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.

Pakonopeudet

Pelkkä lukeminen ei aina riitä...joten mä kirjoittelen näitä lyhennelmiä tänne blogiin niin mä muistan asiat paremmin. 

Ensimmäinen pakonopeus on nopeus, joka kappaleelle on annettava, jotta se pääsisi ja jäisi Maata kiertävälle radalle. Kun kappaleelle on annettu riittävän suuri Maan pinnan suuntainen nopeus, Maan pinta kaartuu kappaleen alla yhtä paljon kuin kappale putoaa. Tällöin kappale on joutunut Maata kiertävälle radalle.

Toinen pakonopeus on nopeus, jolla satelliitti tai avaruusalus vapautuu kokonaan taivaankappaleen, kuten Maan, vetovoimakentästä mutta jää Aurinkoa kiertävälle radalle. Satelliitti pääsee poistumaan Maan vaikutuspiiristä, jos sen nopeus on 11,2 km/s.

Kolmas pakonopeus 42,2 km/s on nopeus, jonka kappale (avaruusalus) tarvitsee vapautuakseen Aurinkokunnan vetovoimakentästä. Kappale jää tällöin kiertämään Linnunradan keskustaa.

Gravitaatio

Gravitaatio on yksi neljästä maailmankaikkeuden rakennetta ja toimintaa selittävästä perusvuorovaikutuksesta. Muut perusvuorovaikutukset ovat sähkömagneettinen vuorovaikutus, vahva vuorovaikutus ja heikko vuorovaikutus

Gravitaatiossa kahteen vuorovaikuttavaan kappaleeseen kohdistuu yhtä suuret vastakkaissuuntaiset gravitaatiovoimat; gravitaatiovoima aiheutuu kappaleiden massasta. Gravitaatiovuorovaikutus on etävuorovaikutus ja gravitaatiovoima on vetovoima.

Vuorovesi-ilmiö aiheutuu siitä, että Kuun ja Auringon vetovoimat ovat erilaiset maapallon eri puolilla. Gravitaatio aiheutuu suhteellisuusteorian mukaan avaruuden kaareutumisesta, joka taas aiheutuu kappaleiden massoista ja energioista.

Keplerin lait

1. laki: planeettojen radat ovat ellipsejä, joiden toisessa polttopisteessä on Aurinko.
2. Planeetan liikkuessa sitä Aurinkoon yhdistävä jana pyyhkii yhtä pitkissä jaksoissa yhtä suuret pinta-alat.
3. Planeettojen kiertoaikojen T (Auringon ympäri) neliöt ovat verrannolliset niiden ja Auringon keskietäisyyksien r kuutioihin

Keplerin 2. lain mukaan kaukana Auringosta ollessaan planeetta kulkee hitaammin ja lähellä Aurinkoa ollessaan nopeammin  Planeetan ratanopeus ei siis ole vakio.

Newtonin gravitaatiolaki

Planeettaan vaikuttava gravitaatiovoima suuntautuu kohti Aurinkoa. Voimaa, joka suuntautuu aina kohti samaa pistettä, kutsutaan keskeisvoimaksi. Gravitaatiovoima on siis keskeisvoima. Kappaleeseen kohdistuva paino on gravitaation aiheuttama voima. Gravitaatiovoima aiheutuu kahden kappaleen välisestä vuorovaikutuksesta ja se on verrannollinen kummankin kappaleen massaan.

Newtonin gravitaatiolain mukaan kaksi pistemäistä kappaletta, joiden massat ovat m1 ja m2 ja joiden välinen etäisyys on r, vetävät toisiaan puoleensa voimalla, joka on suoraan verrannollinen kummankin kappaleen massaan ja kääntäen verrannollinen kappaleiden (painopisteiden) välisen etäisyyden neliöön.

 

Kaikki massalliset kappaleet aiheuttavat gravitaatiolain mukaisen vetovoiman ja tuntevat muiden kappaleiden aiheuttaman vetovoiman.

 

Gravitaatiokenttä

Etävuorovaikutuksen kuvaamiseen käytetään klassisessa fysiikassa kenttää. Kenttää kuvataan kenttäviivoilla, joiden tiheys kuvaa kentän voimakkuutta. Kenttäviivojen suunta on sama kuin kentän voimakkuuden suunta. Gravitaatiokentän voimakkuus riippuu kappaleen massasta sekä etäisyydestä kappaleeseen. Kappeleet tuntevat toistensa aiheuttamat gravitaatiokentät.

Kaikki kappleet niiden massasta riippumatta saavat gravitaatiokentässä saman kiihtyvyyden. Putoamiskiihtyvyys g ilmoittaa Maan gravitaatiokentän voimakkuuden. Maan gravitaatiokentän voimakkuus etäisyydellä r Maan keskipisteestä on sama kuin putoamiskiihtyvyyden suuruus tällä etäisyydellä.

Mustan aukon gravitaatiokenttä on niin voimakas, että se vetää kaiken materian sisäänsä. Maata kiertävässä avaruusaluksessa vallitsee ”painottomuus”, koska alus ja sen matkustajat ovat vapaassa putoamisliikkeessä. Alus ja matkustajat eivät kuitenkaan putoa Maan pinnalle, jos aluksen nopeuden suunta ja suuruus ovat sopivia. Painottomaksi sanotaan tilaa, jossa ei ole tukivoimaa. Painottomuus ei siis tarkoita, että kappaleeseen kohdistuva paino olisi nolla.

Mekaaninen energia gravitaatiokentässä

Aurinkokunnan mekaaninen energia on taivaankappaleiden liike-energiaa ja niiden välisten gravitaatiovuorovaikutusten potentiaalienergiaa. On sovittu, että äärettömän kaukana Auringon gravitaatiokentässä olevan kappaleen potentiaalienergia on nolla. Taivaankappaleen potentiaalienergia etäisyydellä r Auringosta saadaan määrittämällä työ, joka olisi tehtävä, jos taivaankappale siirrettäisiin tältä etäisyydeltä äärettömän kauas Auringosta. Gravitaation tekemä työ on negatiivinen, koska voima ja siirtymä ovat vastakkaisuuntaiset.

 

Fysiikka 4 luettu ja laskettu läpi

Jee! Nyt on sitten Fysiikka 4 luettu ja laskettu perin pohjin läpi! 61 kertaustehtävääkin tehty mitkä olivat kirjan lopussa. Nyt eikun innolla fysiikka vitosen kimppuun! Töitä on ollut niin paljon etten ole ehtinyt opiskella niin paljon kuin olisin halunnut. Mutta ei voi mitään. Mulla on töissäkin kirjat mukana niin voin opiskella jos on luppoaikaa.

Mekaanisen energian säilyminen

Viime päivinä olen käynyt läpi mekaanisen energian säilymistä. Opin, että kappaleen liikettä alkupisteestä takaisin alkupisteeseen sanotaan suljetuksi kierrokseksi. Ja että jos voiman tekemä työ suljetulla kierroksella on nolla, voimaa sanotaan konservatiiviseksi voimaksi. Konservatiivisia voimia ovat esimerkiksi paino, jousivoima ja sähköiseen vuorovaikutukseen liittyvä Coulombin voima.

Opin myös, että systeemissä, johon vaikuttaa vain konservatiivisia voimia, potentiaalienergian ja liike-energian summa on vakio. Eli Epa + Eka = Epl + Ekl. Sen sijaan jos kappaleeseen vaikuttaa ei-konservatiivisia voimia, kuten kitka ja ilmanvastus, mekaniikan energiaperiaate on Epa + Eka +  W = Epl + Ekl.

Lisäksi on muistettava että W > 0, jos ulkoinen voima tekee systeemiin työtä, ja W < 0 jos systeemi tekee työtä ulkoista voimaa vastaan.

Tämmöistä olen siis mietiskellyt ja tehnyt aiheeseen liittyviä laskuja. Huomenna lasken nuo laskut loppuun ja siirrynkin sitten uuteen aiheeseen eli liikemäärään ja sen säilymiseen.