fysiikan verkkokurssi
Fysiikan verkkokurssi, teoriaa kappaleista 2-8
Sähköoppi on fysiikan haara, joka tutkii sähköilmiöitä tai laajemmassa mielessä sähkömagneettiseen vuorovaikutukseen liittyviä ilmiöitä. Sen osa-alueita ovat sähköstatiikka, sähködynamiikka ja sähkömagnetismi.
Siihen liittyviä sovellusalueita ovat sähkövoimatekniikka ja elektroniikka.
Sähköopin tärkeimipiä peruskäsitteitä ja suureita ovat sähkövaraus, sähkövirta, sähkökenttä ja jännite. Myös magnetismin tutkimus liittyy läheisesti sähköoppiin. Sähköopissa käsitellään myös virtapiirejä ja niiden komponenttejä kuten generaattoreja ja virtalähteitä, vastuksia, käämejä ja kondensaattoreita.
1. Magneettinen vuorovaikutus
2. Sähköinen vuorovaikutus
3. Jännite ja sähkövirta
4. Virtapiiri
5. Resistanssi ja ohmin laki
6. Sähkömagneettinen induktio
7. Sähkön tuotanto ja käyttö
8. Sähköteho ja energia
Kpl 1 Magneettinen vuorovaikutus
Kompassi näyttää pohjoiseen.
Ennen kompassin käyttö suunnannäyttäjänä teki mahdolliseksi pitkät tutkimusmatkat, joiden myötä ihmiset saivat tietoa muista kansoista ja tutustuivat muualla tehtyihin keksintöihin. Nykyisin tiedetään, että kompassineula, joka on pieni magneetti, asettuu maapallon megneettikentän mukaisesti pohjois-eteläsuuntaan.
Magneettiset aineet voidaan jakaa kahteen ryhmään sen mukaan, miten hyvin ne säilyttävät magneettisuutensa. Kestomagneeteissa magneettisuus säilyy kauan aikaa sen jälkeen, kun ne ovat tulleet magneettisiksi. Väliaikaiset magneetit tulevat magneettisiksi toisen magneetin avulla, mutta magneettisuus häviää heti, kun magneetti viedään kauemmaksi.
kpl 2 sähköinen vuorovaikutus
Sähkövaraus johtuu elektronien vajauksesta tai ylimäärästä. Kaikki aine rakentuu atomeista. Kun atomi on normaalitilassa,sen ydintä ympäröi sama määrä negatiivisia elektroneja kuin ytimessä on positiivisia protoneja, ne kumoavat toisensa, atomi on ulospäin varaukseton. Eristeiksi sanotaan aineita, joissa elektronit pääsevät liikkumaan huonosti. Esim. ilma,puu,kumi,muovi,posliini ja lasi ovat eristeitä.
Kun samanmerkkiset varautuneet kappaleet viedään toisetnsa lähelle, ne hylkivät toisiaan. Erimerkkiset varaukset purkautuvat nopeasti, jos niiden välissä on ainetta, jossa elektronit pääsevät kulkemaan helposti, tällaisia aineita sanotaan johteiksi. Kaikki metallit ovat hyviä johteita.
kpl 3 Jännite ja sähkövirta
Akkuja ja paristoja sanotaan virtalähteiksi, niihin on varastoitunut kemiallista energiaa. Ne on myös ovat eräänlaisia energiavarastoja. Akun ja pariston energialähteenä on kemiallinen pari, siinä on kaksi napaa, joiden välillä on sähköä johtavaa nestettä, elektrolyyttiä, varaukset voivat siis liikkua elektrolyytissä. Virtalähteen napojen välillä on varausero, jota sanotaan jännitteeksi. Jännitteen kirjaintunnus on U ja yksikkö voltti (1 V). Kun navat yhdistetään johtimella lamppuun, varausero alkaa tasoittua. Johtimessa kulkee tällöin sähkövirta. Sähkövirran kirjaintunnus on I ja mittayksikkö ampeeri (1 A). Sähkövirta on siis elektronien liikettä. Pariston napojen välinen jännite mitataan jännite- eli volttimittarilla, paristo ja mittari kytketään siis rinnakkain. Samalla tavalla voidaan mitata myös sähkölaitteen napojen välinen jännite, tällöin puhutaan laitteen saamasta jännitteestä eli jännitehäviöstä. Rinnankytkennässä jännite ei suurene eikä sähkövirtakaan lisäänny.
kpl 4 Virtapiiri
Yksinkertainen virtapiiri saadaan, kun pariston navat yhdistetään johtimella toisiinsa. Tällaista kytkentää sanotaan oikosuluksi. Jotta johdin ei lämpenisi liikaa, virtapiirissä pitää olla jokin energiaa kuluttava sähkölaite. Virtapiiri on keino siirtää virtallähteen, esim. akun tai pariston, energiaa sähkölaitteen tuottamaksi energiaksi. Sähkölaitteiden ja erilaisten komponenttien kytkentää yksinkertaistetaan piirtämällä virtapiirin kytkentäkaavio. Metallit ovat hyviäå johteita, mikä johtuu matalliatomien välisestä metallisidoksesta. Metalliatomeilla on yhteisiä elektroneja, jotka pääsevät helposti liikkumaan atomien välissä. Aine, jossa elketronit kulkevat huonosti tai ei ollenkaan , on eriste. Suojaeristetyn laitteen kuori on valmistettu sähköä eristävästä aineesta, esim muovista. Liian suuri sähkövirta saa sähköjohdot kuumenemaan, mikä voi aiheuttaa tulipalon, näin käy esim. silloin, kun virtapiirissä on liian monta sähkölaitetta yhtä aikaa päällä tai syntyy oikosulku. Tästä syystä virtapiiriin on rakennettu heikko kohta- sulake.
kpl 5 Resistanssi ja Ohmin laki
Kaikki aineet vastustavat sähkövirran kulkua, toiset enemmän ja toiset vährmmän. Eristeet vastustavat sähkövirran kulkua paljon, siksi että niissä ei ole vapaita elektroneja, jotka voisivat toimia virran kuljettajina. Johteet siis vastustavat sähkövirran kulkua kaikkein vähiten. Puolijohteet ovat aineita, jotka eivät ole johteita, mutta eivät eristeitäkään. Puolijohteissa vapaiden elektronien määrää voidaan säädellä helposti ja siten muuttaa niiden sähkönjohtavuutta. Puhelimet ja tietokoneet perustuvat puolijohteista valmistettujen osien eli komponenttien käyttöön. Suprajohtavuus tarkoittaa sitä, että virta kulkee aineessa ilman mitään vastusta. Virranvastustuskyky eli resistanssi. Resistanssin kirjaintunnus on R. Sähkölaitteen ovat virtapiirin vastuksia. Kodin sähkölaitteet on tavallisesti kytketty rinnan, jolloin ne muista laitteista riippumatta voidaan kytkeä päälle ja pois päältä. Niitä voi käyttää eri aikaan, koska jokainen laite muodostaa oman, erillisen virtapiirinsä. Vastukset voidaan kytkeä myös sarjaan, esim. sähkökynttilät on kytketty sarjaan, kynttilät palavat samaan aikaan, jos yksi kynttilä kierretään irti, virtapiiri katkeaa ja kaikki kynttilät sammuvat.
kpl 6 Sähkömagneettinen induktio
Sähkövirta luo ympärilleen magneettikentän. Vaoaasti pyörimään pääsevä kompassineula kääntyy normaalisti Maan magneettikëntän suuntaiseksi eli etelä-pohjoissuuntaan. Kompassissa ilmenee kuitenkin häiriöitä sähkölinjojen läheisyydessä. Tämä johtuu siitä, että sähköjohdoissa kulkeva sähkövirta synnyttää johtimen ympärille magneettikentän. Kun rautatangon ympärille kierretään sähköjohtoa käämiksi ja sen päät kytketään tasavirtalähteeseen, saadaan sähkömagneetti. Sähkömagneettisia induktioita voidaan tutkia kierämällä ohut sähköjohto käämiksi ja kytkemällä johdon päät virtamittariin. Polkupyörän dynamo on yksinkertainen generaattori. Siinä pyörän liike ohjataan pyörittämään johdinkäämien sisällä olevaa magneettia, jolloin käämin ja lampun muodostamaan virtapiiriin syntyy sähkövirta. Voimalaitoisten suuria generaattoreita pyörittämään
tarvitaan energialähde, esim. virtaavavesi, tuuli tai polttoaineiden palamisessa syntyvä kuuma höyry. Niistä saatavan liike-energian avulla iso käämi saadaan pyörimään magneettikentässä.
kpl 7 Sähkön tuotanto ja käyttö
Ensimmäisen sähköverkon rakensi englantilainen tehtailija W.G Armstrong vuonna 1880 maaseutuasunnolleen. Sähkögeneraattoria pyöritti joessa virtaava vesi. Nykyisin lähes kaikki käyttämämme sähkö tuotetaan voimalaitosten suurilla generaattoreilla. Voimalaitoksista energiaa siirretään sähkölinjoja pitkin kuluttajille. Vesivoimalaitoksen energia on veden virtauksen liike-energiaa, tuulivoimaloissa taas ilman virtauksen tuulen liike-energiaa. Virtaava vettä tai tuulta ei aina ole saatavissa, niimpä useimmat voimalaitokset ovatkin niin sanottuja lämpövoimalaitoksia, joissa polttoaineita plttamalla saadaan vesihöyry virtaamaan ja pyörittämään sähköä tuottavia generaattoreita. Voimalaitoksien generaattorin tuottama jännite muunnetaan siirtoa varten suuremmaksi muuntajan avulla. Lähellä kuluttajia tarvitaan jälleen muuntajaa, jolla jännitettä alennetaan. Muuntajan toiminta perustuu sähkömagneettiseen induktioon eli se muodostaa kaksi erillistä käämiä, joiden välissä on käämeille yhteinen rautasydän.
kpl 8 Sähköteho ja energia
Sähköteho riippuu jännitteestä ja sähkövirrasta. Virtapiirissä energiaa antavaa paristo, joka "nostaa" elektroneja pariston plusnavalta miinusnavalle. Sieltä ne virtaavat johdinta pitkin takaisin plusnavalle. Vesivirtaan asetettua vesiratasta vastaa virtapiirissä sähkölaite esim. sähkömoottori. Sähkövirta saa moottorin pyörimään. Virtapiirissä olevan laitteen teho riippuu käytettävästä jännitteestä ja laitteen läpi kulkevan sähkövirran suuruudesta. Virtalähteessä jännite tekee työtä, kun se "pumppaa" johtimeen elektroneja, jotka saavat aikaan sähkövirran virtapiirissä. Virtalähteen laitteelle antama teho riippuu siitä, kuinka korkealle ja millä nopeudella elektroneja siirretään. Sähköteho P riippuu siis jännitteestä ja sähkövirrasta. Laitteen teho n jännitteen ja sähkövirran tulo. Jos virtapiirissä on liian monta sähkölaitetta yhtä aikaa toiminnassa, laitteiden yhteinen teh vaatii niin suuren sähkövirran, että sulake ei kestä sitä. Sulake kestää vain siihen merkityn sähkövirran.