kiertokytkin on käännetty asentoon, jossa mitataan kahden pisteen välistä jännitettä virtapiirissä. Mittaasteikko valitaan tilanteeseen sopivaksi. Kuvan tilanteessa suurin mitattava jännite on 200 mV.

Jännite on aina kahden pisteen välillä. Jotta se voidaan mitata, on oltava yhteydessä näihin kahteen pisteeseen A ja B. Jännitemittari kytketään valmiiseen virtapiiriin, mittarin toinen napa pisteeseen A ja toinen pisteeseen B. Jännitemittari kytketään rinnan siihen komponenttiin, jonka napojen välinen jännite halutaan mitata. Kuvassa alla lamppu on kytkettynä paristoon mustilla johdoilla. Valmiiseen virtapiiriin on liitetty yleismittari punaisilla johdoilla rinnan lampun kanssa. Yleismittarilla mitataan siten lampun napojen välistä jännitettä. Vieressä on kytkentäkaavio tilanteesta.

Sähkövirta on yksittäisen virtapiirin kohdan ominaisuus. Mittarin lukema kertoo kohdan läpi kulkevan sähkövirran suuruuden, eli kohdan läpi yhden sekunnin aikana siirtyneen varauksen suuruuden. Jotta varaus kulkee mittarin läpi, virtapiiri on katkaistava sähkövirran mittauskohdasta ja mittari liitettävä tähän. Virtamittari on tällöin kytketty sarjaan sen komponentin kanssa, jonka läpi kulkeva virta halutaan mitata. Kuvassa alla mitataan lampun läpi kulkevaa virtaa. Yleismittarin läpi kulkee sama virta kuin lampun läpi, koska ne on kytketty sarjaan. Vieressä on kytkentäkaavio tilanteesta.

Yleismittarissa toinen johdoista kytketään aina COM-porttiin. Toinen kytketään sen mukaan, mitä halutaan mitata. Yleensä mittareissa on suurille virroille yksi kytkentä (merkitty 10 A), jota tulee käyttää virtamittauksessa, ellei ole varmaa, että virta on pieni. Toinen kytkentä on kaikelle muulle, paitsi suurille virroille. Kytkentäpaikan kohdalla on lukema maksimivirrasta, joka sillä voidaan mitata. Oikean kytkennän lisäksi pitää huolehtia, että mittarin valitsin on käännetty oikeaan asentoon ennen mittausta. Väärä kytkentä tai valitsimen asento voi aiheuttaa mittarin sulakkeen palamisen. Voit tutkia kytkemistä oheisella simulaatiolla.

Pysähdy pohtimaan

Esimerkkejä

Esimerkki 1

Oheisissa kytkentäkaavioissa (alla) kaikki jännitelähteet ja kaikki lamput ovat keskenään samanlaisia. Vastaa perustellen, mitkä lampuista eivät pala ollenkaan, ja vertaile samassa virtapiirissä palavien lamppujen kirkkauksia keskenään.

Näytä ratkaisu

Esimerkki 2

Piirrä alla olevan kuvan tilannetta esittävä kytkentäkaavio, ja lisää siihen jännitemittari mittaamaan lampun A napojen välistä jännitettä sekä virtamittari mittaamaan sen läpi kulkevaa virtaa.