FY06 6-10 Flashcards
sähkövirta
varattujen hiukkasten liike. johtimeen muodostuva sähkökenttä synnyttää sähkövirran.
mihin suuntaan elektronit liikkuvat?
Sähkökentän synnyn seurauksena vapaat elektronit kaikkialla johteessa alkavat liikkua keskimäärin kohti jännitelähteen positiivista napaa. Vaikka suurin osa elektronien liikkeestä on edelleen järjestäytymätöntä lämpöliikettä, liike jännitelähteen positiivista napaa kohti on hieman yleisempää kuin negatiivista napaa kohti. vastakkainen sähkökentän ja sähkövirran suunnalle
sähkövarauksen yksikkö coulombin lisäksi
As
eriste
aine, jossa ei ole vapaita varauksenkuljettajia tai niitä on erittäin vähän. Aineen sähköä eristävä ominaisuus johtuukin liikkuvien varauksenkuljettajien puutteesta, koska eristeaineen elektronit ovat sitoutuneet eristeaineen molekyyleihin. Esimerkiksi posliini ja muovi ovat hyviä eristeitä.
sähkönjohteet
johteessa osa elektroneista pääsee liikkumaan varsin vapaasti paikasta toiseen sekä kappaleesta toiseen johteesta valmistetun johtimen välityksellä. Kaasuissa ja nesteissä sähkövarausta voivat kuljettaa myös ionit.
puolijohteet
niiden sähkönjohtavuus muuttuu esimerkiksi lämpötilan muuttuessa
jännitelähde
Sen napojen välinen jännite aiheuttaa suljettuun virtapiiriin sähkövirran. ylläpitää sähkövirtaa
kulkeeko avoimessa virtapiirissä sähkövirta?
ei
haarautuva virtapiiri
sähkövirta jakautuu haarautumispisteessä kahdeksi sähkövirraksi
haarautumaton virtapiiri
kummankin lampun läpi kulkee yhtä suuri sähkövirta
tasavirta
sähkövirta kulkee virtapiirissä koko ajan samaan suuntaan.
sähkövirran mittaus
virtamittari tai yleismittari. Virtamittari kytketään aina sarjaan tutkittavan komponentin kuten lampun kanssa siten, että mitattava virta kulkee mittarin läpi. Virtamittarit valmistetaan niin, että niiden sisäinen resistanssi (sähkövirran vastustuskyky) on pieni. Tällöin mittarit vaikuttavat itse mahdollisimman vähän lävitseen kulkevan sähkövirran suuruuteen. Jos virtamittari näyttää sähkövirran arvon negatiivisena, mittari on kytketty väärinpäin
Kirchhoffin I laki
Virtapiirin kuhunkin pisteeseen tulevien sähkövirtojen summa on yhtä suuri kuin siitä lähtevien sähkövirtojen summa.
sähkövirran vaikutukset
- lämpövaikutus
- kemiallinen vaikutus (Galvanointi on menetelmä, jossa kappale pinnoitetaan sähkökemiallisen prosessin avulla)
- magneettinen vaikutus (Kun sähkövirta kulkee johtimessa, sen ympärille syntyy magneettikenttä)
- säteilyvaikutus (tietyissä tapauksissa)
paristo
Paristo on tasajännitelähde, joka tuottaa tasavirtaa. Paristossa tapahtuvat kemialliset reaktiot synnyttävät pariston toiseen napaan (miinusnapaan) elektronien eli negatiivisen varauksen ylimäärän. Toiseen napaan (plusnapaan) syntyy puolestaan elektronien vajaus eli positiivinen varaus. Pariston napojen välillä on potentiaaliero eli jännite
jännitteen mittaus
Jännitemittari kytketään mitattavan kohteen rinnalle siten, että jännitemittarin plusnapa yhdistetään pariston plusnapaan ja miinusnapa miinusnapaan. Jännitemittari on valmistettu niin, että sen sisäinen resistanssi on suuri, joten mittarin läpi kulkee mahdollisimman pieni sähkövirta. Tällöin mittari ei oleellisesti muuta piirin muissa osissa kulkevan sähkövirran suuruutta. Kun jännitemittari kytketään virtapiirissä olevan laitteen, kuten lampun tai vastuksen napoihin, saadaan mitattua laitteen jännitehäviö
jännitehäviö
suljetussa virtapiirissä olevan laitteen napojen välinen jännite. Jokaisella virtapiirin komponentilla on jännitehäviö. Komponentissa kuten lampussa tai vastuksessa tapahtuvaa potentiaalin alenemaa kutsutaan myös jännitehäviöksi. Käsitteenä jännitehäviö sisältää oletuksen potentiaalin pienenemisestä, joten edellä mainitussa lampussa tapahtuu 1,5 V jännitehäviö. Jännitehäviö ilmentää sähköenergian muuntumista toiseen muotoon, esimerkiksi lampussa lämpöenergiaksi. Mitä enemmän kappale lämpenee, sitä suurempi on jännitehäviö. Johtimessa tapahtuva jännitehäviö on yleensä hyvin pieni verrattuna muiden virtapiirissä olevien komponenttien jännitehäviöihin.
napajännite
Kun jännitelähde, kuten paristo tai akku, liitetään suljettuun virtapiiriin, se aikaansaa sähkövirran. Jännitelähteen sanotaan silloin olevan kuormitettu, ja kuormitetun jännitelähteen napojen välistä jännitettä sanotaan napajännitteeksi U.
jännite
Pariston napojen varauksien ero aiheuttaa napojen välille jännitteen.
Jännitettä saadaan kasvatettua kytkemällä useampi paristo sarjaan. pisteiden potentiaaliero
potentiaali
Kun siirrytään virtapiirin pisteestä toiseen, tarkastelupisteen potentiaali muuttuu. Potentiaali ilmaisee virtapiirin pisteiden jännitteet sovittuun nollatasoon nähden. Virtapiirin mikä tahansa piste voidaan valita vertailupisteeksi eli potentiaalin nollatasoksi: tämän pisteen potentiaali on sovittu nollaksi eli V = 0 V.
miksi potentiaalin muutos johtimissa jätetään usein huomioimatta?
johtimissa potentiaalin muutos on niin vähäistä
potentiaalin mittaus
Virtapiirin minkä tahansa pisteen potentiaali voidaan mitata jännitemittarilla, kun mittarin miinusnapa kytketään sovittuun potentiaalin nollatasoon ja plusnapa tutkittavaan pisteeseen. Tällöin kahden pisteen välinen jännite ilmaistaan pisteiden potentiaalieron avulla.
potentiaalikäyrä
pisteiden potentiaalit paikan suhteen. Kierretään tarkasteltava virtapiiri sähkövirran suunnassa. Kuvaajan vaaka-akseli kuvaa virtapiiriä piste pisteeltä. Kuvaajan korkeuserot ilmaisevat virtapiirin eri pisteiden väliset jännitteet.
Kirchhoffin II laki
Suljetussa virtapiirissä potentiaalimuutosten summa on nolla
virtapiirin tarkasteleminen sähkövirran suunnassa, jännitelähteen + ja - navat
Kun virtapiiriä tarkastellaan sähkövirran suunnassa ja tullaan jännitelähteen miinusnapaan, jännitelähteen kohdalla potentiaali kasvaa napajännitteen verran, mutta jos tullaan jännitelähteen plusnapaan, potentiaali pienenee.
virtapiirin tarkastelu sähkövirran suunnassa vs suunnan vastaisesti vastus
Kun virtapiiriä tarkastellaan sähkövirran suunnassa, vastuksen kohdalla potentiaali pienenee vastuksen sähkövirran kulkua vastustavan ominaisuuden eli resistanssin takia. Mutta kun tarkastelusuunta on vastakkainen sähkövirran suunnalle, potentiaali kasvaa.
resistanssi
kuvaa vastuksen tai johtimen kykyä vastustaa sähkövirran kulkua.
vastus
Komponenttia, jonka tarkoituksena on rajoittaa sähkövirran kulkua tai alentaa virtapiirin tietyn pisteen potentiaalia, kutsutaan vastukseksi
muuttuuko resistanssi?
ei, jos vastuksen tai metallijohtimen lämpötila ei muutu
Ohmin laki
Metallilangassa tapahtuva jännitehäviö U on vakiolämpötilassa suoraan verrannollinen langassa kulkevaan sähkövirtaan I eli U = RI, jossa R on langan resistanssi.
Ohmin laki on voimassa vain silloin, kun metallilangan lämpötila pysyy vakiona
metallilangan resistanssi
Metallilangan resistanssi tietyssä lämpötilassa on R=rho*l/A. yksikkö ohmimetri
resistiivisyys
kuvaa aineen sähkövirran kulkua vastustavaa ominaisuutta. Kullakin aineella (materiaalilla) on sille ominainen resistiivisyys. riippuu lämpötilasta
aineet joiden resistiivisyyden lämpötilakerroin on suuri
Aineita, joiden resistiivisyyden lämpötilakerroin on suuri, voidaan käyttää lämpötilan mittaukseen. Lämpötilan muuttuessa virtapiirin resistanssi muuttuu, mikä muuttaa piirissä kulkevaa sähkövirtaa.
miksi resistanssi kasvaa lämpötilan kasvaessa?
Resistanssin kasvu johtuu siitä, että lämpötilan noustessa johdinmateriaalin rakennehiukkasten satunnainen lämpöliike langassa kasvaa, ja sähkövirran kulku vaikeutuu. Langan jäähtyessä lämpöliike pienenee ja resistanssi pienenee.
Lämpötilan noustessa metallilanka myös lämpölaajenee, eli langan pituus ja poikkipinta-ala kasvavat. Vaikutus on kuitenkin merkityksettömän pieni resistiivisyyden muutokseen verrattuna
Metallilangan resistanssin riippuvuus lämpötilasta
R=R_20(1+alpha*Deltat)
alpha= resistiivisyyden lämpötilakerroin
voiko vastuksen resistanssi riippua valon määrästä tai lämpötilasta?
On mahdollista valmistaa vastuksia, joiden resistanssi riippuu lämpötilasta, valon intensiteetistä tai esimerkiksi jonkin voiman aiheuttamasta jännityksestä. Säätövastus on vastus, jonka resistanssia käyttäjä voi muuttaa säätimen avulla. Resistanssin muutos on monien lämpömittarien tai valaistus- ja voimamittarien toiminnan fysikaalinen perusta.
PTC-vastus
resistanssi kasvaa lämpötilan kasvaessa. PTC-vastusta voidaan käyttää mm. sähkölaitteen ylikuormitussuojana. Kun vastuksen läpi kulkeva sähkövirta alkaa kasvaa liian suureksi, vastus kuumenee ja sen resistanssi kasvaa jyrkästi ja rajoittaa näin sähkövirran kasvua.
NTC-vastus
resistanssi pienenee lämpötilan kasvaessa. NTC-vastusta voidaan käyttää mm. lämpötila-anturina ja sähkölaitteen alkukäynnistysvirran rajoittamiseen.
Alkulämpötilassa NTC-vastus johtaa huonosti sähköä. Kun NTC-vastus lämpenee sähkövirran vaikutuksesta, se alkaa johtaa sähköä paremmin ja päästää laitteen sähkövirran vähitellen kasvamaan. Jos esimerkiksi sähkölämmityksen alkukäynnistysvirtaa ei rajoiteta, nopeat muutokset sähkönkulutuksessa voivat aiheuttaa kodin valojen välkkymistä tai napsahtelun kuulumista radiosta.
sähkölaitteet
muuntavat sähkövirran välittämää energiaa haluttuihin energiamuotoihin. Esimerkiksi leivänpaahtimessa vastuslankojen läpi kulkeva sähkövirta kuumentaa vastukset, mikä saa leivät paahtumaan
verkkojännite
230 V
Joulen laki
Laite, jonka resistanssi on R ja jonka läpi kulkee sähkövirta I, muuntaa ottamaansa energiaa lämpöenergiaksi teholla P=RI^2
Laite myös kuluttaa energiaa tällä teholla.
miksi energiansiirtoverkoissa käytetään suurta jännitettä?
Energian siirtoverkoissa käytetään suurta jännitettä, jolloin pienempi sähkövirta riittää tuottamaan tarvittavan siirtotehon (P = UI). Joulen lain mukaan mitä pienempi sähkövirta, sitä vähemmän energiaa muuntuu hukkalämmöksi johtimissa.
sähkölaitteen muuntama energia
Sähkölaitteen muuntama energia E on laitteen keskimääräisen sähkötehon P ja laitteen käyttöajan t tulo eli E = Pt =UIt
hyötysuhde
E_tuotto/E_otto
sähkölaitteen käyttökustannukset
lasketaan kertomalla laitteen kuluttama energia energian hinnalla.
Kun laitteen sähköteho ilmoitetaan kilowatteina (kW) ja käyttöaika tunteina (h), energian yksikkö on kilowattitunti (kWh). Energian hinta ilmoitetaan euroina kilowattituntia kohti.
