Sähköenergia FY6. 1. Sähkövaraus Sähkövaraus on kappaleen ominaisuus Sähkövaraus on kappaleen ominaisuus Sähkövarauksen tunnus on Q ja yksikkö coulombi.

Esitys aiheesta: "Sähköenergia FY6. 1. Sähkövaraus Sähkövaraus on kappaleen ominaisuus Sähkövaraus on kappaleen ominaisuus Sähkövarauksen tunnus on Q ja yksikkö coulombi."— Esityksen transkriptio:

1 Sähköenergia FY6

2 1. Sähkövaraus Sähkövaraus on kappaleen ominaisuus Sähkövaraus on kappaleen ominaisuus Sähkövarauksen tunnus on Q ja yksikkö coulombi (C) Sähkövarauksen tunnus on Q ja yksikkö coulombi (C) Sähkövarauksia on kahdenlaisia, positiivisia ja negatiivisia Sähkövarauksia on kahdenlaisia, positiivisia ja negatiivisia Hohtolampussa välähtää kappaleen varauksen puoleinen kohtio, jos varaus on negatiivinen Hohtolampussa välähtää kappaleen varauksen puoleinen kohtio, jos varaus on negatiivinen Sähköinen voima paljastaa varauksen Sähköinen voima paljastaa varauksen Samanmerkkiset varaukset hylkivät toisiaan ja erimerkkiset vetävät toisiaan puoleensa Samanmerkkiset varaukset hylkivät toisiaan ja erimerkkiset vetävät toisiaan puoleensa 1

3 1. Sähkövaraus Pienin tunnettu sähkövaraus on luonnonvakio nimeltään alkeisvaraus e = 1,6 ∙ 10 -19 C Pienin tunnettu sähkövaraus on luonnonvakio nimeltään alkeisvaraus e = 1,6 ∙ 10 -19 C Elektronin ja protonin varaukset ovat suuruudeltaan alkeisvarauksen suuruisia Elektronin ja protonin varaukset ovat suuruudeltaan alkeisvarauksen suuruisia Neutraalin kappaleen muuttuminen sähköiseksi (eli varautuminen) selitetään siirtyvien elektronien avulla Neutraalin kappaleen muuttuminen sähköiseksi (eli varautuminen) selitetään siirtyvien elektronien avulla Kappale, johon tulee elektroneja saa negatiivisen varauksen Kappale, johon tulee elektroneja saa negatiivisen varauksen Kappale, joka menettää elektroneja, saa positiivisen sähkövarauksen Kappale, joka menettää elektroneja, saa positiivisen sähkövarauksen 2

4 1. Sähkövaraus Varatun kappaleen lähellä neutraalin kappaleen varaukset jakautuvat eli polarisoituvat Varatun kappaleen lähellä neutraalin kappaleen varaukset jakautuvat eli polarisoituvat Aineita, jotka polarisoituvat, kun niiden muotoa muutetaan, sanotaan pietsosähköisiksi aineiksi, esim. kvartsi. Aineita, jotka polarisoituvat, kun niiden muotoa muutetaan, sanotaan pietsosähköisiksi aineiksi, esim. kvartsi. Kahden eri tavoin varautuneen kappaleen välillä on sähköisen tilan ero Kahden eri tavoin varautuneen kappaleen välillä on sähköisen tilan ero Tällöin niiden välille voi syntyä kipinäpurkaus Tällöin niiden välille voi syntyä kipinäpurkaus Kipinäpurkauksessa siirtyy elektroneja kappaleesta toiseen, jolloin sähköisen tilan ero häviää Kipinäpurkauksessa siirtyy elektroneja kappaleesta toiseen, jolloin sähköisen tilan ero häviää 3

5 2. Virtapiiri Virtapiiri on sähkövirran kulkureitti Virtapiiri on sähkövirran kulkureitti Pariston napojen välillä on sähköisen tilan ero, jota kutsutaan jännitteeksi Pariston napojen välillä on sähköisen tilan ero, jota kutsutaan jännitteeksi Kemialliset reaktiot paristossa synnyttävät jännitteen Kemialliset reaktiot paristossa synnyttävät jännitteen Pariston toista napaa kutsutaan negatiiviseksi, toista positiiviseksi navaksi Pariston toista napaa kutsutaan negatiiviseksi, toista positiiviseksi navaksi Jännitteen tunnus on U ja yksikkö voltti (V) Jännitteen tunnus on U ja yksikkö voltti (V) 4

6 2. Virtapiiri Kun pariston navat yhdistetään johtimella, pariston sähköisen tilan ero pyrkii tasoittumaan ja elektroneja alkaa kulkea johtimessa Kun pariston navat yhdistetään johtimella, pariston sähköisen tilan ero pyrkii tasoittumaan ja elektroneja alkaa kulkea johtimessa Kemialliset reaktiot paristossa ylläpitävät napojen välistä jännitettä ja saavat siten aikaan jatkuvan elektronien liikkeen johtimessa, jota kutsutaan sähkövirraksi Kemialliset reaktiot paristossa ylläpitävät napojen välistä jännitettä ja saavat siten aikaan jatkuvan elektronien liikkeen johtimessa, jota kutsutaan sähkövirraksi Sähkövirran suunta on sovittu elektronien liikesuunnan vastaiseksi Sähkövirran suunta on sovittu elektronien liikesuunnan vastaiseksi Sähkövirran tunnus on I ja yksikkö on ampeeri (A) Sähkövirran tunnus on I ja yksikkö on ampeeri (A) Virtapiirissä kulkevalla sähkövirralla siirretään energiaa Virtapiirissä kulkevalla sähkövirralla siirretään energiaa 5

7 2. Virtapiiri Laitteille ja komponenteille on kehitetty yksinkertaisia piirrosmerkkejä, joiden avulla esitettyä kytkentää sanotaan kytkentäkaavioksi Laitteille ja komponenteille on kehitetty yksinkertaisia piirrosmerkkejä, joiden avulla esitettyä kytkentää sanotaan kytkentäkaavioksi 6 A

8 2. Virtapiiri Johteiksi sanotaan aineita, joissa sähkövirta voi kulkea Johteiksi sanotaan aineita, joissa sähkövirta voi kulkea Eristeissä sähkövirta ei puolestaan kulje Eristeissä sähkövirta ei puolestaan kulje Elektrolyyteiksi sanotaan nesteitä, jotka johtavat sähkövirtaa Elektrolyyteiksi sanotaan nesteitä, jotka johtavat sähkövirtaa Aineiden sähköiset ominaisuudet ovat riippuvaisia myös olosuhteista, esim. valaistus ja lämpötila Aineiden sähköiset ominaisuudet ovat riippuvaisia myös olosuhteista, esim. valaistus ja lämpötila Ruokasuola on huoneenlämmössä hyvä eriste, mutta sulana hyvä johde Ruokasuola on huoneenlämmössä hyvä eriste, mutta sulana hyvä johde 7

9 3. Mittalaitteet ja kytkennät Jännite- ja virtamittareiden kytkennöissä pitää olla huolellinen, jotteivät ne rikkoutuisi Jännite- ja virtamittareiden kytkennöissä pitää olla huolellinen, jotteivät ne rikkoutuisi Jännitemittari kytketään kahdella johtimella sähkölaitteen napoihin Jännitemittari kytketään kahdella johtimella sähkölaitteen napoihin Kun jännitemittarilla mitataan virtapiirissä olevan laitteen tai komponentin napojen välinen jännite, sanotaan että mittarilla mitataan jännitehäviö laitteessa tai komponentissa Kun jännitemittarilla mitataan virtapiirissä olevan laitteen tai komponentin napojen välinen jännite, sanotaan että mittarilla mitataan jännitehäviö laitteessa tai komponentissa Virtamittari kytketään virtapiirin osaksi siten, että mitattava sähkövirta kulkee sen läpi Virtamittari kytketään virtapiirin osaksi siten, että mitattava sähkövirta kulkee sen läpi 8

10 3. Mittalaitteet ja kytkennät Virtamittari on rakenteeltaan sellainen, että se ei juuri lainkaan vastusta sähkövirran kulkua Virtamittari on rakenteeltaan sellainen, että se ei juuri lainkaan vastusta sähkövirran kulkua Huom! Se rikkoutuu, jos se kytketään suoraan paristoon! Huom! Se rikkoutuu, jos se kytketään suoraan paristoon! Virtamittaria kytkettäessä, valitaan ensin mittausalueista suurin ja jos mittari ei näytä lukemaa, valitaan herkempi alue Virtamittaria kytkettäessä, valitaan ensin mittausalueista suurin ja jos mittari ei näytä lukemaa, valitaan herkempi alue Koska yksinkertaisessa suljetussa virtapiirissä kulkee kaikkialla yhtä suuri sähkövirta, joten se voidaan kytkeä mihin kohtaan virtapiiriä tahansa Koska yksinkertaisessa suljetussa virtapiirissä kulkee kaikkialla yhtä suuri sähkövirta, joten se voidaan kytkeä mihin kohtaan virtapiiriä tahansa 9

11 3. Mittalaitteet ja kytkennät Paristot ovat sarjassa, kun ne on kytketty ”jonoksi” eli niiden erimerkkiset navat on yhdistetty Paristot ovat sarjassa, kun ne on kytketty ”jonoksi” eli niiden erimerkkiset navat on yhdistetty Sarjaan kytkettyjen paristojen kokonaisjännite on paristojen jännitteiden summa, siis piirin käyttöjännite kasvaa Sarjaan kytkettyjen paristojen kokonaisjännite on paristojen jännitteiden summa, siis piirin käyttöjännite kasvaa Paristot on kytketty rinnan, kun niiden samanmerkkiset navat on yhdistetty Paristot on kytketty rinnan, kun niiden samanmerkkiset navat on yhdistetty Kun paristoja kytketään rinnan, piirin käyttöjännite ei kasva, mutta piiriin saadaan energiaa pitempään kuin yksittäisestä paristosta, siis piirin käyttöikä kasvaa Kun paristoja kytketään rinnan, piirin käyttöjännite ei kasva, mutta piiriin saadaan energiaa pitempään kuin yksittäisestä paristosta, siis piirin käyttöikä kasvaa 10

12 4. Komponentin resistanssi Resistanssi kuvaa komponentin sähkövirran kulkua vastustavaa ominaisuutta Resistanssi kuvaa komponentin sähkövirran kulkua vastustavaa ominaisuutta Vastus on sähköinen komponentti, jolla on tietyn suuruinen resistanssi Vastus on sähköinen komponentti, jolla on tietyn suuruinen resistanssi Huom! Lamputkin ovat vastuksia Huom! Lamputkin ovat vastuksia Resistanssin tunnus on R ja yksikkö ohmi ( Ω ) Resistanssin tunnus on R ja yksikkö ohmi ( Ω ) 11

13 4. Komponentin resistanssi Komponentin resistanssi saadaan jakamalla komponentissa tapahtuva jännitehäviö komponentin läpi kulkevalla sähkövirralla eli R = U : I Komponentin resistanssi saadaan jakamalla komponentissa tapahtuva jännitehäviö komponentin läpi kulkevalla sähkövirralla eli R = U : I Vastuksia käytetään mm. säätämään ja rajoittamaan sähkövirran suuruutta virtapiirissä Vastuksia käytetään mm. säätämään ja rajoittamaan sähkövirran suuruutta virtapiirissä Vastusten sarjaan kytkentä kasvattaa piirin kokonaisresistanssia ja siten, piirissä kulkeva sähkövirta pienenee Vastusten sarjaan kytkentä kasvattaa piirin kokonaisresistanssia ja siten, piirissä kulkeva sähkövirta pienenee Vastusten rinnankytkentä puolestaan alentaa piirin kokonaisresistanssia ja piirissä kulkeva sähkövirta kasvaa Vastusten rinnankytkentä puolestaan alentaa piirin kokonaisresistanssia ja piirissä kulkeva sähkövirta kasvaa 12

14 4. Komponentin resistanssi Kirchoffin 1. laki eli virtalaki : Kirchoffin 1. laki eli virtalaki : Pisteeseen tulevien virtojen summa on sama kuin pisteestä lähtevien virtojen summa Pisteeseen tulevien virtojen summa on sama kuin pisteestä lähtevien virtojen summa Kirchoffin 2. laki eli jännitelaki : Kirchoffin 2. laki eli jännitelaki : Virtapiirin jokaisessa umpinaisessa silmukassa jännitelähteiden jännitteiden summa on yhtä suuri kuin piirin komponenteissa tapahtuvien jännitehäviöiden summa Virtapiirin jokaisessa umpinaisessa silmukassa jännitelähteiden jännitteiden summa on yhtä suuri kuin piirin komponenteissa tapahtuvien jännitehäviöiden summa 13

15 4. Komponentin resistanssi Metallijohtimen resistanssi on vakiolämpötilassa riippumaton johtimessa kulkevasta sähkövirrasta Metallijohtimen resistanssi on vakiolämpötilassa riippumaton johtimessa kulkevasta sähkövirrasta Johtimen resistanssiin vaikuttavat tekijät ovat johtimen pituus, johdinmateriaali ja johtimen poikkipinnan ala Johtimen resistanssiin vaikuttavat tekijät ovat johtimen pituus, johdinmateriaali ja johtimen poikkipinnan ala Sulake on komponentti, jolla pyritään suojaamaan sähkölaitteen sähköisiä osia sekä sähköjohtoja ylikuormitus- tai vikatilanteissa Sulake on komponentti, jolla pyritään suojaamaan sähkölaitteen sähköisiä osia sekä sähköjohtoja ylikuormitus- tai vikatilanteissa Perinteinen sulake on keraamisessa tai lasisessa kotelossa oleva pienivastuksinen lanka Perinteinen sulake on keraamisessa tai lasisessa kotelossa oleva pienivastuksinen lanka Jos sulakkeen kestämä virta ylitetään, vastuslanka alkaa lämmetä ja palaa poikki, jolloin virtapiiri katkeaa Jos sulakkeen kestämä virta ylitetään, vastuslanka alkaa lämmetä ja palaa poikki, jolloin virtapiiri katkeaa 14

16 5. Sähkövirralla siirretään energiaa Kun laitteen käyttöjännite U ja sen läpi kulkeva sähkövirta I tunnetaan, voidaan laitteen teho laskea yhtälöstä Kun laitteen käyttöjännite U ja sen läpi kulkeva sähkövirta I tunnetaan, voidaan laitteen teho laskea yhtälöstä P = U ∙ I Sähkölaitteen kuluttama sähköenergia on suoraan verrannollinen sekä laitteen tehoon, että sen käyttöaikaan eli Sähkölaitteen kuluttama sähköenergia on suoraan verrannollinen sekä laitteen tehoon, että sen käyttöaikaan eli E = P ∙ t Kun halutaan selvittää, kuinka paljon tietyn laitteen käyttäminen maksaa, niin käytetään energian yksikkönä kWh Kun halutaan selvittää, kuinka paljon tietyn laitteen käyttäminen maksaa, niin käytetään energian yksikkönä kWh Koulun tehtävissä käytettävä arvio energian yksikköhinnalle on 10 snt/kWh Koulun tehtävissä käytettävä arvio energian yksikköhinnalle on 10 snt/kWh 15

17 6. Kestomagneetti Kestomagneetti on kappale, joka luo ympärilleen pysyvän magneettikentän Kestomagneetti on kappale, joka luo ympärilleen pysyvän magneettikentän Magneetit ovat aina kaksinapaisia Magneetit ovat aina kaksinapaisia eteläkohtio (S) ja pohjoiskohtio (N) eteläkohtio (S) ja pohjoiskohtio (N) magneettikentän suunta on pohjoisesta etelään magneettikentän suunta on pohjoisesta etelään Magneettien välillä voi olla sekä poisto-, että vetovoimia Magneettien välillä voi olla sekä poisto-, että vetovoimia Magneettisia aineita ovat rauta, koboltti ja nikkeli Magneettisia aineita ovat rauta, koboltti ja nikkeli 16

18 6. Kestomagneetti Revontulet syntyvät, kun Auringosta saapuva hiukkassäteily (Aurinkotuuli) törmää ilmakehän happi-, ja typpimolekyyleihin Revontulet syntyvät, kun Auringosta saapuva hiukkassäteily (Aurinkotuuli) törmää ilmakehän happi-, ja typpimolekyyleihin 17

19 7. Sähkömagneetti Kun kappaleen ympärille kierretyssä johtimessa (eli käämissä) kulkee sähkövirta, sen ympärille syntyy magneettikenttä Kun kappaleen ympärille kierretyssä johtimessa (eli käämissä) kulkee sähkövirta, sen ympärille syntyy magneettikenttä Sähkömagneetin voimakkuuteen vaikuttavat Sähkömagneetin voimakkuuteen vaikuttavat Käämin kierrosten lukumäärä Käämin kierrosten lukumäärä Käämin rautasydän Käämin rautasydän Johtimessa kulkevan sähkövirran suuruus Johtimessa kulkevan sähkövirran suuruus 18

20 7. Sähkömagneetti Oikean käden sääntö suoralle johtimelle Oikean käden sääntö suoralle johtimelle 19

21 7. Sähkömagneetti Oikean käden sääntö käämille Oikean käden sääntö käämille 20

22 8. Liike sähkövirraksi Induktio-ilmiö Induktio-ilmiö muuttuva magneettikenttä synnyttää (eli indusoi) käämiin induktiojännitteen Syntyvän induktiojännitteen suuruuteen vaikuttavat : Syntyvän induktiojännitteen suuruuteen vaikuttavat : Käämin kierrosten lukumäärä Käämin kierrosten lukumäärä Magneetin voimakkuus Magneetin voimakkuus Magneetin/käämin liikuttelunopeus Magneetin/käämin liikuttelunopeus 21

23 8. Liike sähkövirraksi Muuntaja on laite, joka muuntaa vaihtojännitteen tai virran toiseksi samantaajuiseksi jännitteeksi tai virraksi Muuntaja on laite, joka muuntaa vaihtojännitteen tai virran toiseksi samantaajuiseksi jännitteeksi tai virraksi 22

24 8. Liike sähkövirraksi Muuntosuhde Muuntosuhde muuntajan ensiö- ja toisiokäämien jännitteiden suhde on yhtä suuri kuin käämien kierroslukujen suhde 23 U1U1 U2U2 N1N1 N2N2 =

25 Sähköenergia FY6