25. Sähkövaraus Atomin rakenne on sähköisesti neutraali. Hangatessa kappaleita, elektroneja siirtyy toiseen kappaleeseen  kappaleet saavat erimerkkiset varaukset. Samanmerkkiset varaukset hylkivät, erimerkkiset varaukset vetävät puoleensa Huom! Muista, että voimanuolet ovat aina yhtä suuret Polarisaatiossa varattu kappale aiheuttaa neutraalin kappaleen ”sähkövarauksen järjestäytymisen”, esim. ilmapallo seinässä.

26. Jännite aiheuttaa sähkövirran Kahden kappaleen välistä varauseroa kutsutaan jännitteeksi (U, yks. voltti, 1 V) Kaikki erot pyrkivät luonnossa tasoittumaan (lämpötila-, paine-, varauserot) Varauseron tasoittuessa elektronit siirtyvät negatiivisesta navasta positiiviseen. Tätä elektronien yhdensuuntaista liikettä kutsutaan sähkövirraksi. Sähkövirta liikkuu parhaiten metalleissa (hyvä johdin), huonosti esim. muovissa (huono johdin, hyvä eriste) Kasvaessaan tarpeeksi suureksi varausero voi purkautua myös ilman johdinta, esim. salama.

27. Jännitteen ja sähkövirran mittaaminen Virtamittari mittaa piirissä kulkevaa virtaa  kytketään siis aina sarjaan. Virtamittarin vastus pitää olla mahdollisimman pieni, jotta mittari vaikuttaa mahdollisimman vähän virran kulkuun. Jännitemittari mittaa laitteen yli tapahtuvaa jännitehäviötä  kytketään rinnan.

28. Lamppu vastustaa sähkövirtaa Kappaleen kykyä vastustaa sähkövirran kulkua sanotaan resistanssiksi (tunnus R, yksikkö ohmi, 1 Ω) johteilla pieni eristeillä suuri Johteen resistanssi on sitä suurempi, mitä pidempi ohuempi johdin on

28. Lamppu vastustaa sähkövirtaa Ohmin lain mukaan sähkövirta on Suoraan verrannollinen jännitteen suuruuteen Kääntäen verrannollinen virtapiirin resistanssiin Eli yhtälön muodossa 𝐼= 𝑈 𝑅 Voidaan kirjoittaa myös U = RI Esim. Kuinka suuri sähkövirta kulkee leivänpaahtimen läpi, kun sen resistanssi on 75 Ω ja käyttöjännite 230 V. Ratk. 𝐼= 𝑈 𝑅 = 230 𝑉 75Ω =3,07A T: n. 3,1 A

28. Lamppu vastustaa sähkövirtaa Kun vastukset kytketään sarjaan, kokonaisvastus on yksittäisten vastusten summa, 𝑅=𝑅1+𝑅2+…+𝑅𝑛, katso esim. 3 s. 192 Kun vastukset kytketään rinnan, kokonaisvastus voidaan laskea yhtälöstä 1 𝑅 = 1 𝑅1 + 1 𝑅2 +…+ 1 𝑅𝑛 Tällöin kokonaisvastus pienenee, katso esim. 5b. s. 193. Kotona laitteet kytketään rinnan. Jokainen laite ottaa oman virtansa, jolloin kokonaisvirta kasvaa. Sulake suojaa virtapiiriä ylikuumenemiselta: kun virta kasvaa liian suureksi, sulake kytkee virran pois.

29. Sähköenergia siirtyy virtapiirissä Sähköenergia on yksi energian olomuoto, joka muuttuu sähkölaitteissa muihin muotoihin, esim. valoksi, ääneksi, liikkeeksi, lämmöksi. Sähköteho (P, eng. power) kertoo yo. muuntumisnopeuden, yksikkö watti, 1 W Sähköteho on suoraan verrannollinen jännitteeseen ja sähkövirtaan, P = UI. Katso esim. 1. s.197 Laitteen käyttämä energia riippuu laitteen tehosta ja tietysti käyttöajasta eli E = Pt

29. Sähköenergia siirtyy virtapiirissä Sähköyhtiöt käyttävät energiayksikkönä kilowattituntia käytännön syistä (1 kWh = 3600000 J) Sähkölaitteen käyttökustannus = käytetty sähköenergia · yksikköhinta Esim. Toni imuroi huoneensa joka päivä. Imurin teho 1300 W ja imurointi vie 10 minuuttia. Laske paljonko Tonin imurointiharrastus maksaa vuodessa, kun sähköenergia maksaa 12 snt/kWh. Ratk. 𝐻𝑖𝑛𝑡𝑎=1,3𝑘𝑊· 1 6 ℎ·365·0,12 € 𝑘𝑊ℎ =9,49€. Useissa sähkölaitteissa on termostaatti, joka säätelee laitteen tomintaa. Esim. lämpöpatterissa termostaatti kytkeytyy päälle ja pois huonelämpötilan mukaan.

31. Kompassin neula on kestomagneetti Magneetin kohtioita kutsutaan pohjois- ja eteläkohtioiksi. Pohjois- ja eteläkohtioita ei voida koskaan erottaa toisistaan (alkeismagneetti) Erinimiset kohtiot vetävät toisiaan puoleensa, samannimiset hylkivät. Kompassin neula näyttää kohti maapallon magneettikentän eteläkohtiota, joka sijaitsee lähellä maantieteellistä pohjoisnapaa. Maapallon magneettikentän suuntaa muuttuu hitaasti ajan saatossa.

31. Kompassin neula on kestomagneetti Magneetti ei tartu kaikkiin kappaleisiin eikä edes kaikkiin metalleihin, vaan ainoastaan kappaleisiin, jotka ovat valmistettu raudasta, koboltista tai nikkelistä (ns. ferromagneetteja). Esim. rautanaula voidaan magnetisoida sivelemällä sitä toisella magneetilla yhdensuuntaisin vedoin. Tällöin alkeismagneetit järjestäytyvät yhdensuuntaisiksi.

32. Sähkömagneetin voimakkuutta Sähkövirta aiheuttaa ympärilleen magneettikentän (muista kompassi ja sähköjohto-työ) Käämi: paljon sähköjohtoa kieputettu kierroksiksi. Käämin jokainen silmukka vahvistaa magneettikenttää  sähkömagneetti

32. Sähkömagneetin voimakkuutta voidaan muuttaa Sähkömagneetin voimakkuutta voidaan kasvattaa lisäämällä Käämin kierroksia Jännitettä (virtaa) Rautasydän Sähkömagneetin etuja verrattuna kestomagneettiin Voimakkuutta voidaan säätää Magneettisuus voidaan helposti poistaa (virta pois) Saadaan voimakkaampia magneetteja Sovelluksia: romunosturit, sähkömoottori, mikrofonit, kaiuttimet jne.

33. Generaattori muuntaa liike-energiaa sähköenergiaksi Sähkövirtaa on ollut tietysti aina, mutta mullistavaa oli, kun sähkövirta saatiin hallintaan (vertaa ukkonen) Miten tuuli, vedenvirtaus tai ydinvoimasta vapautuva lämpö saadaan muutettua sähkövirraksi? Vastaus: Sähkömagneettinen induktio

33. Generaattori muuntaa liike-energiaa sähköenergiaksi Sähkömagneettinen induktio: muuttuva magneettikenttä indusoi lähettyvillä olevaan johtimeen sähkövirran (Michael Faraday v. 1831). Tällaisia laitteita kutsutaan generaattoreiksi (esim. polkupyörän dynamo, veivattava kännykkälaturi, tietysti voimalaitosten isot generaattorit) Indusoituvan sähkövirran suuruutta voidaan kasvattaa lisäämällä Käämin kierroksia Magneetin liikuttelunopeutta Magneetin voimakkuutta Rautasydän Muita sovelluksia: induktioliesi, sähköhammasharjan lataaminen Eli puhuttaessa tuuli-, ydin-, vesivoimasta jne., kyse on vain siitä mikä yo. energialähteistä käämiä pyörittää.

34. Kodin virtapiirit ovat osa Suomen sähköverkkoa Muuntaja muuntaa jännitettä pienemmäksi tai suuremmaksi. Muutos tehdään kahden toisiinsa kytketyn käämin avulla (käämin kierrosten lukumäärän suhde ratkaisee, ks. Seuraava dia) Sähköenergia pysyy samana: jos jännite kasvaa, niin virta pienenee ja toisin päin (eli UI=vakio) Useimmat laitteet sisältävät muuntajan, joka pienentää jännitettä (esim 230 V  12V). Sähköenergia siirretään korkeajännitteisenä (pieni virta  vähemmän lämpöhukkaa)

Muuntajan muuntosuhde on Käämiin tulee vaihtovirtaa, joka indusoi muuttuvan mg-kentän. Muuttuva mg-kenttää välittyy rautasydäntä pitkin toisiokäämiin, jossa muuttuva mg-kenttä indusoi vaihtojännitteen (virran). Vasemmalla puolen on enemmän kierroksia kuin oikealla  jännite pienenee. Muuntajan muuntosuhde on

35. Sähköenergiaa tuotetaan voimalaitoksissa Sähköntuottaminen perustuu aina sm-induktioon (generaattori) Eri energialähteissä on siis kysymys siitä, että ”kuka” pyörittää käämiä magneettien välissä (paitsi aurinkoenergia, joka perustuu valosähköiseen ilmiöön) Uusiutuvat (tuuli, vesi, biomassa, aurinkoenergia) Uusiutumattomat (fossiiliset polttoaineet, ydinenergia)

36. Sähköenergian säästäminen kannattaa Laitteissa sähköenergia muuttuu liikkeeksi (pesukone), valoksi, lämmöksi ja ääneksi (TV, tietokone) Suuria sähkönkuluttajia ovat mm. lämmitys (sähkö), kylmäkoneet, sauna ja lämmin vesi Kodinkoneiden kulutus ja hinta Säästää voidaan mm. välttämällä turhaa kulutusta (suihkussa hengailu, tietokoneen sammuttaminen jne) ja valitsemalla ekologisia lämmitysjärjestelmiä (maalämpö, ilmalämpöpumppu jne). Huomaa sähköntuotannon ympäristövaikutukset: hiilidioksidipäästöt (polttoaineet), ympäristön muokkaaminen (vesi- ja tuulivoima)

37. Kaikki havaittava on ainetta tai säteilyä Kaikki materiaali koostuu atomeista Protonit ja neutronit voidaan jakaa vielä pienempiin osiin, alkeishiukkasiin (elektroni on alkeishiukkanen) Neljä perusvuorovaikutusta Gravitaatio (massat vetävät toisiaan puoleensa) Sähkömagneettinen (sähköilmiöt, atomin koossa pysyminen) Vahva vuorovaikutus (pitää ytimen kasassa huolimatta protonien sähköisestä hylkimisvoimasta) Heikko vuorovaikutus (aiheuttaa raskaiden atomiydinten hajoamisen) Sähkömagneettisen säteilyn käyttö (kuva s. 251)

38. Atomin ydin voi olla radioaktiivinen Isotooppi: saman alkuaineen atomeilla eri määrä neutroneja (eli eri massaluku), esim. Massaluku = protonit + neutronit Puoliintumisaika: Puolet radioaktiivisen isotoopin ytimistä hajonnut toisiksi ytimiksi (vaihtelee sekunneista miljardeihin vuosiin) Ydinsäteily voi olla joko hiukkassäteilyä (heliumydin tai elektroni) tai sähkömagneettista säteilyä Ionisoiva säteily irrottaa atomista elektroneja  ioni (aineen kemialliset ominaisuudet muuttuvat)  terveysvaikutukset Aktiivisuus ilmaisee sekunnissa tapahtuvien hajoamistenn määrän, yksikkö on becquerel ( 1 Bq)

39. Ydinreaktioissa vapautuu energiaa Fuusio: kaksi kevyempää ydintä yhdistyy raskaammaksi (tähdissä) Fissio: Raskas ydin hajoaa kevyemmiksi ytimiksi Käytetään ydinvoimaloissa Polttoaineena uraani Vapautuu neutroneita ja runsaasti energiaa Vapautuva lämpö johdetaan kohti kylmempää ilmaa  liike  generaattori  sähköä Ongelmana ydinjäte (ei muuta saastetta) ja turvallisuusriskit Molemmat ydinreaktiot ovat ketjureaktioita Tulevaisuudessa tavoitellaan fuusioreaktoreita (haasteena sadan miljoonan asteen lämpötila)

40. Ionisoivan säteilyn vaikutus elolliseen luontoon Ionisoiva säteily muuttaa aineen kemiallisia ominaisuuksia  voi aiheuttaa solumuunnoksia  esim. syöpäriski kasvaa Ioni = varauksellinen hiukkanen (esim. atomi luovuttaa tai vastaanottaa elektronin) Käytetään myös hyväksi esim. välineiden sterilisointi, syövän hoito, radioaktiivisia isotooppeja merkkiaineena Kehon sisälle joutuessaan ionisoiva säteily on erittäin vaarallista Esim. ruuan tai hengitysilman mukana

41. Aurinkokunta Aurinkokunta: Aurinko (tähti) ja sitä kiertävät planeetat Kiertoradat ovat hieman litistyneen soikeita ’”Tuikkimattomat tähdet” ovat planeettoja Näkyvät, koska heijastavat Auringon valoa (kuten myös Kuu) Maa on 150 milj. km Auringosta = 1 AU (valolta vie 8 min 20 s) Valovuosi on matka, jonka valo kulkee yhdessä vuodessa (v= 300 000 km/s) Maan kaltaiset planeetat ovat neljä ensimmäistä Auringosta lukien, eli Merkurius, Venus, Maa ja Mars. Maan ilmakehä tasaa vuorokauden vaihtelusta johtuvat lämpötilan vaihtelut  elämän edellytys Pyrstötähti eli komeetta: Aurinkoa kiertävä jäästä ja kivestä koostuva massatiivistymä

42. Maailmankaikkeus on suuri ja vanha Galaksi on tähtikeskittymä, meidän galaksimme on nimeltään Linnunrata (Milky Way) Linnunradan halkaisija on 100 000 valovuotta Linnunradassa on arvioitu oleva satoja miljardeja tähtiä Galaksit muodostavat vielä galaksijoukkoja Tähdet syntyvät ja kuolevat Syntymä: Vetypilvi tiivistyy Lämpötila nousee ja ydinreaktio (fuusio ) käynnistyy (n. 4 milj. astetta) Fuusioituvat alkuaineet loppuvat  tähti paisuu punaiseksi jättiläiseksi  kevyet tähdet luhistuvat valkoisiksi kääpiöiksi ja raskaat tähdet räjähtävät supernovana Supernovaräjähdyksissä syntyy rautaa raskaammat alkuaineet

42. Maailmankaikkeus on suuri ja vanha Alkuräjähdys tapahtui tarkalleen 13,72 miljardia vuotta sitten Alle sekunnin ikäisessä maailmakaikkeudessa oli pelkkää säteilyä Johtuen maailmankaikkeuden nopeasta jäähtymisestä säteilystä muodostui hiukkasia Sekunnin ikäisessä maailmankaikkeudessa olivat kaikkia protonit, neutronit ja elektronit muodostuneet Maailmankaikkeus laajenee jatkuvasti kiihtyvällä tahdilla