Stationery
minispir
Sähköoppi
Sähköiset ja magneettisetvuorovaikutukset sekä sähköenergiansiirtokeinona.
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
2
Sähkövaraus
4Pienintä sähkövarausta kutsutaanalkeisvaraukseksi.
Elektronin varaus negatiivinen ja yhdenalkeisvarauksen suuruinen.
Protonin varaus positiivinen ja samansuuruinen
4Elektronit eivät ole niin sidottujakappaleeseen kuin protonit, joten ne voivatsiirtyä kappaleesta toiseen ja saada aikaankappaleiden varautumisen.
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
3
Hankaussähkö
Kappale varautuu hankauksessa. Elektronejasaanut kappale saa negatiivisen varauksen jaluovuttanut kappale positiivisen varauksen.
Kahden kappaleen sähköisten tilojen ero pyrkiitasoittumaan, jolloin niiden välille saattaasyntyä kipinäpurkaus. Tällöin elektronitsiirtyvät kappaleesta toiseen ja sähköistentilojen ero häviää.
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
4
Sähköinen vuorovaikutus
4Sähköinen vuorovaikutus voigravitaatiovuorovaikutuksesta poiketenilmetä sekä veto- että poistovoimana.
4Samanmerkkiset varaukset hylkivät toisiaanja erimerkkiset vetävät toisia puoleensa.
4Varattu kappale voi olla vuorovaikutuksessamyös alun perin neutraalin kappaleenkanssa polarisaation vuoksi.
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
5
Polarisaatio
Negatiivisesti varautunut kalvo hylkiipaperinpalassa olevia elektroneja,jolloin kalvonpuoleinen pää paperistajää positiivisesti varatuksi
 vetovoima.
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
6
Jännite ja sähkövirta
4Sähköisen tilan eroa kutsutaan jännitteeksi.
esim. hangatun ja neutraalin kalvon välillä
Jännitteen yksikkö on voltti (1V)
4Sähköisten tilojen ero tasoittuu elektroniensiirtyessä. Tästä virtauksesta käytetäännimitystä sähkövirta.
Sähkövirran yksikkö on ampeeri (1A)
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
7
Virtalähde
4Virtalähde on laite, joka ylläpitääsähkövirtaa virtapiirissä synnyttämällävirtalähteen napojen välille jännitteen.
esim. paristo
+-
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
8
Suljettu virtapiiri
4Suljettu virtapiiri on sähkövirran kulkureitti,jonka muodostavat johtimet, paristot jalamput tai muut sähkölaitteet.
Pariston napojen välinen jännite pyrkii tasaan-tumaan sähkövirran avulla. Tällöin sähkövirtasaa napojen väliin kytketyn lampunhehkumaan.
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
9
Johteet ja eristeet
4Johde on aine, jossa sähkövirta pääseeliikkumaan vapaasti.
metallit
4Eristeissä sähkövirta ei kulje.
muovi, kumi, posliini,...
4Sähköä johtavia nesteitä sanotaanelektrolyyteiksi
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
10
Piirrosmerkeistä
4Piirrosmerkit helpottavat virtapiirienpiirtämistä ja tulkitsemista.
4Piirrosmerkkien avulla esitetystäkytkennästä eli virtapiiristä käytetäännimitystä kytkentäkaavio.
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
11
Yleismittarin käyttö
4Mitattaessa käytetään ensin suurintamittausaluetta.
4Tarvittaessa voidaan valita herkempimittausalue.
4Sähkövirtaa ei saa koskaan mitata suoraanvirtalähteen navoista.
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
12
Jännitteen mittaaminen
4Jännitemittarilla voidaan mitata virtalähteennapojen välinen jännite tai virtapiirissäolevan komponentin aiheuttamajännitehäviö.
4Mitattaessa jännitemittari kytketään paristontai sähkölaitteen rinnalle.
V
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
13
Virran mittaaminen
4Mitattaessa virtapiirissä kulkevan virransuuruutta virtamittari kytketään osaksivirtapiiriä siten, että mitattava virta kulkeemittarin läpi.
A
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
14
Paristojen rinnan kytkentä
4Rinnan kytkennässä paristojensamanmerkkiset navat on yhdistetty. Toisetparistot on siis kytketty alkuperäisenpariston rinnalle.
4Kokonaisjännite rinnan kytkennässä onsama kuin yksittäisen pariston jännite.
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
15
Paristojen sarjaan kytkentä
4Sarjaan kytkennässä paristojen erimerkkisetnavat on yhdistetty kytkemällä paristotperäkkäin
4Sarjaan kytkettyjen paristojen muodostamakokonaisjännite on yksittäisten paristojenjännitteiden summa.
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
16
Lamppujen kytkennät
4Lamppu vastustaa virran kulkua.
4Sarjaan kytketyt lamput aiheuttavat sitäsuuremman vastuksen mitä useampi lamppukytkennässä on.
Piirissä kulkee pienempi virta.
4Rinnan kytkennässä jokaisen lampun läpipääsee sama virta.
Kokonaisvirta piirissä kasvaa.
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
17
Resistanssi
4Resistanssi kuvaa komponentin (esim. lampun,johtimen tai vastuksen) sähkövirran kulkuavastustavaa ominaisuutta.
4Jos komponentti vastustaa paljon sähkövirrankulkua, sillä on suuri resistanssi.
4Jos komponentti päästää sähkövirran kulkemaanhelposti lävitseen, sillä on pieni resistanssi.
4Resistanssin tunnuksena käytetään R-kirjainta jayksikkönä on Ω. (ohmi)
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
18
Resistanssin suuruus
4Komponentin resistanssin (R) suuruusvoidaan määrittää mittaamalla komponentinläpi kulkeva sähkövirta (I) sekäkomponentissa tapahtuva jännitehäviö (U).
4R = U / I
4Jännitehäviö siis jaetaan sähkövirransuuruudella.
4Esim. R = 12V / 0,4A = 30Ω
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
19
Vastus
4Komponentti, jota käytetään sähkövirranpienentämiseen virtapiirissä.
4Vastuksen resistanssi ei muutu sähkövirransuuruuden mukaan, vaan on aina sama.
vastus
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
20
Vastusten sarjaan kytkentä
4Kytkettäessä useampia vastuksia sarjaan(peräkkäin), ne vastustavat sähkövirrankulkua enemmän ja sähkövirta piirissäpienenee. (kuten lampuilla)
4Kokonaisresistanssi saadaan selville, kunlasketaan resistanssit yhteen. (alla 550Ω)
vastus-sarja
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
21
Vastusten rinnan kytkentä
4Kytkettäessä vastukset rinnakkain, saadaansähkövirralle kaksi reittiä, joita molempia pitkin sevoi kulkea.
4Kahta reittiä käytettäessä virtapiirissä voi kulkeasuurempi virta, joten rinnan kytkennässäkokonaisvirta kasvaa.
4Kokonaisresistanssin käänteisluku saadaanlaskemalla resistanssien käänteislukujen summa.
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
22
Vastusten rinnan kytkentä
4Kokonaisresistanssin käänteisluku saadaanresistanssien käänteislukujen summana
4Eli kokonaisresistanssi saadaan siis
vastus-rinnan
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
23
Sähkövirta energian siirrossa
4Energiaa voidaan tuottaa kaukana senkulutuspaikasta, koska energian siirto onmahdollista johtimia pitkin sähkövirranavulla.
4Pitkillä siirtomatkoilla pitää käyttää suuriajännitteitä, jotta energiahäviö (lämpö)saadaan mahdollisimman pieneksi.
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
24
Sähkölaitteen käyttämä energia
4Sähkölaitteen energiankulutus (tunnus E)riippuu sekä sähkövirran suuruudesta ettälaitteen käyttöjännitteestä.
4Sähkölaitteen energiankulutukseenvaikuttaa myös laitteen käyttöaika.
4E=UIt
4Energiankulutusta laskettaessa aikasekunteina! => Energian yksikkö J (joule)
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
25
Sähkölaitteen teho
4Teho (tunnus P) lasketaan kuten mekaniikanyhteydessä siirtyneen energian määränä tietyssäajassa.
4Sijoittamalla tehon yhtälöön E=UIt, saadaan
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
26
Sähkölaitteen teho
4Yhtälöstä P=UI voidaan muistikolmion avullahelposti ratkaista mikä tahansa kolmestasuureesta, jos kaksi tunnetaan.
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
27
Kulutettu energia sähkölaskussa
4Sähkölaskussa kulutetun energian määrä onilmoitettu kilowattitunteina (kWh).
4Kulutetun energian määrä kilowattitunteinalasketaan myös kaavalla E=UIt=Pt, muttateho merkitään kilowatteina (tuhansinawatteina) ja aika tunteina.
4Laskun suuruus määräytyy kulutetunenergian ja energian yksikköhinnan avulla.
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
28
Kestomagneetti
4Kiinalaisten tiedetään käyttäneenmagneettisesta rautamalmista valmistettuaalkeellista kompassia jo 1000-luvulla.
4Magneettisten kappaleiden välillä onmagneettinen etävuorovaikutus, jonkaansiosta kompassin neulakin kääntyy ainapohjoista kohti.
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
29
Kompassi
4Kompassin neula, joka on kestomagneetti,pyrkii aina asettumaan pohjois-etelä-suuntaan.
4Kompassin, kuten muidenkinkestomagneettien pohjoiseen kääntyvääpäätä sanotaan pohjois- eli N-kohtioksi
4Etelään kääntyvää päätä sanotaan etelä- eliS-kohtioksi (tai navaksi).
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
30
Magneettiset vuorovaikutukset
4Kestomagneetin samannimiset kohtiothylkivät toisiaan.
4Kestomagneetin erinimiset kohtiot vetävättoisiaan puoleensa.
4Kestomagneetit ovat vuorovaikutuksessamyös magneettisten aineiden, kutenraudan, nikkelin ja koboltin kanssa. Niidenvälillä on vetovoima.
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
31
Magneettikenttä
4Magneetit ovat vuorovaikutuksessatoistensa kanssa magneettikentänvälityksellä.
4Magneettikenttää kuvataan kenttäviivoilla,jotka alkavat eteläkohtiosta ja päättyvätpohjoiskohtioon.
4Maan magneettikentän arvellaan aiheutuvansulan raudan liikkeestä maan sisällä.
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
32
Rautakappaleen magnetoiminen
4Rautakappale voidaan magnetoida sivelemällä sitäkestomagneetilla yhdensuuntaisin vedoin.
4Jos magnetoitu rautakappale katkaistaan, saadaankaksi magneettia, joissa molemmissa on sekäpohjois- että etelänavat
4Rautakappaleen magneettisuuden voi poistaatakomalla tai kuumentamalla.
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
33
Sähkövirta aiheuttaamagneettikentän
4Kun virtajohtimessa laitetaan kulkemaansähkövirta, johtimen ympärille syntyymagneettikenttä.
4Johtimen ympärillä magneettikentän kenttäviivatovat ympyröitä.
4Jos oikealla kädellä tarttuu johtimesta kiinni siten,että peukalo osoittaa sähkövirran kulkusuuntaan,niin magneettikentän suunta on muiden sormienosoittamaan suuntaan.
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
34
Käämi
4Kun johdin pyöräytetään ympyrän muotoiseksi,saadaan silmukan sisälle magneettikenttä, jonkasuunta on kohtisuoraan silmukan läpi
4Kun johdin kierretään useammalle silmukalle,saadaan voimakkaampi magneettikenttä.
4Tällaisesta rullatusta johtimesta käytetään nimeäkäämi.
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
35
Sähkömagneetin voimakkuus
4Käämin kierrosten lukumäärää lisäämälläsaadaan sähkömagneettia voimistettua.
4Mitä suurempi sähkövirta johtimessakulkee, sitä voimakkaammanmagneettikentän se aiheuttaa.
4Sähkömagneetin voimakkuutta voidaankasvattaa myös lisäämällä käämin sisäänrautasydän.
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
36
Sähkömagneetin sovelluksia
4Sähkömoottori
4Kaiutin, mikrofoni
4Soittokellot, releet
4Kuvaputket, (tv, tietokone)
4Video- ja kasettinauhojen tallennus
4Muuntajat (ks. kappale 8)
4Magneettijarrut, nosturit,…
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
37
Liike sähkövirraksi
4Muuttuva magneettikenttä aiheuttaa eli indusoikäämiin jännitteen.
4Käämiin indusoituvan jännitteen suuruuteenvaikuttavat käämin kierrosten lukumäärä,magneetin voimakkuus ja liikuttelunopeus sekärautasydän.
4Indusoitunut jännite synnyttää sähkövirran, kunkäämi laitetaan osaksi suljettua virtapiiriä
4Mekaanisesta energiasta voidaan tuottaasähkövirtaa generaattorilla.
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
38
Generaattori
4Generaattorissa käämi eli ankkuri pyöriikahden tai useamman kestomagneetin välissä,jolloin niiden aiheuttama magneettikenttämuuttuu koko ajan käämin suhteen.
4Ankkurin päiden välille syntyy vaihtojännite,joka aiheuttaa vaihtovirran, kun käämin päätkytketään virtapiiriin.
4Polkupyörän dynamokin on generaattori.
4Suuria generaattoreita käytetään voimalaitoksissa.
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
39
Generaattorin tuottama jännite
4Generaattorin tuottama jännite onvaihtojännitettä, eli sen suuruus janapaisuus muuttuu jaksollisesti.
Aika
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
40
Vaihtojännite ja vaihtovirta
4Vaihtojännitteen taajuus kertoo sekunnissa olevienjaksojen määrän.
4Yhdessä jaksossa napaisuus vaihtuu kahdesti,joten vaihtojännitteen aiheuttaman vaihtovirransuunta muuttuu myös kahdesti jakson aikana.
4Pistorasiassa vaihtojännitteen taajuus on 50Hz,joten sen aiheuttama vaihtovirta muuttaasuuntaansa 100 kertaa sekunnissa.
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
41
Vaihtojännitteen muuntaminen
4Suojajännitteellisetsähkölaitteet toimivatpienellä jännitteellä,joten niille tarvitaanmuuntaja. Muuntajamuuttaa 230Vverkkojännitteenpienemmäksi.
kaam
4Muuntaja koostuu kahdesta eri kokoisestakäämistä ja niitä yhdistävästä rautasydämestä.
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
42
Muuntajan toiminta
1.Ensiökäämissä kulkevavaihtovirta synnyttäärautasydämeenmuuttuvanmagneettikentän.
2.Rautasydämenmuuttuvamagneettikenttä indusoitoisiokäämiinvaihtojännitteen, jokasaa aikaan toisiopuolenvaihtovirran.
Image:Muuntaja3d.svg
minispir
Sähköoppia ©HO 2001-2007
43
Muuntajan toiminta
4Ideaalisen muuntajanvaihtojännitteenmuuntosuhde on suoraanverrannollinen käämienkierrosten lukumäärään.
4Käytännössä aivan yhtähyviin muuntosuhteisiin eipäästä, sillä osa energiastamuuttuu lämmöksi.