Sähkövirta
Kun avaat hanan, vesi alkaa virrata. Veden määrän voidaan ilmoittaa vaikkapa litroina minuutissa. Kun kytket valot, lamppu syttyy, koska sähkövirta kulkee johdoissa. Sähkövirran suuruus ilmoitetaan ampeereina (A) .
Sähkövirta on elektronien liikettä johdoissa. Jotkut aineet päästävät sähkövirran helposti lävitseen, koska niissä on paljon vapaita elektroneja. Tällaisia aineita kutsutaan johteiksi. Hyviä johteita ovat kaikki metallit, suolavesi, hiili, yms. Eristeitä taas ovat muovit, kumit, tislattu vesi, kiille, jne. Näiden ääripäiden välissä ovat puolijohteet, mm. pii ja germanium, joiden johtavuus riippuu olosuhteista.
Kaikki sähkövirrat eivät ole samanlaisia, sillä joissain tilanteissa on parempi, että sähkövirran suunta vaihtelee. Tällaista virtaa kutsutaan vaihtovirraksi ja se lyhennetään kirjaimilla AC tai merkillä ~ . Tasavirrassa virran suunta pysyy samana ja se lyhennetään kirjaimilla DC tai merkillä =. Tasavirtaa saadaan paristoista ja akuista, pistorasiasta saatava virta on vaihtovirtaa.
Jännite
Paine saa veden virtaamaan putkistossa. Sähkövirran saa kiertämään jännite. Jännitteen suuruus mitataan voltteina (V). Paristoista ja akuista saadaan tasajännitettä, pistorasiasta vaihtojännitettä. Jo muutaman kymmenen voltin suuruinen jännite voi olla hengenvaarallinen! Pistorasiassa vaikuttaa 230 voltin suuruinen jännite, jota kutsutaan myös verkkojännitteeksi (verkkovirraksi).
Resistanssi
Kapeampi kohta putkistossa vastustaa vesivirtaa. Samoin sähköjohdossa oleva laite, esim. lamppu vastustaa sähkövirtaa. Sähkövirran vastustusta kutsutaan resistanssiksi ja sen suuruus ilmoitetaan ohmeina (Ω).
Ohut lanka vastustaa sähkövirtaa enemmän kuin paksu, samoin pitempi johdin vastustaa virtaa enemmän kuin lyhyt. Tietysti resistanssin määrä riippuu myös aineesta.
Nyt otamme eteemme kaikki T1-kysymykset. Katso muutama alkupään kysymys!
Â
Kohti Ohmin lakia
Jos lisäät vesiputkistoon vastustusta ohentamalla putkia, piirissä kiertävän veden määrä pienenee. Jos taas lisäät painetta, veden määrä kasvaa. Kiertävän veden määrä siis riippuu sekä vastustuksesta että paineesta. Samoin on sähkövirran kanssa: jos lisäät resistanssia sähkövirran määrä vähenee, jos lisäät jännitettä virta kasvaa. Virran suuruus riippuu siis sekä jännitteestä että resistanssista.
Jos jännitteen ja resistanssin suuruudet tunnetaan, sähkövirta voidaan laskea kaavasta
virta = jännite : resistanssi
Edellä olevasta kaavasta voidaan laskea myös jännite tai resistanssi, jos kaksi muuta suuretta tunnetaan:
Â
jännite = resistanssi x virta
resistanssi = jännite : virta
Nämä kaavat esitetään usein seuraavan kolmion avulla
Kolmio toimii seuraavasti: peitä sormella tuntematon suure, niin saat kaavan sen laskemiseksi!
Esimerkki: Kuinka suuri virta kiertää leivänpaahtimen langoissa, kun laite kytketään 230 voltin jännitteeseen ja laitteen lankojen resistanssi on 77 ohmia?
Ratkaisu: Tehtävänä on laskea sähkövirran suuruus. Peitetään se kolmiosta, jolloin saadaan kaava
virta = jännite : vastus eli
virta = 230 volttia : 77 ohmia eli
virta = 2,987... = 3 ampeeria
Harjoittelun paikka! Katso T1-moduulin kysymyksistä vaikka 01069 - 01074!
Â
Yksi ohmi on hyvin pieni vastustus. Resistanssi voi olla 1000 ohmia tai 1 000 000 ohmia. Yksi ampeeri on melko suuri virta. Virrat voivat olla myös 0,001 ampeerin tai 0,000 001 ampeerin suuruisia. Emme pidä epämääräisistä nollista :), joten otetaan käyttöön seuraavat merkinnät:
M = miljoona = 1 000 000 k = tuhat = 1000 milli = tuhannesosa = 0,001 mikro = miljoonasosa = 0,000 001
Esimerkki: Sähkövirran suuruus on 20 mA ja resistanssi on 40 kΩ. Laske jännitteen suuruus.
Ratkaisu: Kysytään jännitettä. Kolmiosta saadaan
jännite = virta x resistanssi eli
jännite = 20 mA x 40 kΩ eli
jännite = 0,02A x 40 000 Ω
jännite = 800 volttia!
Vastusten kytkennät
Resistansseja eli vastuksia voidaan kytkeä peräkkäin eli sarjaan. Tällöin kokonaisvastus saadaan laskemalla vastukset yhteen.
Jos esimerkiksi 150 ohmin ja 300 ohmin vastukset kytketään sarjaan, saadaan yhteensä 450 ohmin vastus.
Vastuksia voidaan kytkeä myös rinnakkain eli rinnan. Tällöin kokonaisvastus R saadaan laskettua hienolla kaavalla ;)
Jos esimerkiksi kytket 150 ohmin ja 300 ohmin vastukset rinnan, saadaan kokonaisvastus laskettua kaavalla
Tulos on siis 100 ohmia. Rinnankytkennässä lopputulos on aina pienempi kuin yksittäiset vastukset.
Â
Virtalähteiden kytkennät
Paristoja ja akkuja voidaan myös kytkeä sarjaan tai rinnan.
Jos paristoja kytketään sarjaan, kytkennästä saatava jännite nousee. Jos kolme 1,5 voltin paristoa kytketään sarjaan, kytkennästä saadaan 4,5 voltin jännite! Tätä käytetään hyväksi mm. taskulampuissa.
Jos taas paristoja kytketään rinnan, jännite ei nouse, mutta kuormitettavuus nousee eli kytkennästä voidaan ottaa enemmän virtaa kuin yhdestä yksittäisestä paristosta.
Katso kysymykset 01035 ja 01036.
Â
Varauskyky
Akun varauskyky ilmoitetaan ampeeritunteina (Ah). Yksinkertaisesti ilmaistuna tavallisen henkilöauton 64 Ah:n akusta voidaan ottaa 1 A:n virtaa 64 tuntia, 2 A:n virtaa 32 tuntia, jne.
Paristojen kokoisten sormiakkujen varauskyky voi olla luokkaa 2000 mAh eli 2 Ah.
Jos kytketään rinnan neljä kappaletta 1,5 voltin sormiakkuja, joiden varauskyky on 2 Ah, kytkennästä saatava jännite on edelleen 1,5 voltttia, mutta varauskyky on 8Ah!
Jos taas samat sormiakut kytketään sarjaan, kasvaa kytkennästä saatava jännite 6 volttiin, mutta varauskyky säilyy 2 Ah:ssa.
Katso kysymykset 01033 ja 01034.
Â
Sähköteho
100 watin lamppu loistaa tehokkaammin kuin 60 watin lamppu. Lampun teho ilmoitetaan watteina (W). Sähköteho lasketaan kaavalla teho = jännite x virta
Esimerkki: Pöytälamppu käyttää 230 voltin jännitettä ja siinä kiertää 0,26 ampeerin suuruinen virta. Laske lampun teho.
Ratkaisu: teho = 230V x 0,26A = 60 W
Â
Vaikea esimerkki: 100 ohmin vastuksen yli vaikuttaa 12 voltin jännite. Kuinka suuri tehohäviö vastuksessa syntyy?
Ratkaisu: Tehohäviö tarkoittaa vastuksessa lämmöksi muuttuvaa tehoa eli lasketaan normaalisti teho. Ongelmana on se, ettei tehtävässä anneta virran suuruutta. Niinpä joudumme laskemaan ensin virran. Muistikolmiosta saadaan virta = jännite / vastus eli virta = 12V / 100 Ω = 0,12 A
teho = 12V x 0,12A = 1,44W.
Â
Polkupyörän dynamo ja sähkövoimaloiden generaattorit tuottavat vaihtovirtaa (AC), jossa virran suunta vaihtelee. Tällaisen virran saa aikaan vaihtojännite.
Pistorasiasta saatavan vaihtojännitteen suuruus vaihtelee ns. sinikäyrän mukaisesti:
Jännitteen suuruus vaihtelee 325 voltista -325 volttiin. Huippujen ero on 650 volttia! Tällaista jännitettä kutsutaan 230 voltin jännitteeksi, koska esim. lamppu loistaa yhtä kirkkaasti 230 voltin tasajännitteellä kuin tällaisella vaihtojännitteellä. Pistorasiassa vaikuttavan vaihtojännitteen tehollisarvo on 230 volttia.
Tehollisarvosta voidaan laskea huippujännite kertoimella 1,41. Jos siis tehollisarvo on vaikka 50V, huippujännite on 1,41 x 50V = n. 70V. (Oikea kerroin on itseasiassa neliöjuuri 2 = √2 = 1,4142...)
Vaihtojännitteen sinikäyrää ja huippujännitteitä voi katsella esim. oskilloskoopilla.
Â
Muuntaja
Vaihtojännitettä voidaan suurentaa tai pienentää muuntajalla, joka muodostuu rautasydämestä ja siihen kierretyistä kuparilangoista eli käämeistä. Muuntaja toimii ainoastaan vaihtojännitteellä.
Muuntajan sisäänmenopuolta kutsutaan ensiöksi ja ulostulopuolta toisioksi. Ulostulevan jännitteen suuruuden määrää ensiö-ja toisiopuolten käämien kierrosten suhde.
Jos ensiöpuolen käämissä on esimerkiksi 4000 kierrosta ja toisiopuolen käämissä 500 kierrosta, on kierrosten suhde = 4000/500 = 8.
Jännitteiden suhde on sama kuin kierrosten suhde. Jos muuntajan ensiössä vaikuttaa 230 voltin jännite, toisiojännite = 230V/8 = 28,75 volttia.
Muuntajan toisiossa voi olla myös keskiulosotto, jonka avulla toisiojännite saadaan puolitettua.
Tehtävä: Muuntajan ensiöjännite on 230 volttia ja toisiojännite 24 volttia. Toisiokäämissä on 167 kierrosta. Laske ensiökäämin kierrosten lukumäärä.
Ratkaisu: Jännitteiden suhde on 230V/24V = 9,6. Niinpä kierrosmäärien suhteenkin täytyy olla 9,6. Ensiökäämissä on siis 9,6 x 167 = n. 1600 kierrosta.
Muuntajassa häviää hieman tehoa mm. lämmöksi, mutta käytännössä muuntaja oletetaan häviöttömäksi, joten tehot ensiö ja toisiopuolella ovat yhtäsuuret.
Muuntajan tehonkeston määrää rautasydämen poikkileikkauksen pinta-ala. Niinpä muuntajat, joista otetaan paljon virtaa ovat suuria ja painavia. Esim. tietokoneissa käytetäänkin hakkurivirtalähteitä, joissa ei ole perinteisiä muuntajia.
Â
Mittaaminen
Yleismittarilla voidaan mitata mm. virtaa (A), jännitettä (V) ja resistanssia (O). Niinpä tätä mittaria kutsutaan myös AVO -mittariksi. Mittareita on kahta päätyyppiä: digitaaliset eli numeronäytölliset ja analogiset eli viisarinäytölliset.
Kumpikaan tyyppi ei ole toistaan parempi, digitaalista on nopeampi lukea, analoginen sopii ehkä paremmin nopeiden vaihteluiden (ääriarvojen) mittaamiseen.
Jännite mitataan kytkemällä mittari rinnan.
Jännitealueella mittarin vastus on suuri, jotta itse mittari ei vaikuttaisi tulokseen.
Virta mitataan kytkemällä mittari sarjaan.
Jos virtamittarin asteikko ei riitä virtamittausalueella, asia voidaan kiertää ns. sivu-eli shunttivastuksella: annetaan virran kulkea myös pienen vastuksen läpi ja mitataan vastuksessa vaikuttava jännite ja lasketaan virta.
Ennen piirilevyllä olevien vastusten yms. mittauksia täytyy sähköt tietysti katkaista laitteesta.
Taajuusmittarilla voidaan mitata moduloimattoman kantoaallon taajuus tarkasti.
Lähettimestä lähtevän virran mittaus on hankalaa, mutta eräs keino on mitata lähetyksen aikaansaama lämpö lämpö- eli termistorimittarilla.
Oskilloskooppi näyttää kuvaruudullaan jännitteen muodon. Tästä käyrästä voidaan mitata jännitteen suuruus ja sen taajuus.
Kysymyksestä 08001 eteenpäin!
Â
