Fy3: Sähkö
1. Tasavirta Virtapiirin komponenttien piirrosmerkit Virtapiiriä havainnollistetaan kytkentäkaaviolla
Sähkövirta I Sähkövirran suunta on valittu jännitelähteen plusnavasta miinusnapaan (elektronit kulkevat päinvastaiseen suuntaan). Tasavirta (direct current, DC): sähkövirta kulkee samaan suuntaan. Vaihtovirta (alternating current, AC): virran suunta vaihtuu jaksollisesti. Sähkövirran määritelmä on I = Q Q = johtimen poikkipinnan läpi siirtynyt varaus t = siirtymään kulunut aika t I = Q = 1C t 1s = 1A Komponentin läpi kulkevaa virtaa mitattaessa virtamittari kytketään komponentin kanssa sarjaan. Kirchhoffin I laki: virtapiirissä haarautumaan tulevien sähkövirtojen summa on yhtä suuri kuin haarautumispisteestä lähtevien sähkövirtojen summa I 1 I 3 I 4 I 2 I 5 I 1 + I 2 = I 3 + I 4 + I 5
2. Tasajännite Jännitteen tunnus on U ja yksikkö voltti (V). Kuormittamattoman jännitelähteen jännitettä kutsutaan lähdejännitteeksi. Kuormitetun jännitelähteen jännitettä nimitetään napajännitteeksi. Jännitehäviö on suljetussa virtapiirissä olevan komponentin napojen välinen jännite. Jännitettä mitattaessa jännitemittari kytketään rinnan mitattavan kohteen kanssa (plusnapa plusnapaan, miinusnapa miinusnapaan).
3. Ohmin laki ja resistanssi Ohmin laki: Metallilangan jännitehäviö U on vakiolämpötilassa suoraan verrannollinen siinä kulkevaan virtaan I, eli U = RI Ohmin laki on voimassa metallilangassa vain, jos langan lämpötila pysyy vakiona. Ohmin laki toteutuu vakiolämpötilassa Langan kuumentuessa resistanssi kasvaa (Ohmin laki rikkoutuu) Resistanssi R lasketaan jakamalla vastuksen jännitehäviö U vastuksen läpi kulkevalla sähkövirralla I eli R = U I
4. Resistanssiin vaikuttavat tekijät Metallijohtimen resistanssi riippuu materiaalista (ainekohtainen vakio resistiivisyys ρ) langan pituudesta l langan poikkipinta-alasta A Metallilangan resistanssi on R = ρ l A ρ = aineen resistiivisyys ρ = 1Ωm l = langan pituus A = langan poikkipinta-ala Johtimen lämpötilan kasvaminen kasvattaa myös aineen resistiivisyyttä ja siten johtimen resistanssia (lämpöliike haittaa elektronien liikettä, koska ne törmäilevät enemmän aineen rakenneosiin).
5. Potentiaali Potentiaali ilmaisee virtapiirin pisteiden potentiaalieron verrattuna valittuun nollapotentiaaliin (vertaa gravitaatiopotentiaali). Potentiaalitarkasteluissa jokin piste maadoitetaan eli valitaan maadoituspisteeksi. Potentiaalin tunnus on sama kuin potentiaalieron (jännitteen), eli voltti V.
6. Vastukset Vastuksia käytetään säätelemään virtapiirissä kulkevaa virtaa Vastuksen resistanssi voi olla vakio (vakiolämpötilassa), tai vastus voi säätövastus, jonka resistanssia voidaan säätää jollain välillä. Sarjaankytkentä: vastusten sarjaankytkennässä kokonaisresistanssi R on R = R 1 + R 2 + + R n R 1 R 2 R n Rinnankytkentä: vastusten rinnankytkennässä kokonaisresistanssi R saadaan yhtälöstä 1 R = 1 R 1 + 1 R 2 + + 1 R n R 1 R 2 R n
7. Sähköteho ja energian kulutus Laitteen sähköteho P on suoraan verrannollinen laitteen jännitehäviöön U ja laitteen läpi kulkevaan sähkövirtaan I: P = UI Yhdistämällä Ohmin laki U = RI (R = laitteen resistanssi) ja laitteen sähkötehon yhtälö, saadaan Joulen laki P = RI 2 P = 1W = 1 watti Tehon määritelmästä (P = E ) saadaan sähkölaitteessa muuntuneen t energian suuruus, kun P on laitteen sähköteho ja t on laitteen käyttöaika: E = Pt Sähkölaitteiden energiankulutusta ja sähkön hintaa ilmoitettaessa energian yksikkönä käytetään usein kilowattituntia: 1kWh = 1000W 3600 s = 3600000J = 3,6MJ
8. Pariston kuormituskäyrä ja paristojen kytkennät Kuormitetun pariston napojen välistä jännitettä sanotaan napajännitteeksi U. Kuormittamattoman pariston napojen välistä jännitettä sanotaan lähdejännitteeksi E. Pariston kuormituskäyräksi kutsutaan kuormitetun pariston napajännitettä kuvaavaa I, U koordinaatiston kuvaajaa, jonka yhtälö on U = E R s I Pariston sisäinen resistanssi voidaan merkitä myös piirrosmerkkiin.
Virtapiirilaskujen suoritusvaiheet 1. Valitse kytkentäkaavioon virtojen suunnat, jos niitä ei ole merkitty. Jos lopussa saat jostain virrasta negatiivisen on suunta valitun vastainen. 2. Valitse virtapiirin tarkastelusuunta myötä- tai vastapäivään joka silmukalle erikseen. Yleensä kannattaa kiertää silmukat oletettujen virtojen suuntien myötäisesti. 3. Kierrä silmukat lähtien valitusta pisteestä (esim. maadoituspiste). Kirjoita Kirchhoffin II lain (potentiaalitarkastelu) mukainen yhtälö tarvittavalle määrälle silmukoita. 4. Käytä Kirchhoffin I lakia (virran säilyminen) johtimen haarautumiskohdissa. 5. Kunkin komponentin jännitehäviö saadaan Ohmin lain avulla.