2.4 Homogeeninen sähkökenttä osa 2

2.4 Homogeeninen sähkökenttä osa 2

Varattu hiukkanen homogeenisessa sähkökentässä

 

Sähkökentässä olevaan hiukkaseen kohdistuu sähköinen voima F = qE, jossa q on hiukkasen sähkövaraus ja E sähkökentän voimakkuus. Homogeenisessa sähkökentässä sähköinen voima on vakio, jolloin myös hiukkasen kiihtyvyys on vakio. Jos varattu hiukkanen tulee homogeeniseen sähkökenttään pitkittäisesti eli kenttäviivojen suuntaisesti tai niitä vastaan, hiukkanen joutuu tasaisesti kiihtyvään suoraviivaiseen liikkeeseen.

Jos varattu hiukkanen tulee homogeeniseen sähkökenttään kohtisuorasti kenttäviivoja vastaan eli poikittaisesti, hiukkasen liikkeen radaksi tulee paraabelin kaari. Poikittainen sähkökenttä muuttaa hiukkasen nopeuden suuntaa ja suuruutta.

Sähköinen voima antaa hiukkaselle, jonka massa on m ja varaus q, voiman suuntaisen kiihtyvyyden a, jonka suuruus on

a = qE / m

Mekaanisen energian säilymislaki sähkökentässä

 

Hiukkasen liikettä sähkökentässä tarkastellaan yleensä niin, että hiukkanen liikkuu tyhjiössä eikä hiukkaseen kohdistuvaa painoa oteta huomioon. Tällöin varattuun hiukkaseen vaikuttava kokonaisvoima on sähköisen vuorovaikutuksen aiheuttama voima. Hiukkasen liike-energian muutos on yhtä suuri kuin kokonaisvoiman tekemä työ:

∆E_k = W eli

½mv_l² - ½mv_a² = qU = qE∆x

jossa v_a on varatun hiukkasen nopeus alussa, v_l nopeus lopussa ja ∆x hiukkasen siirtymä. Varatun hiukkasen mekaaninen energia säilyy sähkökentässä:

Ep_a + Ek_a =  Ep_l + Ek_l eli qV_a + ½mv_a² = qV_l + ½mv_l²

Jos kiihdytettävä tai jarrutettava hiukkanen on elektroni tai protoni, sen varauksen itseisarvo |q| = e. Jos elektronin tai protonin kiihdytysjännite on 1 V, se saa liike-energian

E_k = eU = 1 e * 1 V = 1 eV

1 eV = 1,602*10^-19 C * 1 V = 1,602*10^-19 J

Fysiikka 6: luku 2.4 Homogeeninen sähkökenttä osa 1

2.4 Homogeeninen sähkökenttä

Sähkökenttä on homogeeninen, jos sähkökentän voimakkuus ja suunta ovat sen jokaisessa pisteessä samat. Homogeenisessa sähkökentässä sähkökentän voimakkuus on vakio.

Potentiaalienergia

Varatulla hiukkasella on sähkökentässä potentiaalienergiaa, aivan samoin kuin massallisella kappaleella on potentiaalienergiaa gravitaatiokentässä. Kuten gravitaationkin tapauksessa, potentiaalienergian nollataso voidaan valita vapaasti. Usein nollatasoksi valitaan se kohta, jossa kenttä kohtaa maadoitetun kappaleen. Varatun hiukkasen potentiaalienergia homogeenisen sähkökentän pisteessä A on

E_pA = qEx

jossa q on hiukkasen varaus, E sähkökentän voimakkuuden suuruus ja x pisteen A etäisyys nollatasosta.

Sähkökentän  potentiaali V_A pisteessä A on kentässä olevan hiukkasen potentiaalienergian E_pA ja hiukkasen varauksen q suhde:

V_A = E_pA / q

Homogeenisen sähkökentän potentiaali kentän suuntaisella etäisyydellä x nollatasosta on

V = Ex

Homogeenisen sähkökentän voimakkuus on E = V/x. Sähkökentän potentiaali pienenee siirryttäessä sähkökentän suuntaan ja kasvaa siirryttäessä vastakkaiseen suuntaan. Sähkökentän suunta on siin ylemmästä potentiaalista alempaan potentiaaliin. Potentiaali ei muutu, kun siirrytään kohtisuorasti sähkökenttää vastaan. Niiden pisteiden, jotka ovat samassa potentiaalissa, sanotaan muodostavan tasapotentiaalipinnan. Pinta on kohtisuorassa sähkökentän kenttäviivoja vastaan. Jos varattu hiukkanen liikkuu tasapotentiaalipinnalla, sen potentiaalienergia ei muutu. Muissa liikesuunnissa potentiaalienergia joko pienenee tai suurenee.

Kun sähkökentässä on varatttu hiukkanen, sen potentiaalienergia on E_p = qV, jossa q on hiukkasen varaus ja V sähkökentän potentiaali hiukkasen kohdalla. Kun negatiivisesti varattu kappale kytketään metallijohtimella maahan, kappaleesta virtaa elektroneja maahan. Vastaavasti maasta virtaa elektroneja positiivisesti varattuun kappaleeseen. Lopulta saavutetaan tasapainotila, jolloin varausten liike lakkaa. Tällöin kappale on maan kanssa samassa potentiaalissa.

Maata voidaan pitää niin suurena johdekappaleena, että sen varaustila ei muutu havaittavasti huolimatta elektronien siirtymisestä jompaankumpaan suuntaan. On luontevaa määritellä maan potentiaali nollapotentiaaliksi.

Kahden sähkökentän pisteen A ja B välistä potentiaalieroa U_AB = V_A - V_B kutsutaan näiden pisteiden väliseksi jännitteeksi. Homogeenisessa sähkökentässä korkeammassa ja matalammassa potentiaalissa olevien pisteiden välinen jännite on U = Ed, jossa E on sähkökentän voimakkuus ja d pisteitä vastaavien tasapotentiaalipintojen välimatka.

Jos tasapotentiaalipintoja esittävässä piirroksessa pisteeseen A siirretty positiivisesti varattu hiukkanen päästetään vapaaksi, se siirtyy sähköisen voiman vaikutuksesta negatiivisesti varattua levyä kohti. Kun hiukkanen saavuttaa pistettä B vastaavan tasopotentiaalipinnan, on sähköinen voima tehnyt työn

W = F ∆x = qE∆x = qU_AB

jossa U_AB on alku- ja loppupisteen välinen jännite. Sähköisen voiman tekemä työ W = qU_AB pätee yleisesti, siis myös epähomogeenisessa kentässä. Kun varattu hiukkanen siirtyy sähkökentässä pisteestä A pisteeseen B, sen potentiaalienergian muutos on

∆E_B = E_b – E_pA = qV_B - qV_A = q(V_B-V_A) = - qU_AB = -W

Potentiaalienergia siis muuttuu –W:n verran. Kun positiivisesti varattu hiukkanen siirtyy korkeammasta potentiaalista matalampaan, sähköinen voima tekee positiivisen työn ja hiukkasen potentiaalienergia pienenee vastaavalla määrällä. Vastaavasti negatiivisesti  varatun hiukkasen potentiaalienergia pienenee, kun se liikkuu sähkökenttää vastaan. Työn vaikutuksesta potentiaalienergia muutttu liike-energiaksi.

Fiiliksiä

Voihan coulombi millasia laskutehtäviä nyt on menossa. Aikaa vieviä tehtäviä. Tuntuu että olen oppinut paljon uutta juuri laskujen kautta. Täytyy muistaa kerrata asioita tarpeeksi että juuri opitut asiat jäävät varmasti syvälle mieleen! Vastapainoksi on tullut juostua aika paljon, tällä viikolla 81 km. Ensi viikolla on ohjelmassa peräti 97 km.

Tuntuu että tää hakemishomma ja elämä muutenkin on tasapainossa, enkä mä stressaa itseäni liikaa tällä opiskelulla. Osaan hellittää ajoissa jos tuntuu että nyt aivot kaipaa lepoa. On sellainen olo että tää opiskelu on kivaa vaikkakin haastavaa. On kiva kun saa elämässä tehdä niitä asioita joita oikeasti haluaa! Sillä eihän elämä ole "sitten kun" vaan "tässä ja nyt". 

Voi sitä tunnetta kun on juuri saanut ratkaistua jonkun vaikean fysiikan tai kemian tehtävän! Tai vanhan fysiikan/kemian pääsykoetehtävän. Se innostaa opiskelemaan paremmin ja paremmin.

Fysiikka 6: luku 2.3 Sähkökenttä

2.3 Sähkökenttä

Kopiokoneen ja tulostimen toiminta perustuu mustepisaran ohjailemiseen sähkökentän avulla. Pisaran paikka tulostuspaperilla riippuu pisaraan vaikuttavista sähköisistä voimista.

Jokaisen varatun kappaleen ympärillä on sähkökenttä. Varattu kappale on sähkökenttänsä välityksellä vuorovaikutuksessa muiden varattujen kappaleiden kanssa.

Sähkökentän kenttäviivat 

Sähkökentän kenttäviivat lähtevät positiivisesti varautuneen kappaleen pinnasta ja päättyvät negatiivisesti varatun kappaleen pintaan. Kenttäviivoilla kuvataan sähkökentän suuntaa ja muotoa. Viivojen tiheys ilmentää kentän voimakkuutta. Mitä tiheämmässä kenttäviivoja jollakin alueella on, sitä voimakkaampi sähkökenttä siinä on. Sähkökenttä on kolmiulotteinen.

Sähkökentän voimakkuus E (lyhyesti kutsuttuna sähkökenttä) on kentässä olevaan varattuun hiukkaseen kohdistuvan sähköisen voiman ja kappaleen sähkövarauksen suhde:

E = F / q

Jos sähkökentässä olevan hiukkasen varaus on positiivinen, kentän voimakkuuden suunta on sama kuin hiukkaseen vaikuttavan sähköisen voiman suunta. Jos hiukkasen varaus on negatiivinen, kentän voimakkuuden suunta on sähköisen voiman suuntaan nähden vastakkainen. Sähkökentän voimakkuuden yksikkö on 1 N/C.

Huomaa, että symbolilla Q merkitään varausta, jonka sähkökenttää tutkitaan, ja testivarauksella q tutkitaan kenttää.

Pistevarauksen sähkökenttä

Pistemäisen sähkövarauksen Q ympärillä olevan sähkökentän sähköistä vuorovaikutusta voidaan tutkia viemällä kentän mielivaltaiseen pisteeseen pieni testivaraus q. Kentässä olevaan varaukseen q kohdistuu sähköinen voima. Pistevarauksen sähkökentän (Coulombin kentän) voimakkuuden suuruus tyhjiössä etäisyydellä r varauksesta on

= 

Pistevarauksen sähkökentän voimakkuuden E suunta on varauksesta Q poispäin, jos varaus Q on positiivinen, ja varausta Q kohti, jos varaus Q on negatiivinen. Jos varaus Q on eristeessä, sähkökentän voimakkuuden suuruus on

Fysiikka 6: luku 2.2 Coulombin laki

2.2 Coulombin laki

Coulombin laki: hiukkaset, joiden sähkövaraukset ovat  Q1 ja Q2, kohdistavat toisiinsa voiman, jonka suuruus on suoraan verrannollinen varausten tuloon ja kääntäen verrannollinen hiukkasten välisen etäisyyden neliöön eli

jossa r on hiukkasten välinen etäisyys ja ε₀  on sähkövakio eli tyhjiön permittiivisyys. Usein merkitään k = 1/4π ε₀ jolloin Coulombin laki saa muodon

ja Coulombin lain vakio arvon k = 8,98755*10⁹ Nm²/C². Coulombi lain mukaista sähköistä voimaa kutsutaan Coulombin voimaksi. Voiman suunta päätellään varausten merkeistä. Kun varaukset ovat vastakkaismerkkisiä, voima on vetovoima, ja kun ne ovat samanmerkkisiä, voima on hylkimisvoima.

Coulombin laki pätee pistemäisille varatuille hiukkasille eli pistevarauksille sekä kappaleille, joiden varausjakauma on pallosymmetrinen. Coulombin voima on etävoima.

Varattujen hiukkasten välissä oleva eriste heikentää hiukkasten sähköistä vuorovaikutusta. Eristeen suhteellinen permittiivisyys ε_r  kuvaa, miten eriste vaikuttaa sähköiseen voimaan.

Coulombin laki eristeessä on

Fysiikka 6: luku 2.1 Sähkövaraus

Muista, että napajännitteeltään negatiivinen jännitelähde latautuu! Ja jos esim lamppu ja säätövastus ovat kytketty rinnan, niiden napojen väliset jännitteet ovat yhtä suuret juuri siksi että ne on kytketty rinnan eikä sarjaan.

2.1 Sähkövaraus

 

EKG-käyrää piirtävä laite on erikoisvalmisteinen oskilloskooppi, jossa sydänlihaksen sähköinen potentiaali näkyy ruudulla ajan funktiona.

Sähkövarauksien ympärillä on sähkökenttä, jonka välityksellä varaukset ovat vuorovaikutuksessa keskenään. Sähkövaraukset ja niiden ympärillä oleva sähkökenttä voivat aiheuttaa erilaisia aistein havaittavia ilmiöitä.

Esim pilvien jää- ja lumikiteiden hankautuminen toisiaan vasten voi kerätä pilviin suuren sähkövarauksen. Tällöin pilviin sekä maan ja pilvien välille syntyy voimakkaita sähkökenttiä. Pilvien ja maanpinnan välissä on paksu ilmakerros, joka on eriste.

Kun maan ja pilvien jännite kohoaa kymmenien miljoonien volttien suuruiseksi, ilma ei enää pysty estämään varauksia purkautumasta. Sähköpurkauksien seuraukset näkyvät valona salaman välähtäessä ja kuuluvat äänenä ukkosen jyrähtäessä.

Sähköinen vuorovaikutus on etävuorovaikutus: vuorovaikutus vaikuttaa kappaleiden välillä. vaikka kappaleet eivät kosketa toisiaan. On olemassa positiivista ja negatiivista sähkövarausta. Sähköinen vuorovaikutus on varauksisten hiukkasten, kuten elektronien ja protonien, välinen vuorovaikutus. Sähköisen vuorovaikutuksen aiheuttamaa veto- tai hylkimisvoimaa kutsutaan sähköiseksi voimaksi. Samanmerkkiset varaukset hylkivät toisiaan ja erimerkkiset varaukset vetävät toisiaan puoleensa.

Protonin sähkövaraus on +e ja elektronin –e. Varausta e sanotaan alkeisvaraukseksi, joka on sähköopin tarkasteluissa pienin sähkövaraus. Alkeisvaraus on luonnonvakio, ja sen arvo on e = 1,602 * 10^-19 C. Sähkövarauksen yksikkö on 1 C (Coulombi).

Kappaleen sähkövaraus Q on aina alkeisvarauksen e monikerta eli

Q = +- ne, jossa n = 0,1,2,...

Sähkövarauksen säilymislain mukaan eristetyssä systeemissä positiivisten ja negatiivisten varausten summa on vakio.

Fysiikka 6: luku 1.7 Tasavirtapiirien laskennallinen hallinta

Huom! Lamppu palaa mahdollisimman kirkkaasti, kun sen läpi kulkee mahdollisimman suuri virta. Otetaan esim kaksi lamppua. Sarjakytkennässä lamppuyhdistelmän kokonaisresistanssi on suurempi kuin rinnakytkennässä, joten niiden läpi kulkeva virta on pienempi sarjakytkennässä. Lampun palavat siis mahdollisimman kirkkaasti, kun ne kytketään rinnan.

Muista myös, että oikosulussa paristoa kuormittaa vain sen sisäinen resistanssi, jolloin napajännite U = 0 V. Vanhassa paristossa sisäisestä resistanssista johtuva jännitehäviö on suurempi kuin uudessa paristossa. Huom! jos akku on tyhjä, sen jännite on tietysti 0 V!

1.7 Tasavirtapiirien laskennallinen hallinta

Virtapiirilaskujen suoritusvaiheet

1. Ellei kytkentäkaavioon ole merkitty sähkövirtojen suuntia, valitse ne. Olet valinnut suunnan väärin, jos laskutuloksessa virran arvo on negatiivinen.

2. Valitse virtapiirin tarkastelusuunta joko myötä- tai vastapäivään jokaiselle silmukalle erikseen.

3. Jos virtapiirissä on johtimien haarautumiskohtia, muodosta Kirchoffin 1.lain mukaisesti virtayhtälöt. Muistutuksena, että Kirchoffin 1. lain mukaan virtapiirissä haarautumispisteeseen tulevien sähkövirtojen summa on yhtä suuri kuin siitä lähtevien sähkövirtojen summa.

4. Valitse suljetussa virtapiirissä lähtöpiste. Usein helpointa on kiertää virtapiiri virran oletetussa suunnassa. Potentiaalitarkastelun lähtöpisteeksi voit valita myös kohdan, jonka potentiaali on nolla.

5. Sovella Kirchoffin 2. lakia niin moneen suljettuun virtapiiriin, että saat tarpeeksi monta yhtälöä tuntemattomien suureiden laskemiseksi. Muistutuksena, että Kirchoffin 2. lain mukaan suljetussa virtapiirissä potentiaalimuutosten summa on nolla.

Fysiikka 6: luku 1.6 Paristot

1.6 Paristot

Lähdejännite E on kuormittamattoman pariston napojen välinen jännite ja napajännite U kuormitetun pariston napojen välinen jännite. Pariston lähdejännite saadaan ekstrapoloimalla (I,U)  -kuvaajan U-akselin leikkauskohta: tällöin sähkövirta I = 0 A, ja pariston läpi ei kulje sähkövirtaa.

Suurin piirissä kulkeva sähkövirta saataisiin oikosulkemalla sähköpari – tätä virtaa kutsutaan oikosulkuvirraksi I₀. Oikosulkuvirta voidaan määrittää (I,U) –kuvaajasta ekstrapoloimalla I-akselin leikkauskohta. Oikosulkuvirta saadaan myös laskettua yhtälöstä

I₀ = E / R_s

missä R_s on pariston sisäinen resistanssi. (I,U) – koordinaatistoon piirrettyä suoraa kutsutaan pariston kuormituskäyräksi. Ulkoista vastusta kutsutaan usein virtapiirin kuormaksi. Kuormitetun jännitelähteen napajännite U on

U = E - R_s I

jossa U on napajännite, E lähdejännite ja R_sI jännitelähteessä tapahtuva jännitehäviö. Kuormittamattoman jännitelähteen napajännite on yhtä suuri kuin lähdejännite.

Paristojen sarja- ja rinnankytkentä

Jännitelähteitä, kuten sähköpareja tai paristoja, voidaan kytkeä yhteen eri tavoin. Kytketyt jännitelähteet toimivat kuten yksi jännitelähde. Sarjakytkennässä paristojen erimerkkiset navat on yhdistetty. Paristot ovat rinnan, jos niiden samanmerkkiset navat on yhdistetty keskenään.

Sarjakytkennässä paristojen jännite kasvaa ja rinnankytkennässä jännite ei muutu. Sarjakytkennässä paristoyhdistelmän lähdejännite E on paristojen lähdejännitteiden summa, eli

E = E₁ + E₂ + E₃ + ...+ E_n

Sarjakytkennässä napajännite on U =  U₁ + U₂ + U₃ + ...+ U_n ja sisäinen resistanssi Rs =  R_s1 + Rs₂ + Rs₃ + ...+ Rs_n

Vastusten rinnankytkennässä vastusyhdistelmän resistanssi on aina pienempi kuin yksittäiset resistanssit. Rinnan kytkettyjen paristojen, joilla on yhtä suuri lähdejännite E ja sisäinen resistanssi R_s, lähdejännite on E ja sisäinen resistanssi R_s saadaan yhtälöstä

1/ R_s = 1/ R_s1 + 1/ R_s2 + ...+ 1/ R_sn

Rinnan kytketyillä paristoilla on oltava sama lähdejännite E. Jos näin ei ole, paristojen välille syntyy sisäisiä sähkövirtoja, vaikka yhdistelmää ei kuormitettaisikaan. Paristo, jonka lähdejännite on pienin, kuormittaa muita.

Fysiikka 6: luku 1.5 Joulen laki

Huom! Kun säätövastuksen resistanssi säädetään nollaksi, koko sähkövirta kulkee tämän haaran läpi! Muista myös, että kun ampeerimittarin rinnalle liitetään sivuvastus, ampeerimittarilla ja sivuvastuksella on sama jännitehäviö! eli U₁ = U₂  -->   R₁I₁ = R₂I₂

1.5 Joulen laki

Laitteen sähköteho on P = UI = 1 V * 1 A = 1 VA = 1 W

Joulen laki on P = RI²

Sähkölaitteen kuluttama energia on

E = Pt = Uit

Fysiikka 6: luku 1. 4 Vastusten kytkennät

Aluksi muistutus: samanpituisten metallilankojen resistanssi on sitä pienempi, mitä paksumpi lanka on. Lisäksi on muistettava, että resistanssi lasketaan yhtälöstä R = U/I silloin, kun komponentti ei noudata Ohmin lakia. No niin, nyt itse asiaan:

1.4 Vastusten kytkennät

Sarjakytkentä

Vastuksia voidaan kytkeä kahdella tavalla: rinnan ja sarjaan. Joskus sähkölaitetta rakennettaessa tarvitaan vastus, jota ei ole saatavilla valmiina. Silloin voidaan käyttää säätövastusta tai vastus kootaan kytkemällä sopivasti vastuksia, jotka ovat saatavilla.

Vastusten sarjakytkennässä vastusyhdistelmän kokonaisresistanssi on suurempi kuin yksittäisen vastuksen resistanssi. Vastusten sarjakytkennässä vastusyhdistelmän kokonaisresistanssi R saadaan laskemalla yhteen yksittäisten vastusten resistanssit:

R = R₁ +  R₂ + R₃ + ...+ R_n

Rinnankytkentä

Valaisinsysteemeissä käytetään rinnankytkentää. Jos yksi lamppu menee rikki, muut lamput valaisevat vielä. Rinnankytkennässä vastusyhdistelmän resistanssi on pienempi kuin yksittäisen vastuksen resistanssi. Rinnan kytkettyjen vastusten kokonaisresistanssi on aina kytkennän jokaisen vastuksen resistanssia pienempi. Vastusten rinnankytkennässä vastusyhdistelmän kokonaisresistanssin R käänteisluku saadaan laskemalla yhteen yksittäisten vastusten resistanssien käänteisluvut:

1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃ + ...+ 1/R_n  

Suurten sähkövirtojen mittaaminen voi rikkoa ampeerimittarin, koska sähkövirta kulkee aina mittarin läpi. Ampeerimittarin käyttöaluetta voi laajentaa mittarin kanssa rinnan kytkettävän sivuvastuksen avulla. Tällöin mitattava sähkövirta jakautuu mittarin ja sivuvastuksen kesken.

Volttimittarin käyttöaluetta voi laajentaa etuvastuksella, joka kytketään sarjaan mittarin kanssa. Kun etuvastuksen resistanssi on suuri, suurin osa jännitehäviöstä tapahtuu siinä ja volttimittarissa tapahtuu vain pieni jännitehäviö.

 

Potentiaali ja jännitehäviö yms Fysiikka 6 kappale 1.3 loppuun

Potentiaali ja jännitehäviö

Piirin potentiaali V ilmaisee virtapiirin pisteiden jännitteet sovittuun nollapotentiaaliin nähden. Potentiaalitarkasteluissa jokin virtapiirin pisteen potentiaali sovitaan nollaksi eli piste maadoitetaan. Tämän pisteen potentiaali on V = 0 V.

Jos virtapiirin kaksi eri pistettä maadoitetaan, näiden pisteiden välillä ei ole jännitettä. Jos näiden pisteiden väliin on kytketty esim hehkulamppu, sen läpi ei kulje sähkövirtaa ja lamppu ei valaise. Virtapiirissä pisteiden B ja A välinen jännite U_BA on näiden pisteiden potentiaalien erotus eli potentiaaliero:

U_BA = V_B – V_A 

Potentiaali muuttuu virtapiirissä jännitelähteiden ja komponenttien kohdalla: kun kuljetaan sähkövirran suunnassa, potentiaali kasvaa paristoissa ja alenee lampuissa. Kirchoffin 2. lain mukaan suljetussa virtapiirissä potentiaalimuutosten summa on nolla. Tämä johtuu siitä, että virtapiiriä kierrettäessä palataan takaisin kohtaan A.

Resistiivisyys

Metallilangan resistanssi riippuu langan materiaalista ja se saadaan yhtälöstä

R = ρ l/A

jossa ρ on aineen resistiivisyys, l langan pituus ja A langan poikkipinta-ala. Resistiivisyys kuvaa aineen kykyä vastustaa sähkövirran kulkua. Kullakin materiaalilla on sille ominainen resistiivisyys. Hyvän sähköjohteen resistiivisyys on pieni ja hyvä eristeen resistiivisyys suuri. Resistanssi on laitteen tai johtimen ominaisuus, ja resistiviisyys on tietyn materiaalin ominaisuus. Resistiivisyyden yksikkö on 1 Ωm.

Lämpötilan vaikutus resistanssiin

On mahdollista valmistaa vastuksia, joiden resistanssi riippuu lämpötilasta, valon määrästä tai esim jonkin voiman aiheuttamasta jännityksestä. Resistanssin muutos voikin olla lämpömittarin tai valaistus- ja voimamittarin toiminnan fysikaalinen perusta.

Aineita, joiden resistiivisyyden lämpötilakertoimet ovat suuret, voidaan käyttää lämpötilan mittaukseen. Lämpötilan muuttuessa virtapiirin resistanssi muuttuu, mikä muuttaa piirissä kulkevaa sähkövirtaa. Ampeerimittarin asteikko kalibroidaan näyttämään lämpötilaa.

Resistiivisyyden lämpötilariippuvuutta kuvaa yhtälö

ρ = ρ₂₀ (1 + α∆T)

missä ρ on metallilangan resistiivisyys lämpötilassa T, ρ₂₀ saman langan resistanssi lämpötilassa 20 ° C = 293 K ja ∆T = T – 293 K. Kerroin α  on resistiivisyyden lämpötilakerroin ja sen yksikkö on 1/K.

Fysiikka 6 – luku 1.2 – Jännite ja luku 1.3 Ohmin laki ja resistanssi

Jännitelähteessä, kuten paristossa, napojen välillä on jännite. Jännitteen tunnus on U ja yksikkö 1 V (voltti). Jännitelähteen miinusnavassa on ylimäärä elektroneja ja plusnavassa elektronien vajaus. Kuormittamattoman jännitelähteen jännitettä nimitetään lähdejännitteeksi ja kuormitetun napajännitteeksi.

Lähdejännite aiheuttaa suljetussa virtapiirissä sähkövirran. Paristosta saatava jännite on tasajännitettä. Jännitehäviöllä tarkoitetaan suljetussa virtapiirissä olevan laitteen, kuten lampun, napojen välistä jännitettä.

Jännitteen mittaaminen

Jännitteen mittaamisessa käytetään volttimittaria. Volttimittari kytketään mitattavan kohteen, kuten pariston tai lampun, rinnalle siten, että volttimittarin plusnapa yhdistetään pariston plusnapaan ja  miinusnapa miinusnapaan.

Akku on laite, joka varastoi energiaa kemialliseksi energiaksi. Kun akkua käytetään, se toimi kuten jännitelähde.

Fysiikka 6 – luku 1.3 Ohmin laki ja resistanssi

Ohmin laki: metallijohtimessa jännitehäviö on vakiolämpötilassa suoraan verrannollinen sähkövirtaan:

U = RI

jossa U on johtimessa tapahtuva jännitehäviö, R johtimen resistanssi ja I johtimen läpi kulkeva sähkövirta.

Vastus on sähkövirtaa rajoittava komponentti. Resistanssi ilmaisee vastuksen, kuten vastuslangan, kyvyn vastustaa sähkövirran kulkua. Resistanssin yksikkö on 1 Ω (ohmi). Hehkulamppu ei noudata Ohmin lakia, koska sen resistanssin kuvaaja ei ole lineaarinen.

 

Sähkö - luku 1.1, tasavirta

Sähkön historiaa

Ennen vanhaan sähköankeriasta ja – rauskua käytettiin reuman hoitoon. Kalan päällä seistiin rantavedessä, kunnes jalat muuttuivat lähes tunnottomiksi. Tämän uskottiin lievittävän reumaattisia kipuja.

Englantilainen fyysikko Joseph John Thomson löysi elektronin vuonna 1897 ja protonin löysi englantilainen fyysikko Ernest Rutherford.

Sähkövirta

Jo 50mA:n sähkövirta kehossa on hengenvaarallinen ihmiselle. Paristo on jännitelähde, jossa kemialliset reaktiot synnyttävät napojen välille jännitteen. Kun virtapiiri avataan (esim toinen johdin irrotetaan paristosta), siinä ei kulje sähkövirtaa. Virtapiiri on suljettu, kun siinä oleva jännitelähde ylläpitää sähkövirtaa. Sähkövirta voi kulkea vain suljetussa virtapiirissä.

Sähkövirran lämpövaikutusta käytetään hyväksi esim vedenkeittimissä ja saunan kiukaan vastuksissa. Sähkövirralla on myös magneettinen vaikutus. Kun sähkövirta kulkee johtimessa, sen ympärille syntyy magneettikenttä.

Sähkövirta aiheuttaa elektrolyyseissä kemiallisia reaktioita. Elektrolyytti on aine, joka johonkin liuottimeen liuenneena johtaa sähköä. Galvanointi on menetelmä, jossa kappale pinnoitetaan sähkökemiallisen prosessin avulla. Esim galvanointi sinkin avulla estää rautanaulan ruostumisen. Sähkövirran avulla voidaan myös hajottaa vettä ja näin valmistaa happea ja vetyä.

Metallit ja suolaliuokset johtavat hyvin sähköä. Tällaisia aineita kutsutaan johteiksi. Esim posliini ja muovi ovat eristeitä, koska ne eivät johda sähköä. Puolijohteiden sähkönjohtavuutta voidaan muuttaa esim valon avulla. Sähkövirta on varauksisten hiukkasten liikettä.

Sähkövirralla on suunta ja suuruus. On sovittu, että sähkövirran suunta on plusnavasta miinusnapaan. Sähkövirtaa sanotaan tasavirraksi, jos sähkövirta kulkee virtapiirissä koko ajan samaan suuntaan ja vaihtovirraksi, jos sähkövirran suunta muuttuu jaksollisesti.

Sähkövirran mittaaminen

Sähkövirran mittaamiseen käytetään ampeerimittaria. Ampeerimittari kytketään virtapiirin osaksi aina siten, että mitattava virta kulkee mittarin läpi sen plusnavasta miinusnapaan. Jos virtapiiri ei ole haarautunut, kaikkialla piirissä kulkee sama sähkövirta. Kirchhoffin 1.lain mukaan virtapiirissä haarautumispisteeseen tulevien sähkövirtojen summa on yhtä suuri kuin haarautumispisteestä lähtevien sähkövirtojen summa.

Sähkövirran mikromalli

Sähkövirta metallijohtimessa on sähkökentän aiheuttamaa elektronien liikettä. Kun metallijohdin kytketään jännitelähteeseen, johtimen sisälle syntyy sähkökenttä, jonka suunta on jännitelähteen positiivisesta kohtiosta kohti jännitelähteen negatiivista kohtiota. Sähkökentän synnyn seurauksena vapaat elektronit alkavat liikkua kohti jännitelähteen positiivista napaa.

Johtimessa kulkeva sähkövirta on I = Q/t, jossa Q on ajassa t johtimen poikkipinnan läpi siirtyneen varauksen suuruus. Sähkövirran yksikkö on 1 C/s eli 1 A (ampeeri).

Seuraavan fysiikan kirjan kimppuun!

No niin, nyt on ne 54 kertaustehtävääkin fysiikan viidennestä kirjasta (Pyöriminen ja gravitaatio) laskettu kunnollisesti läpi. Ja juoksua tuli viime viikolla peräti 97 km, vastapainona opiskelulle. Nyt onkin sitten seuraavan fysiikan kirjan (Sähkö) vuoro.

Fysiikka 5 - Pyöriminen ja gravitaatio - kirjan loppu häämöttää

Jee, nyt on sitten opiskeltu viides fysiikan kirja melkein läpi. Pitää enää laskea 54 kertaustehtävää niin sitten kirja on myös laskettu läpi. On ollut hieman vaikeaa muistaa ulkoa kaikkea heittoliikkeeseen liittyvää...siispä muistutankin tässä itseäni että

- vinon heittoliikkeen lakipisteessä kappaleen y-suuntainen nopeus on nolla
- jos ilmanvastusta ei oteta huomioon, suoraan ylöspäin heitetyn kiven kiihtyvyys on koko lennon ajan vakio

Tämmöistä tällä kertaa! Juoksua oli viime viikolla 80 km ja tällä viikolla pitäis tulla ainakin 97 km jos kaikki menee hyvin. Töitä on ollut miten sattuu, joten on ollut vaikea löytää sopivaa opiskelurytmiä. Onneksi töitä on kohta vähän vähemmän niin jää enemmän aikaa opiskella.