Fysiikka 6 - luku 4.2 p- ja n-tyypin puolijohteet

4.2 p- ja n-tyypin puolijohteet

Puolijohteet johtavat puhtaina huonosti sähköä. Puolijohteen sähkönjohtokykyä voidaan parantaa seostamalla siihen pieniä määriä sopivasti valitun toisen aineen atomeja, ns. epäpuhtausatomeja. Tätä kutsutaan puolijohteen douppaamiseksi. Käytettyjä epäpuhtausatomeja on kahdenlaisia: toisissa on elektroniverhon ulkokuorella yksi elektroni enemmän kuin alkuperäisessä puolijohdeatomissa, toisissa yksi vähemmän.

Epäpuhtausatomia, jossa ulkokuorella on yksi elektroni enemmän kuin puolijohteen atomissa, kutsutaan donoriksi eli antajaksi. Donori luovuttaa kiteeseen ylimääräisen elektronin, ja tämä elektroni voi toimia varauksenkuljettajana.

Donoreilla seostettua puolijohdetta kutsutaan n-tyypin puolijohteeksi, koska siinä varauksenkuljettajina toimivat negatiivisesti varatut elektronit. Esim piistä (joka kuuluu jaksollisen järjestelmän neljänteen pääryhmään eli sillä on neljä elektronia uloimmalla kuorella) saadaan n-tyypin puolijohde, kun siihen seostetaan viidennen pääryhmän alkuainetta, esim arseenia. Arseenilla on uloimmalla kuorellaan viisi elektronia koska se kuuluu jaksollisen järjestelmän viidenteen pääryhmään. Noista elektroneista neljä asettuu ympäröivien piiatomien kanssa lujasti arseenin sidoksiin ja viides jää vapaaksi.

Epäpuhtausatomia, jonka ulkokuorella on yksi elektroni vähemmän kuin puolijohteen atomissa, kutsutaan akseptoriksi eli ottajaksi. Atomien välisiin sidoksiin jää akseptorin kohdalle tyhjä paikka, aukko, josta puuttuu elektroni. Akseptori sitoo aukkoon elektronin naapuriatomista, johon puolestaan jää aukko. Tähän aukkoon voi siirtyä elektroni toisesta lähiatomista ja niin edelleen. Kiteessä kulkee silloin sähkövirta atomisidoksesta toiseen siirtyvien elektronien muodossa. Tällöin sähkövirta on siis aukon etenemistä kiteessä. Aukko käyttäytyy kuten positiivisesti varautunut hiukkanen ja kulkee siis vastakkaiseen suuntaan kuin elektronit, siis sähkövirran suuntaan.

Akseptoreilla seostettua puolijohdetta kutsutaan p-tyypin puolijohteeksi, koska siinä varauksenkuljettajilla (aukoilla) on positiivinen varaus. Kun piihin seostetaan kolmannen pääryhmän alkuainetta, esim booria, jolla on siis kolme elektronia uloimmalla kuorellaan koska se kuuluu jaksollisen järjestelmän kolmanteen pääryhmään), syntyy p-tyypin puolijohde. Booriatomin ja piiatomien välisiin sidoksiin jää yhteen kohtaan aukko, koska boorilla on ulkokuorellaan vain kolme elektronia. Aukko toimii sähkönkuljettajana siirtyessään sidoksesta toiseen koko kiteen läpi.

Jaksollinen järjestelmä

 

pn-puolijohdeliitos

Puolijohdekomponentteja valmistetaan yhdistämällä eri tavoin seostettuja puolijohteita toisiinsa. Kun p- ja n-tyypin puolijohdepalat liitetään toisiinsa, syntyy pn-liitos, joka on monien puolijohdekomponenttien perusosa.

Kun puolijohteet yhdistetään, liitoskohdan lähistöllä olevia p-puolen aukkoja alkaa lämpöliikkeen vaikutuksesta siirtyä rajapinnan läpi n-puolelle ja n-puolen elektroneja p-puolelle. Kun elektroni kohtaa atomisidoksessa olevan aukon, se asettuu siihen. Tätä kutsutaan rekombinaatioksi. Elektroni ja aukko eivät enää tämän jälkeen toimi varauksenkuljettajina. Tällä tavoin liitoskohdan läheisyyteen muodostuu alue, jossa ei ole varauksenkuljettajia. Aluetta kutsutaan tyhjennysalueeksi.

Kun vapaat elektronit ja aukot ovat hävinneet pn-liitoskohdan ympäristöstä ja tyhjennysalue on muodostunut, molemmille puolille pn-liitosta jää nettovaraus. p-puolella on akseptori-ionien aiheuttama negatiivinen varaus ja n-puolella donori-ionien aiheuttama positiivinen varaus. Ionit ovat sidottuina kiderakenteeseen, eivätkä ne siksi liiku. Varaukset aiheuttavat sähkökentän, jonka suunta on n-tyypin puolijohteesta p-tyypin puolijohteeseen. n- ja p- puolen välistä potentiaalieroa kutsutaan kynnysjännitteeksi.

 

pn-liitos ulkoiseen jännitteeseen kytkettynä

Sähkövirran kulkuun pn-liitoksen läpi voidaan vaikuttaa kytkemällä liitos ulkoiseen jännitteeseen. Estosuuntaisessa kytkennässä diodin p-puoli on yhdistetty jännitelähteen negatiiviseen ja n-puoli positiiviseen napaan. Jännitelähteen positiivinen napa vetää puoleensa n-alueen elektroneja ja negatiivinen napa p-alueen aukkoja. Elektronit ja aukot siirtyvät tällöin entistä kauemmas toisistaan ja pn-rajapinnasta. Tyhjennysalue levenee, ja sähkövirran kulku diodin läpi vaikeutuu entisestään.

Diodi on kytketty päästösuuntaan, kun p-puoli on yhdistetty jännitelähteen positiiviseen ja n-puoli negatiiviseen napaan. Kun päästösuuntainen jännite ylittää kynnysjännitteen arvon, sähkökentän suunta liitosalueella on p-alueesta n-alueeseen. Tämä sähkökenttä kuljettaa p-alueen aukkoja ja n-alueen elektroneja kohti pn-rajapintaa, jossa ne rekombinoituvat. Tällöin diodin läpi kulkee sähkövirta päästösuuntaan eli p-alueesta n-alueelle.

Diodi ja valo

Kun elektroni rekombinaatiossa siirtyy atomisidoksessa olevaan aukkoon, osa sen energiasta muuttuu sähkömagneettiseksi säteilyksi, mikä voidaan havaita valona jonka väri riippuu valon aallonpituudesta. Loistediodeissa eli ledeissä syntyvä sähkömagneettinen säteily on näkyvän valon alueella.

Energiavyöt

Elektronin energialla voi olla vain tietyt arvot, joita kutsutaan energiatasoiksi. Kiinteässä aineessa, jossa atomit ovat toisiinsa sitoutuneina, elektroni kokee samanaikaisesti monen ytimen vaikutuksen. Tällöin elektronin energian mahdolliset arvot voivat olla erillisten energiatasojen sijasta laajemmilla alueilla, joita kutsutaan energiavöiksi.

Energiavyöt koostuvat suuresta määrästä energiatasoja, joiden energiat ovat hyvin lähellä toisiaan. Energiavöiden välissä on ns. kiellettyjä energiavöitä. Aineessa ei voi olla elektroneja, joiden energia on kielletyn vyön alueella.

Energialtaan korkein energiavyö on valenssivyö. Valenssivyöllä olevien elektronien avulla kiinteän aineen atomit kiinnittyvät toisiinsa. Johtavuusvyö on valenssivyön yläpuolella olevien energiatasojen yhteisnimitys. Johtavuusvyöllä olevat elektronit pääsevät liikkumaan vapaasti. Aine voi siis johtaa sähköä, jos sen johtavuusvyöllä on elektroneja!

Aineen sähkönjohtavuus riippuu siitä, miten helposti elektronit voivat siirtyä valenssivyöltä johtavuusvyölle. Johteiden, puolijohteiden ja eristeiden vyörakenteet poikkeavat toisistaan, mikä selittää niiden erilaisen kyvyn johtaa sähköä.

Johteissa valenssivyö ja johtavuusvyö ovat ainakin osittain päällekkäin, jolloin osa valenssivyön alueella olevista elektroneista voi liikkua aineessa vapaasti. Eristeissä ja puolijohteissa valenssivyön ja johtavuusvyön välissä o kielletty vyö. Eristeissä kielletty vyö on leveä ja valenssivyöllä olevan elektronin tulisi saada runsaasti lisäenergiaa, jotta se voisi siirtyä kielletyn vyön yli johtavuusvyöhön. Siirtyminen tapahtuu harvoin, ja sen takia eristeet eivät johda sähköä.

Puolijohteissa valenssivyön ja johtavuusvyön välinen kielletty vyö on kapeampi kuin eristeissä, joten puolijohteissa elektronit siirtyvät johtavuusvyölle helpommin kuin eristeissä. Puolijohteiden väri määräytyy johtavuusvyön ja valenssivyön välissä olevan energia-aukon leveydestä. Tästä johtuu esim sinertävän timantin väri.

 

Transistori

Transistorit ovat puolijohteista valmistettuja elektroniikan peruskomponentteja. Niitä käytetään mm. vahvistimina, elektronisten muistien elementteinä ja erilaisina kytkiminä. Yksinkertaisimmassa transistorissa (bipolaarinen transistori) on yhdistetty kolme puolijohdetta toisiinsa joko järjestyksessä npn tai pnp. Transistorissa on siis aina sekä päästö- että estosuuntainen liitos.

Kaikki nykyelektroniikka, kuten kotitietokoneet, digitelevisiot ja laajakaistayhteydet, perustuu transistoritekniikkaan. Yksittäisten transistorien sijasta nykyelektroniikassa käytetään useiden komponenttien muodostamia mikropiirejä eli integroituja piirejä. Mikropiirejä ovat esim vahvistimet, mikroprosessorit ja elektroniset muistit. Yhdessä mikropiirissä saattaa olla satoja miljooneja transistoreja.

Transistorin toiminta virranvahvistimena perustuu siihen, että transistorin keskimmäiseen osaan, ns. kantaan (B), viedään pieni ohjausvirta, jonka avulla kantaan saadaan siirtymään runsaasti varauksenkuljettajia. Kanta on heikommin saostettu kuin transistorin muut osat, emitteri (E) ja kollektori (C). Täten vain pieni osa emitteriltä kannalle tulevista varauksenkuljettajista rekombinoituu ja suurin osa jatkaa ohuen kannan läpi kollektorille liitoksessa vallitsevan voimakkaan sähkökentän takia. Pienellä ohjausvirralla voidaan näin saada aikaan suuri sähkövirta emitterin ja kollektorin välille.

Fysiikka 6: luku 4.1 Puolijohteet ja puolijohdekomponentit

Muista, että kondensaattorityyppejä ovat säätökondensaattori, elektrolyyttikondensaattori ja levykondensaattori. Muista sekin, että kun levykondensaaattori ladataan tiettyyn jännitteeseen ja levyjen väliin työnnetään eristelevy, kondensaattorin jännite alenee ja kapasitanssi suurenee. Varaus ei tällöin purkaudu.

4.1 Puolijohteet ja puolijohdekomponentit

Puolijohteilla on monia sellaisia ominaisuuksia, joita ei ole johteilla eikä eristeillä. esim puolijohteen sähkönjohtokykyyn voidaan vaikuttaa. Eniten käytettyjä puolijohteita ovat pii (Si), germanium (Ge) ja gallium (Ga).

Johteissa on runsaasti elektroneja, jotka voivat liikkua johteen sisällä vapaasti. Nämä vapaat elektronit kuljettavat sähkövarausta ja aiheuttavat sähkövirran, kun johde on ulkoisessa sähkökentässä. Eristeissä atomien kaikki elektronit ovat kiinnittyneinä atomeihin, joten sähkövirtaaa ei voi olla.

Myös puolijohteessa elektronit muodostavat atomien välisiä sidoksia, mutta osa niistä on kiinnittynyt atomeihin löysemmin kuin eristeiden elektronit. Elektroneja voi irrota atomeista esim lämpöliikkeen seurauksena, ja ne voivat liikkua puolijohteessa vapaasti. Puolijohteista valmistetaan erilaisia komponentteja, kuten diodeja, transistoreja ja mikropiirejä.

 

Diodi

Diodia käytetään elektroniikassa mm. vaihtojännitteen tasasuuntauksessa sekä erilaisina kytkiminä ja ilmaisimina. Tasasuuntauksessa vaihtovirta muutetaan tasavirraksi ja vaihtojännite tasajännitteeksi. Esim kännykän ja kannettavan tietokoneen akkulaturi muuntaa sähköverkon vaihtojännitteen akun lataamiseen sopivaksi tasajännitteeksi. Diodin toiminta tasasuuntaajana perustuu siihen, että sähkövirta voi kulkea sen läpi vain yhteen suuntaan. Nykyisin käytössä olevat diodit valmistetaan puolijohteista.

Ledit eli loistediodit ovat puolijohdediodeja, jotka säteilevät valoa, kun niiden läpi johdetaan sähkövirta. Ledejä käytetään esim sähkölaitteiden merkkivaloina, hälytysajoneuvojen vilkkuvaloissa, autojen etu- ja takavaloissa sekä videonäytöissä ja valaistuksessa. Ledivalojen käyttöikä on pitkä ja niiden ylläpitokustannukset ovat alhaiset.

Ledejä valmistetaan esim galliumarsenidista (GaAs), galliumarsenidifosfidista (GaAsP) ja galliumfosfidista (GaP). Ledin valmistusmateriaali määrää ledin lähettämän valon aallonpituuden ja sitä kautta valon värin. Lisäksi ledin väriä voidaan muokata ledin pintaan lisätyillä kalvoilla ja pinnoitteilla. Muita puolijohdediodeja ovat zenerdiodi ja  fotodiodi.

Päästösuuntaan kytketyn diodin läpi voi kulkea sähkövirta. Tällöin ledin anodi on kytketty jännitelähteen plusnapaan. Kun ledin anodi kytketään jännitelähteen miinusnapaan, diodin läpi ei kulje sähkövirtaa ja se on tällöin kytketty estosuuntaan.

Fysiikka 6: luku 3.4 Kondensaattorien kytkennät

3.4 Kondensaattorien kytkennät

Sähköpiireissä tarvitaan usein sen suuruisia kondensaattoreita, joita ei ole saatavana valmiina. Tällöin voidaan käyttää säädettäviä kondensaattoreita tai  kondensaattoreiden yhdistelmiä. Kondensaattoreita voidaan kytkeä sarjaan ja rinnan.

Kondensaattorien rinnankytkennässä korvaavan kondensaattorin varaus on yhtä suuri kuin yksittäisten kondensaattorien varausten summa ja jokaisen kondensaattorin jännite on sama. Rinnan kytkettyjen kondensaattorien kokonaiskapasitanssi C on

 
C = C₁ + C₂ + C₃ + ...+ C_n

Kondensaattorien sarjakytkennässä jokaisella kondensaattorilla on yhtä suuri varaus mutta eri suuri jännite. Sarjaan kytkettyjen kondensaattorien kokonaiskapasitanssi C on

1/C = 1/C₁ + 1/C₂ + 1/C₃ + ...+ 1/C_n

Fysiikka 6: Luku 3.3 Kondensaattorin energia ja sydämen toiminta

Sydämen toiminta

Aluksi hieman asiaa sydämestä. Sydämen toiminta on sähköisten tapahtumien ohjaamaa. Sydämen sinussolmuke lähettää automaattisesti sähköisiä pulsseja n. 60 kertaa minuutissa (lepotilassa). Sydämentahdistinta tarvitaan, jos sinussolmuke ei lähetä lainkaan sähköpulsseja tai lähettää niitä liian harvoin. Tahdistin vaikuttaa sydämen syketaajuuteen. Sydämen supistumisvoimakkuutta säätelevät hormonit ja hermoston toiminta.

No miten sitten tämä kondensaattoriaihe liittyy sydämen toimintaan? No siten että sydämentahdistimessa on kondensaattori, joka latautuu pariston avulla. Kun tämä kondensaattori purkautuu kokonaan, syntyvä sähköinen pulssi aiheuttaa sydänlihasten supistumista. Sydämentahdistimen paristo pitääkin joskus vaihtaa (noin 5 vuoden välein).

Sydämen johtoratajärjestelmän toiminta alkaa sinussolmukkeesta, joka on sydämen varsinainen tahdistaja. Sinussolmukkeesta impulssi (aktiopotentiaali) leviää eteis-kammio-solmukkeeseen. Eteis-kammiokimppu jakautuu kahdeksi päähaaraksi  ja sydämen kärjessä edelleen yhä pienemmiksi haaroiksi eli Purkinjen säikeiksi. Sydämen kärjestä aktiopotentiaali jatkaa johtoratajärjestelmän ohuita haaroja pitkin sydämen ulkoseinien kautta takaisin kohti eteisiä.

Pysähtynyt sydän voidaan yrittää elvyttää asettamalla rintakehälle elektrodit, joihin kytketään lyhyeksi ajaksi jännite. Sähköisku voi vaikuttaa niin, että pysähtynyt sydän lähtee sykkimään. Kannettavissa elvytyslaitteissa, defibrillaattoreissa, sähköiskuihin tarvittava energia saadaan purkamalla kondensaattorin varaus.

 

Kondensaattorin energia

Kondensaattori voidaan varata jännitelähteen, kuten pariston, avulla. Jännitelähteestä siityy kondensaattoriin elektroneja, joiden varaus q on alkeisvarauksen e suuruinen. Kondensaattoria varattaessa joudutaan tekemään työtä, koska levyillä jo olevat varaukset vastustavat uusien varausten tuontia.

Kondensaattoria ladattaessa tehty työ varastoituu metallilevyjen varattujen hiukkasten potentiaalienergiaksi eli kondensaattorin energiaksi. Varatun kondensaattorin energia on

E = ½ QU (muistisääntö: puolikuu ! )

Fysiikka 6: luku 3.2 Levykondensaattori

3.2 Levykondensaattori

Kondensaattorin levyjen välissä sähkökentän voimakkuus E on vakio riippumatta levyjen välimatkasta, koska sähkövaraus ei pääse siirtymään. Kun kondensaattorin levyjen välimatka kasvaa, niiden välinen jännite kasvaa yhtälön U = Ed mukaisesti. Koska kondensaattorin sähkövaraus ei muutu, levykondensaattorin kapasitanssi pienenee levyjen välimatkan kasvaessa.

Eristeenasettaminen levyjen väliin pienentää sähkökentän voimakkuutta eristemateriaalin sähköisen polarisoitumisen takia, joten kondensaattorin jännite pienenee.

Eristeen suhteellinen permittiivisyys ε_r   ilmaisee eristeaineen kyvyn heikentää sähkökenttää. Mitä suurempi väliaineen suhteellinen permittiivisyys on, sitä heikompi on levyjen välinen sähkökenttä.

Kondensaattorin levyjen välissä käytetään eristettä estämään varausten purkaminen. Koska erimerkkiset sähkövaraukset vetävät toisiaan puoleensa, varaukset asettuvat vastakkain oleville levyjen osille.

Sähkökentän voimakkuus on sitä suurempi, mitä tiheämmässä varaukset ovat. Eristeen materiaali ja paksuus määräävät kondensaattorin rajajännitteen, jonka kondensaattori kestää niin, ettei levyjen välillä tapahdu läpilyöntiä eli sähkönpurkausta. Läpilyönnissä eristeen läpi iskevä kipinä purkaa levyjen varauksen ja rikkoo kondensaattorin.

Levykondensaattorin kapasitanssi on

=

missä ε on eristeen permittiivisyys, ε_r eristeen suhteellinen permittiivisyys, ε₀ tyhjiön permittiivisyys, A kondensaattorilevyn pinta-ala ja d levyjen välimatka.

Fysiikka 6: Kondensaattori: luku 3.1 Kapasitanssi

Muista, että kun hohtolampulla kosketetaan kappaletta, jolloin lamppu välähtää kappaleen puoleisesta päästä, niin tämä osoittaa että kappaleen varaus on negatiivinen. Muista myös, että pistevarauksen sähkökentässä sähkökentän voimakkuus pienenee etäisyyden kasvaessa (kentän aiheuttajavaraukseen nähden).

 

Kondensaattori

Kondensaattori muodostuu kahdesta lähekkäin olevasta JOHDEkappaleesta, joiden välissä on eristekerros. Kondensaattoreihin voidaan varastoida sähkövarausta ja energiaa. Niitä käytetään esim virtakatkaisimissa estämään kipinöintiä katkaisuhetkellä. Kondensaattoria voidaan käyttää myös mittalaitteena, esim kiihtyvyysantureissa ja paikkasensoreissa.

Kondensaattori voi olla levy- tai säätökondensaattori. Kondensaattorityyppejä ovat mm. polyesterikondensaattorit ja elektrolyyttikondensaattorit. Elektrolyyttikondensaattoreilla on suurempi sähkönvaraamiskyky kuin muilla ulkoisilta mitoiltaan samankokoisilla kondensaattoreilla.

 

3.1 Kapasitanssi

Kondensaattori voidaan varata esim pariston avulla. Silloin pariston plusnapaan kytketty johdelevy varautuu positiivisesti ja toinen johdelevy negatiivisesti. Kaksi lähekkäin olevaa varautunutta johdelevyä muodostavat levykondensaattorin. Varatulla kondensaattorilla on sähköisestä vuorovaikutuksesta johtuvaa potentiaalienergiaa.

Kun kondensaattoria ladataan tasajännitteellä, sen levyt varautuvat. Piirissä havaitaan virta siis vain silloin, kun kondensaattori latautuu tai purkautuu – tasavirta ei kulje kondensaattorin läpi!

Sähkövaraus Q = I∆t

Kondensaattorin kapasitanssi on kondensaattorille ominainen suure, joka kuvaa kondensaattorin sähkönvaraamiskykyä.

Q = CU, missä C on kondensaattorin kapasitanssi. Kapasitanssin yksikkö on 1 F (faradi).

Solukalvo

Solukalvot ovat elimistön omia kondensaattoreita. Kalvo itse on eristekerros, jonka sisä- ja ulkopintojen välillä on millivolttien suuruusluokkaa oleva jännite. Jännite vaikuttaa molekyylien ja ionien virtaamiseen solukalvojen läpi ja siten solujen aineenvaihduntaan.

Nyt mä yritän olla poikkitieteellinen joten laitanpa tähän vähän biologiaa mukaan! Siinä se on, nimittäin solukalvo! Klikkaa kuvia niin näet ne isompana.

 

Solukalvohan koostuu, kuten kuvasta näkyy, siis kahdesta vastakkaisesta fosfolipidikerroksesta. Fosfolipidit muodostuvat glyserolista, johon on esteröityneenä kaksi pitkäketjuista rasvahappoa ja fosforihappo. Rasvahappopää muodostaa fosfolipidin hydrofobisen eli vettä hylkivän, rasvaliukoisen osan, joka on kalvon keskellä. Hydrofiilisen eli vesiliukoisen osan puolestaan muodostaa fosforihappoon kiinnittynyt ryhmä, joka voi olla esimerkiksi hydrofiilinen aminohappo tai jokin muu ryhmä kuten koliini.Hydrofiiliset osat ovat siis uloimpina kalvon sisä- ja ulkopuolella ja niiden keskellä hydrofobiset osat.

Osana solukalvon rakenteeseen kuuluvat myös integraaliset kalvoproteiinit, sfingolipidit ja kolesteroli. Integraaliset proteiinit, joihin kuuluvat ionikanavat, ionipumput, reseptorit ja rakenneproteiinit, voivat olla kalvoon osittain hautautuneina tai ulottua koko kalvon läpi. Integraalisiin proteiineihin liittyneet pitkät hiilihydraattiketjut muodostavat solukalvon uloimman osan, glykokalyksin, joka ulottuu pitkälle solunulkoiseen tilaan.

Biologiahöpötys jatkuu sitten aikoinaan kun pääsen biologian kirjan kimppuun....

Fysiikka 6: luku 2.5 Aine sähkökentässä

Gravitaatiovuorovaikutuksessa kappaleiden massat ovat vuorovaikutuksessa keskenään, ja sähköisessä vuorovaikutuksessa sähkövaraukset ovat vuorovaikutuksessa keskenään. Tässäpä sitten gravitaatio- ja sähköisen vuorovaikutuksen vertailua:

2.5 Aine sähkökentässä

Aineet luokitellaan niiden sähkönjohtokyvyn mukaan johteisiin, eristeisiin ja puolijohteisiin. Aineiden sähkönjohtokyky riippuu ensisijaisesti elektroniverhon rakenteesta.

Johde sähkökentässä

Johteissa vapaat, varatut hiukkaset toimivat varauksenkuljettajina. Tyypillisiä sähkönjohteita ovat metallit sekä hiili. Myös ioneja sisältävät nesteet eli elektrolyytit sekä ionisoituneet kaasut johtavat sähköä.

Herkät sähkölaitteet suojataan usein ulkoisilta sähkökentiltä asettamalla niiden ympärille metallisuojus, ns. Faradayn häkki. Sähkökenttä ei pääse metallisuojuksen sisälle. Esim auton kori muodostaa Faradayn häkin. Salaman iskiessä autoon salaman sähkövaraus siirtyy auton ulkopintaa pitkin pyörien kautta maahan.

Sähkökentän johteessa aiheuttamaa positiivisen ja negatiivisen varauksen erottautumista toisistaan sanotaan sähköiseksi influenssiksi. Johdekappaleen sisällä sähkökentän voimakkuus on nolla. Varatun kappaleen kyky vetää puoleensa varaamatonta kappaletta perustuu johteen tapauksessa influenssi-ilmiöön ja eristeen tapauksessa polarisoitumiseen. Varaamattomissa kappaleissa on aina positiivista ja negatiivista sähkövarausta yhtä paljon. Varattu kappale aiheuttaa influenssin varaamattomassa johdekappaleessa.

Eriste sähkökentässä

Eriste on aine, jossa ei ole vapaita varauksenkuljettajia tai niitä on erittäin vähän. Elektronit ovat tiukasti kiinni eristeen rakenteen sidoksissa. Sähkökenttään tuodussa eristekappaleessa varauksenkuljettajat eivät pääse liikkumaan.

Sähkökenttä voi aiheuttaa molekyyleissä sähköisen polarisoitumisen eli molekyylin sisäisen varauksen jakautumisen. Siinä molekyylin positiivisten ja negatiivisten varausten varauskeskipisteet erkanevat toisistaan. Näin syntyneet pysymättömät dipolimolekyylit voivat asettua sähkökentän suuntaisesti. Jos eristekappaleen lähelle tuodaan varattu kappale, molekyylit kääntyvät eristeen sisällä sähkökentän suuntaisiksi eli eristeessä tapahtuu rakennehiukkasten polarisoitumista, mutta sähkövaraukset eivät siirry kappaleen pinnalle.

Polarisoitumisessa kappaleeseen syntyy sisäinen dipolien luoma sähkökenttä. Sähkökentän aiheuttamaa eristeen rakennehiukkasten kääntymistä kentän suuntaisiksi sanotaan sähköiseksi polarisoitumiseksi. Polarisoitumisessa eristekappaleen sisälle syntyy sähköisten dipolien luoma sähkökenttä, jonka suunta on vastakkainen ulkoiselle sähkökentälle. Eristekappaleen sisällä sähkökenttä on heikompi kuin kappaleen ulkopuolella.

Aine, jonka suhteellinen permittiivisyys on suuri, heikentää sähkökenttää enemmän kuin aine, jonka suhteellinen permittiiivisyys on pieni. Eristeen suhteelliseksi permittiivisyydeksi sanotaan eristeen ulkopuolella olevan sähkökentän voimakkuuden ja sisäpuolella olevan sähkökentän voimakkuuden suhdetta. Eristeen suhteellinen permittiivisyys kuva, miten eriste vaikuttaa sähköiseen voimaan.

2.4 Homogeeninen sähkökenttä osa 2

2.4 Homogeeninen sähkökenttä osa 2

Varattu hiukkanen homogeenisessa sähkökentässä

Sähkökentässä olevaan hiukkaseen kohdistuu sähköinen voima F = qE, jossa q on hiukkasen sähkövaraus ja E sähkökentän voimakkuus. Homogeenisessa sähkökentässä sähköinen voima on vakio, jolloin myös hiukkasen kiihtyvyys on vakio. Jos varattu hiukkanen tulee homogeeniseen sähkökenttään pitkittäisesti eli kenttäviivojen suuntaisesti tai niitä vastaan, hiukkanen joutuu tasaisesti kiihtyvään suoraviivaiseen liikkeeseen.

Jos varattu hiukkanen tulee homogeeniseen sähkökenttään kohtisuorasti kenttäviivoja vastaan eli poikittaisesti, hiukkasen liikkeen radaksi tulee paraabelin kaari. Poikittainen sähkökenttä muuttaa hiukkasen nopeuden suuntaa ja suuruutta.

Sähköinen voima antaa hiukkaselle, jonka massa on m ja varaus q, voiman suuntaisen kiihtyvyyden a, jonka suuruus on

a = qE / m

 

Mekaanisen energian säilymislaki sähkökentässä

Hiukkasen liikettä sähkökentässä tarkastellaan yleensä niin, että hiukkanen liikkuu tyhjiössä eikä hiukkaseen kohdistuvaa painoa oteta huomioon. Tällöin varattuun hiukkaseen vaikuttava kokonaisvoima on sähköisen vuorovaikutuksen aiheuttama voima. Hiukkasen liike-energian muutos on yhtä suuri kuin kokonaisvoiman tekemä työ:

∆E_k = W eli

½mv_l² - ½mv_a² = qU = qE∆x

jossa v_a on varatun hiukkasen nopeus alussa, v_l nopeus lopussa ja ∆x hiukkasen siirtymä. Varatun hiukkasen mekaaninen energia säilyy sähkökentässä:

Ep_a + Ek_a =  Ep_l + Ek_l eli qV_a + ½mv_a² = qV_l + ½mv_l²

Jos kiihdytettävä tai jarrutettava hiukkanen on elektroni tai protoni, sen varauksen itseisarvo |q| = e. Jos elektronin tai protonin kiihdytysjännite on 1 V, se saa liike-energian

E_k = eU = 1 e * 1 V = 1 eV

1 eV = 1,602*10^-19 C * 1 V = 1,602*10^-19 J

Fysiikka 6: luku 2.4 Homogeeninen sähkökenttä osa 1

2.4 Homogeeninen sähkökenttä

Sähkökenttä on homogeeninen, jos sähkökentän voimakkuus ja suunta ovat sen jokaisessa pisteessä samat. Homogeenisessa sähkökentässä sähkökentän voimakkuus on vakio.

 

Potentiaalienergia

Varatulla hiukkasella on sähkökentässä potentiaalienergiaa, aivan samoin kuin massallisella kappaleella on potentiaalienergiaa gravitaatiokentässä. Kuten gravitaationkin tapauksessa, potentiaalienergian nollataso voidaan valita vapaasti. Usein nollatasoksi valitaan se kohta, jossa kenttä kohtaa maadoitetun kappaleen. Varatun hiukkasen potentiaalienergia homogeenisen sähkökentän pisteessä A on

E_pA = qEx

jossa q on hiukkasen varaus, E sähkökentän voimakkuuden suuruus ja x pisteen A etäisyys nollatasosta.

Sähkökentän  potentiaali V_A pisteessä A on kentässä olevan hiukkasen potentiaalienergian E_pA ja hiukkasen varauksen q suhde:

V_A = E_pA / q

Homogeenisen sähkökentän potentiaali kentän suuntaisella etäisyydellä x nollatasosta on

V = Ex

Homogeenisen sähkökentän voimakkuus on E = V/x. Sähkökentän potentiaali pienenee siirryttäessä sähkökentän suuntaan ja kasvaa siirryttäessä vastakkaiseen suuntaan. Sähkökentän suunta on siin ylemmästä potentiaalista alempaan potentiaaliin. Potentiaali ei muutu, kun siirrytään kohtisuorasti sähkökenttää vastaan. Niiden pisteiden, jotka ovat samassa potentiaalissa, sanotaan muodostavan tasapotentiaalipinnan. Pinta on kohtisuorassa sähkökentän kenttäviivoja vastaan. Jos varattu hiukkanen liikkuu tasapotentiaalipinnalla, sen potentiaalienergia ei muutu. Muissa liikesuunnissa potentiaalienergia joko pienenee tai suurenee.

Kun sähkökentässä on varatttu hiukkanen, sen potentiaalienergia on E_p = qV, jossa q on hiukkasen varaus ja V sähkökentän potentiaali hiukkasen kohdalla. Kun negatiivisesti varattu kappale kytketään metallijohtimella maahan, kappaleesta virtaa elektroneja maahan. Vastaavasti maasta virtaa elektroneja positiivisesti varattuun kappaleeseen. Lopulta saavutetaan tasapainotila, jolloin varausten liike lakkaa. Tällöin kappale on maan kanssa samassa potentiaalissa.

Maata voidaan pitää niin suurena johdekappaleena, että sen varaustila ei muutu havaittavasti huolimatta elektronien siirtymisestä jompaankumpaan suuntaan. On luontevaa määritellä maan potentiaali nollapotentiaaliksi.

Kahden sähkökentän pisteen A ja B välistä potentiaalieroa U_AB = V_A - V_B kutsutaan näiden pisteiden väliseksi jännitteeksi. Homogeenisessa sähkökentässä korkeammassa ja matalammassa potentiaalissa olevien pisteiden välinen jännite on U = Ed, jossa E on sähkökentän voimakkuus ja d pisteitä vastaavien tasapotentiaalipintojen välimatka.

Jos tasapotentiaalipintoja esittävässä piirroksessa pisteeseen A siirretty positiivisesti varattu hiukkanen päästetään vapaaksi, se siirtyy sähköisen voiman vaikutuksesta negatiivisesti varattua levyä kohti. Kun hiukkanen saavuttaa pistettä B vastaavan tasopotentiaalipinnan, on sähköinen voima tehnyt työn

W = F ∆x = qE∆x = qU_AB

jossa U_AB on alku- ja loppupisteen välinen jännite. Sähköisen voiman tekemä työ W = qU_AB pätee yleisesti, siis myös epähomogeenisessa kentässä. Kun varattu hiukkanen siirtyy sähkökentässä pisteestä A pisteeseen B, sen potentiaalienergian muutos on

∆E_B = E_b – E_pA = qV_B - qV_A = q(V_B-V_A) = - qU_AB = -W

Potentiaalienergia siis muuttuu –W:n verran. Kun positiivisesti varattu hiukkanen siirtyy korkeammasta potentiaalista matalampaan, sähköinen voima tekee positiivisen työn ja hiukkasen potentiaalienergia pienenee vastaavalla määrällä. Vastaavasti negatiivisesti  varatun hiukkasen potentiaalienergia pienenee, kun se liikkuu sähkökenttää vastaan. Työn vaikutuksesta potentiaalienergia muuttuu liike-energiaksi.

Fysiikka 6: luku 2.3 Sähkökenttä

2.3 Sähkökenttä

Kopiokoneen ja tulostimen toiminta perustuu mustepisaran ohjailemiseen sähkökentän avulla. Pisaran paikka tulostuspaperilla riippuu pisaraan vaikuttavista sähköisistä voimista.

Jokaisen varatun kappaleen ympärillä on sähkökenttä. Varattu kappale on sähkökenttänsä välityksellä vuorovaikutuksessa muiden varattujen kappaleiden kanssa.

 

Sähkökentän kenttäviivat 

Sähkökentän kenttäviivat lähtevät positiivisesti varautuneen kappaleen pinnasta ja päättyvät negatiivisesti varatun kappaleen pintaan. Kenttäviivoilla kuvataan sähkökentän suuntaa ja muotoa. Viivojen tiheys ilmentää kentän voimakkuutta. Mitä tiheämmässä kenttäviivoja jollakin alueella on, sitä voimakkaampi sähkökenttä siinä on. Sähkökenttä on kolmiulotteinen.

Sähkökentän voimakkuus E (lyhyesti kutsuttuna sähkökenttä) on kentässä olevaan varattuun hiukkaseen kohdistuvan sähköisen voiman ja kappaleen sähkövarauksen suhde:

E = F / q

Jos sähkökentässä olevan hiukkasen varaus on positiivinen, kentän voimakkuuden suunta on sama kuin hiukkaseen vaikuttavan sähköisen voiman suunta. Jos hiukkasen varaus on negatiivinen, kentän voimakkuuden suunta on sähköisen voiman suuntaan nähden vastakkainen. Sähkökentän voimakkuuden yksikkö on 1 N/C.

Huomaa, että symbolilla Q merkitään varausta, jonka sähkökenttää tutkitaan, ja testivarauksella q tutkitaan kenttää.

Pistevarauksen sähkökenttä

Pistemäisen sähkövarauksen Q ympärillä olevan sähkökentän sähköistä vuorovaikutusta voidaan tutkia viemällä kentän mielivaltaiseen pisteeseen pieni testivaraus q. Kentässä olevaan varaukseen q kohdistuu sähköinen voima. Pistevarauksen sähkökentän (Coulombin kentän) voimakkuuden suuruus tyhjiössä etäisyydellä r varauksesta on

= 

Pistevarauksen sähkökentän voimakkuuden E suunta on varauksesta Q poispäin, jos varaus Q on positiivinen, ja varausta Q kohti, jos varaus Q on negatiivinen. Jos varaus Q on eristeessä, sähkökentän voimakkuuden suuruus on

Fysiikka 6: luku 2.2 Coulombin laki

2.2 Coulombin laki

Coulombin laki: hiukkaset, joiden sähkövaraukset ovat  Q1 ja Q2, kohdistavat toisiinsa voiman, jonka suuruus on suoraan verrannollinen varausten tuloon ja kääntäen verrannollinen hiukkasten välisen etäisyyden neliöön eli

jossa r on hiukkasten välinen etäisyys ja ε₀  on sähkövakio eli tyhjiön permittiivisyys. Usein merkitään k = 1/4π ε₀ jolloin Coulombin laki saa muodon

ja Coulombin lain vakio arvon k = 8,98755*10⁹ Nm²/C². Coulombi lain mukaista sähköistä voimaa kutsutaan Coulombin voimaksi. Voiman suunta päätellään varausten merkeistä. Kun varaukset ovat vastakkaismerkkisiä, voima on vetovoima, ja kun ne ovat samanmerkkisiä, voima on hylkimisvoima.

Coulombin laki pätee pistemäisille varatuille hiukkasille eli pistevarauksille sekä kappaleille, joiden varausjakauma on pallosymmetrinen. Coulombin voima on etävoima.

Varattujen hiukkasten välissä oleva eriste heikentää hiukkasten sähköistä vuorovaikutusta. Eristeen suhteellinen permittiivisyys ε_r  kuvaa, miten eriste vaikuttaa sähköiseen voimaan.

Coulombin laki eristeessä on

Fysiikka 6: luku 2.1 Sähkövaraus

Muista, että napajännitteeltään negatiivinen jännitelähde latautuu! Ja jos esim lamppu ja säätövastus ovat kytketty rinnan, niiden napojen väliset jännitteet ovat yhtä suuret juuri siksi että ne on kytketty rinnan eikä sarjaan.

2.1 Sähkövaraus

 

EKG-käyrää piirtävä laite on erikoisvalmisteinen oskilloskooppi, jossa sydänlihaksen sähköinen potentiaali näkyy ruudulla ajan funktiona.

Sähkövarauksien ympärillä on sähkökenttä, jonka välityksellä varaukset ovat vuorovaikutuksessa keskenään. Sähkövaraukset ja niiden ympärillä oleva sähkökenttä voivat aiheuttaa erilaisia aistein havaittavia ilmiöitä.

Esim pilvien jää- ja lumikiteiden hankautuminen toisiaan vasten voi kerätä pilviin suuren sähkövarauksen. Tällöin pilviin sekä maan ja pilvien välille syntyy voimakkaita sähkökenttiä. Pilvien ja maanpinnan välissä on paksu ilmakerros, joka on eriste.

Kun maan ja pilvien jännite kohoaa kymmenien miljoonien volttien suuruiseksi, ilma ei enää pysty estämään varauksia purkautumasta. Sähköpurkauksien seuraukset näkyvät valona salaman välähtäessä ja kuuluvat äänenä ukkosen jyrähtäessä.

Sähköinen vuorovaikutus on etävuorovaikutus: vuorovaikutus vaikuttaa kappaleiden välillä. vaikka kappaleet eivät kosketa toisiaan. On olemassa positiivista ja negatiivista sähkövarausta. Sähköinen vuorovaikutus on varauksisten hiukkasten, kuten elektronien ja protonien, välinen vuorovaikutus. Sähköisen vuorovaikutuksen aiheuttamaa veto- tai hylkimisvoimaa kutsutaan sähköiseksi voimaksi. Samanmerkkiset varaukset hylkivät toisiaan ja erimerkkiset varaukset vetävät toisiaan puoleensa.

Protonin sähkövaraus on +e ja elektronin –e. Varausta e sanotaan alkeisvaraukseksi, joka on sähköopin tarkasteluissa pienin sähkövaraus. Alkeisvaraus on luonnonvakio, ja sen arvo on e = 1,602 * 10^-19 C. Sähkövarauksen yksikkö on 1 C (Coulombi).

Kappaleen sähkövaraus Q on aina alkeisvarauksen e monikerta eli

Q = +- ne, jossa n = 0,1,2,...

Sähkövarauksen säilymislain mukaan eristetyssä systeemissä positiivisten ja negatiivisten varausten summa on vakio.

Fysiikka 6: luku 1.7 Tasavirtapiirien laskennallinen hallinta

Huom! Lamppu palaa mahdollisimman kirkkaasti, kun sen läpi kulkee mahdollisimman suuri virta. Otetaan esim kaksi lamppua. Sarjakytkennässä lamppuyhdistelmän kokonaisresistanssi on suurempi kuin rinnakytkennässä, joten niiden läpi kulkeva virta on pienempi sarjakytkennässä. Lampun palavat siis mahdollisimman kirkkaasti, kun ne kytketään rinnan.

Muista myös, että oikosulussa paristoa kuormittaa vain sen sisäinen resistanssi, jolloin napajännite U = 0 V. Vanhassa paristossa sisäisestä resistanssista johtuva jännitehäviö on suurempi kuin uudessa paristossa. Huom! jos akku on tyhjä, sen jännite on tietysti 0 V!

1.7 Tasavirtapiirien laskennallinen hallinta

Virtapiirilaskujen suoritusvaiheet

1. Ellei kytkentäkaavioon ole merkitty sähkövirtojen suuntia, valitse ne. Olet valinnut suunnan väärin, jos laskutuloksessa virran arvo on negatiivinen.

2. Valitse virtapiirin tarkastelusuunta joko myötä- tai vastapäivään jokaiselle silmukalle erikseen.

3. Jos virtapiirissä on johtimien haarautumiskohtia, muodosta Kirchoffin 1.lain mukaisesti virtayhtälöt. Muistutuksena, että Kirchoffin 1. lain mukaan virtapiirissä haarautumispisteeseen tulevien sähkövirtojen summa on yhtä suuri kuin siitä lähtevien sähkövirtojen summa.

4. Valitse suljetussa virtapiirissä lähtöpiste. Usein helpointa on kiertää virtapiiri virran oletetussa suunnassa. Potentiaalitarkastelun lähtöpisteeksi voit valita myös kohdan, jonka potentiaali on nolla.

5. Sovella Kirchoffin 2. lakia niin moneen suljettuun virtapiiriin, että saat tarpeeksi monta yhtälöä tuntemattomien suureiden laskemiseksi. Muistutuksena, että Kirchoffin 2. lain mukaan suljetussa virtapiirissä potentiaalimuutosten summa on nolla.

Fysiikka 6: luku 1.6 Paristot

1.6 Paristot

Lähdejännite E on kuormittamattoman pariston napojen välinen jännite ja napajännite U kuormitetun pariston napojen välinen jännite. Pariston lähdejännite saadaan ekstrapoloimalla (I,U)  -kuvaajan U-akselin leikkauskohta: tällöin sähkövirta I = 0 A, ja pariston läpi ei kulje sähkövirtaa.

Suurin piirissä kulkeva sähkövirta saataisiin oikosulkemalla sähköpari – tätä virtaa kutsutaan oikosulkuvirraksi I₀. Oikosulkuvirta voidaan määrittää (I,U) –kuvaajasta ekstrapoloimalla I-akselin leikkauskohta. Oikosulkuvirta saadaan myös laskettua yhtälöstä

I₀ = E / R_s

missä R_s on pariston sisäinen resistanssi. (I,U) – koordinaatistoon piirrettyä suoraa kutsutaan pariston kuormituskäyräksi. Ulkoista vastusta kutsutaan usein virtapiirin kuormaksi. Kuormitetun jännitelähteen napajännite U on

U = E - R_s I

jossa U on napajännite, E lähdejännite ja R_sI jännitelähteessä tapahtuva jännitehäviö. Kuormittamattoman jännitelähteen napajännite on yhtä suuri kuin lähdejännite.

 

Paristojen sarja- ja rinnankytkentä

Jännitelähteitä, kuten sähköpareja tai paristoja, voidaan kytkeä yhteen eri tavoin. Kytketyt jännitelähteet toimivat kuten yksi jännitelähde. Sarjakytkennässä paristojen erimerkkiset navat on yhdistetty. Paristot ovat rinnan, jos niiden samanmerkkiset navat on yhdistetty keskenään.

Sarjakytkennässä paristojen jännite kasvaa ja rinnankytkennässä jännite ei muutu. Sarjakytkennässä paristoyhdistelmän lähdejännite E on paristojen lähdejännitteiden summa, eli

E = E₁ + E₂ + E₃ + ...+ E_n

Sarjakytkennässä napajännite on U =  U₁ + U₂ + U₃ + ...+ U_n ja sisäinen resistanssi Rs =  R_s1 + Rs₂ +

Rs₃ + ...+ Rs_n

Vastusten rinnankytkennässä vastusyhdistelmän resistanssi on aina pienempi kuin yksittäiset resistanssit. Rinnan kytkettyjen paristojen, joilla on yhtä suuri lähdejännite E ja sisäinen resistanssi R_s, lähdejännite on E ja sisäinen resistanssi R_s saadaan yhtälöstä

1/ R_s = 1/ R_s1 + 1/ R_s2 + ...+ 1/ R_sn

Rinnan kytketyillä paristoilla on oltava sama lähdejännite E. Jos näin ei ole, paristojen välille syntyy sisäisiä sähkövirtoja, vaikka yhdistelmää ei kuormitettaisikaan. Paristo, jonka lähdejännite on pienin, kuormittaa muita.

Fysiikka 6: luku 1.5 Joulen laki

Huom! Kun säätövastuksen resistanssi säädetään nollaksi, koko sähkövirta kulkee tämän haaran läpi! Muista myös, että kun ampeerimittarin rinnalle liitetään sivuvastus, ampeerimittarilla ja sivuvastuksella on sama jännitehäviö! eli U₁ = U₂  -->   R₁I₁ = R₂I₂

1.5 Joulen laki

Laitteen sähköteho on P = UI = 1 V * 1 A = 1 VA = 1 W

Joulen laki on P = RI²

Sähkölaitteen kuluttama energia on

E = Pt = Uit

Fysiikka 6: luku 1. 4 Vastusten kytkennät

Aluksi muistutus: samanpituisten metallilankojen resistanssi on sitä pienempi, mitä paksumpi lanka on. Lisäksi on muistettava, että resistanssi lasketaan yhtälöstä R = U/I silloin, kun komponentti ei noudata Ohmin lakia. No niin, nyt itse asiaan:

 

1.4 Vastusten kytkennät

 

Sarjakytkentä

Vastuksia voidaan kytkeä kahdella tavalla: rinnan ja sarjaan. Joskus sähkölaitetta rakennettaessa tarvitaan vastus, jota ei ole saatavilla valmiina. Silloin voidaan käyttää säätövastusta tai vastus kootaan kytkemällä sopivasti vastuksia, jotka ovat saatavilla.

Vastusten sarjakytkennässä vastusyhdistelmän kokonaisresistanssi on suurempi kuin yksittäisen vastuksen resistanssi. Vastusten sarjakytkennässä vastusyhdistelmän kokonaisresistanssi R saadaan laskemalla yhteen yksittäisten vastusten resistanssit:

R = R₁ +  R₂ + R₃ + ...+ R_n

 

Rinnankytkentä

Valaisinsysteemeissä käytetään rinnankytkentää. Jos yksi lamppu menee rikki, muut lamput valaisevat vielä. Rinnankytkennässä vastusyhdistelmän resistanssi on pienempi kuin yksittäisen vastuksen resistanssi. Rinnan kytkettyjen vastusten kokonaisresistanssi on aina kytkennän jokaisen vastuksen resistanssia pienempi. Vastusten rinnankytkennässä vastusyhdistelmän kokonaisresistanssin R käänteisluku saadaan laskemalla yhteen yksittäisten vastusten resistanssien käänteisluvut:

1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃ + ...+ 1/R_n  

Suurten sähkövirtojen mittaaminen voi rikkoa ampeerimittarin, koska sähkövirta kulkee aina mittarin läpi. Ampeerimittarin käyttöaluetta voi laajentaa mittarin kanssa rinnan kytkettävän sivuvastuksen avulla. Tällöin mitattava sähkövirta jakautuu mittarin ja sivuvastuksen kesken.

Volttimittarin käyttöaluetta voi laajentaa etuvastuksella, joka kytketään sarjaan mittarin kanssa. Kun etuvastuksen resistanssi on suuri, suurin osa jännitehäviöstä tapahtuu siinä ja volttimittarissa tapahtuu vain pieni jännitehäviö.

Potentiaali ja jännitehäviö yms Fysiikka 6 kappale 1.3 loppuun

Potentiaali ja jännitehäviö

Piirin potentiaali V ilmaisee virtapiirin pisteiden jännitteet sovittuun nollapotentiaaliin nähden. Potentiaalitarkasteluissa jokin virtapiirin pisteen potentiaali sovitaan nollaksi eli piste maadoitetaan. Tämän pisteen potentiaali on V = 0 V.

Jos virtapiirin kaksi eri pistettä maadoitetaan, näiden pisteiden välillä ei ole jännitettä. Jos näiden pisteiden väliin on kytketty esim hehkulamppu, sen läpi ei kulje sähkövirtaa ja lamppu ei valaise. Virtapiirissä pisteiden B ja A välinen jännite U_BA on näiden pisteiden potentiaalien erotus eli potentiaaliero:

 U_BA = V_B – V_A 

Potentiaali muuttuu virtapiirissä jännitelähteiden ja komponenttien kohdalla: kun kuljetaan sähkövirran suunnassa, potentiaali kasvaa paristoissa ja alenee lampuissa. Kirchoffin 2. lain mukaan suljetussa virtapiirissä potentiaalimuutosten summa on nolla. Tämä johtuu siitä, että virtapiiriä kierrettäessä palataan takaisin kohtaan A.

Resistiivisyys

Metallilangan resistanssi riippuu langan materiaalista ja se saadaan yhtälöstä

R = ρ l/A

jossa ρ on aineen resistiivisyys, l langan pituus ja A langan poikkipinta-ala. Resistiivisyys kuvaa aineen kykyä vastustaa sähkövirran kulkua. Kullakin materiaalilla on sille ominainen resistiivisyys. Hyvän sähköjohteen resistiivisyys on pieni ja hyvä eristeen resistiivisyys suuri. Resistanssi on laitteen tai johtimen ominaisuus, ja resistiviisyys on tietyn materiaalin ominaisuus. Resistiivisyyden yksikkö on 1 Ωm.

 

Lämpötilan vaikutus resistanssiin

On mahdollista valmistaa vastuksia, joiden resistanssi riippuu lämpötilasta, valon määrästä tai esim jonkin voiman aiheuttamasta jännityksestä. Resistanssin muutos voikin olla lämpömittarin tai valaistus- ja voimamittarin toiminnan fysikaalinen perusta.

Aineita, joiden resistiivisyyden lämpötilakertoimet ovat suuret, voidaan käyttää lämpötilan mittaukseen. Lämpötilan muuttuessa virtapiirin resistanssi muuttuu, mikä muuttaa piirissä kulkevaa sähkövirtaa. Ampeerimittarin asteikko kalibroidaan näyttämään lämpötilaa.

Resistiivisyyden lämpötilariippuvuutta kuvaa yhtälö

ρ = ρ₂₀ (1 + α∆T)

missä ρ on metallilangan resistiivisyys lämpötilassa T, ρ₂₀ saman langan resistanssi lämpötilassa 20 ° C = 293 K ja ∆T = T – 293 K. Kerroin α  on resistiivisyyden lämpötilakerroin ja sen yksikkö on 1/K.

Fysiikka 6 – luku 1.2 – Jännite ja luku 1.3 Ohmin laki ja resistanssi

Jännitelähteessä, kuten paristossa, napojen välillä on jännite. Jännitteen tunnus on U ja yksikkö 1 V (voltti). Jännitelähteen miinusnavassa on ylimäärä elektroneja ja plusnavassa elektronien vajaus. Kuormittamattoman jännitelähteen jännitettä nimitetään lähdejännitteeksi ja kuormitetun napajännitteeksi.

Lähdejännite aiheuttaa suljetussa virtapiirissä sähkövirran. Paristosta saatava jännite on tasajännitettä. Jännitehäviöllä tarkoitetaan suljetussa virtapiirissä olevan laitteen, kuten lampun, napojen välistä jännitettä.

Jännitteen mittaaminen

Jännitteen mittaamisessa käytetään volttimittaria. Volttimittari kytketään mitattavan kohteen, kuten pariston tai lampun, rinnalle siten, että volttimittarin plusnapa yhdistetään pariston plusnapaan ja  miinusnapa miinusnapaan.

Akku on laite, joka varastoi energiaa kemialliseksi energiaksi. Kun akkua käytetään, se toimi kuten jännitelähde.

Fysiikka 6 – luku 1.3 Ohmin laki ja resistanssi

Ohmin laki: metallijohtimessa jännitehäviö on vakiolämpötilassa suoraan verrannollinen sähkövirtaan:

U = RI

jossa U on johtimessa tapahtuva jännitehäviö, R johtimen resistanssi ja I johtimen läpi kulkeva sähkövirta.

Vastus on sähkövirtaa rajoittava komponentti. Resistanssi ilmaisee vastuksen, kuten vastuslangan, kyvyn vastustaa sähkövirran kulkua. Resistanssin yksikkö on 1 Ω (ohmi). Hehkulamppu ei noudata Ohmin lakia, koska sen resistanssin kuvaaja ei ole lineaarinen.

Fysiikka 6 - Sähkö - luku 1.1, tasavirta

Sähkön historiaa

Ennen vanhaan sähköankeriasta ja – rauskua käytettiin reuman hoitoon. Kalan päällä seistiin rantavedessä, kunnes jalat muuttuivat lähes tunnottomiksi. Tämän uskottiin lievittävän reumaattisia kipuja.

Englantilainen fyysikko Joseph John Thomson löysi elektronin vuonna 1897 ja protonin löysi englantilainen fyysikko Ernest Rutherford.

Sähkövirta

Jo 50mA:n sähkövirta kehossa on hengenvaarallinen ihmiselle. Paristo on jännitelähde, jossa kemialliset reaktiot synnyttävät napojen välille jännitteen. Kun virtapiiri avataan (esim toinen johdin irrotetaan paristosta), siinä ei kulje sähkövirtaa. Virtapiiri on suljettu, kun siinä oleva jännitelähde ylläpitää sähkövirtaa. Sähkövirta voi kulkea vain suljetussa virtapiirissä.

Sähkövirran lämpövaikutusta käytetään hyväksi esim vedenkeittimissä ja saunan kiukaan vastuksissa. Sähkövirralla on myös magneettinen vaikutus. Kun sähkövirta kulkee johtimessa, sen ympärille syntyy magneettikenttä.

Sähkövirta aiheuttaa elektrolyyseissä kemiallisia reaktioita. Elektrolyytti on aine, joka johonkin liuottimeen liuenneena johtaa sähköä. Galvanointi on menetelmä, jossa kappale pinnoitetaan sähkökemiallisen prosessin avulla. Esim galvanointi sinkin avulla estää rautanaulan ruostumisen. Sähkövirran avulla voidaan myös hajottaa vettä ja näin valmistaa happea ja vetyä.

Metallit ja suolaliuokset johtavat hyvin sähköä. Tällaisia aineita kutsutaan johteiksi. Esim posliini ja muovi ovat eristeitä, koska ne eivät johda sähköä. Puolijohteiden sähkönjohtavuutta voidaan muuttaa esim valon avulla. Sähkövirta on varauksisten hiukkasten liikettä.

Sähkövirralla on suunta ja suuruus. On sovittu, että sähkövirran suunta on plusnavasta miinusnapaan. Sähkövirtaa sanotaan tasavirraksi, jos sähkövirta kulkee virtapiirissä koko ajan samaan suuntaan ja vaihtovirraksi, jos sähkövirran suunta muuttuu jaksollisesti.

Sähkövirran mittaaminen

Sähkövirran mittaamiseen käytetään ampeerimittaria. Ampeerimittari kytketään virtapiirin osaksi aina siten, että mitattava virta kulkee mittarin läpi sen plusnavasta miinusnapaan. Jos virtapiiri ei ole haarautunut, kaikkialla piirissä kulkee sama sähkövirta. Kirchhoffin 1.lain mukaan virtapiirissä haarautumispisteeseen tulevien sähkövirtojen summa on yhtä suuri kuin haarautumispisteestä lähtevien sähkövirtojen summa.

Sähkövirran mikromalli

Sähkövirta metallijohtimessa on sähkökentän aiheuttamaa elektronien liikettä. Kun metallijohdin kytketään jännitelähteeseen, johtimen sisälle syntyy sähkökenttä, jonka suunta on jännitelähteen positiivisesta kohtiosta kohti jännitelähteen negatiivista kohtiota. Sähkökentän synnyn seurauksena vapaat elektronit alkavat liikkua kohti jännitelähteen positiivista napaa.

Johtimessa kulkeva sähkövirta on I = Q/t, jossa Q on ajassa t johtimen poikkipinnan läpi siirtyneen varauksen suuruus. Sähkövirran yksikkö on 1 C/s eli 1 A (ampeeri).

Pakonopeudet

Pelkkä lukeminen ei aina riitä...joten mä kirjoittelen näitä lyhennelmiä tänne blogiin niin mä muistan asiat paremmin. 

Ensimmäinen pakonopeus on nopeus, joka kappaleelle on annettava, jotta se pääsisi ja jäisi Maata kiertävälle radalle. Kun kappaleelle on annettu riittävän suuri Maan pinnan suuntainen nopeus, Maan pinta kaartuu kappaleen alla yhtä paljon kuin kappale putoaa. Tällöin kappale on joutunut Maata kiertävälle radalle.

Toinen pakonopeus on nopeus, jolla satelliitti tai avaruusalus vapautuu kokonaan taivaankappaleen, kuten Maan, vetovoimakentästä mutta jää Aurinkoa kiertävälle radalle. Satelliitti pääsee poistumaan Maan vaikutuspiiristä, jos sen nopeus on 11,2 km/s.

Kolmas pakonopeus 42,2 km/s on nopeus, jonka kappale (avaruusalus) tarvitsee vapautuakseen Aurinkokunnan vetovoimakentästä. Kappale jää tällöin kiertämään Linnunradan keskustaa.

Gravitaatio

Gravitaatio on yksi neljästä maailmankaikkeuden rakennetta ja toimintaa selittävästä perusvuorovaikutuksesta. Muut perusvuorovaikutukset ovat sähkömagneettinen vuorovaikutus, vahva vuorovaikutus ja heikko vuorovaikutus 

Gravitaatiossa kahteen vuorovaikuttavaan kappaleeseen kohdistuu yhtä suuret vastakkaissuuntaiset gravitaatiovoimat; gravitaatiovoima aiheutuu kappaleiden massasta. Gravitaatiovuorovaikutus on etävuorovaikutus ja gravitaatiovoima on vetovoima.

Vuorovesi-ilmiö aiheutuu siitä, että Kuun ja Auringon vetovoimat ovat erilaiset maapallon eri puolilla. Gravitaatio aiheutuu suhteellisuusteorian mukaan avaruuden kaareutumisesta, joka taas aiheutuu kappaleiden massoista ja energioista.

Keplerin lait

1. laki: planeettojen radat ovat ellipsejä, joiden toisessa polttopisteessä on Aurinko.
2. Planeetan liikkuessa sitä Aurinkoon yhdistävä jana pyyhkii yhtä pitkissä jaksoissa yhtä suuret pinta-alat.
3. Planeettojen kiertoaikojen T (Auringon ympäri) neliöt ovat verrannolliset niiden ja Auringon keskietäisyyksien r kuutioihin

Keplerin 2. lain mukaan kaukana Auringosta ollessaan planeetta kulkee hitaammin ja lähellä Aurinkoa ollessaan nopeammin  Planeetan ratanopeus ei siis ole vakio.

Newtonin gravitaatiolaki

Planeettaan vaikuttava gravitaatiovoima suuntautuu kohti Aurinkoa. Voimaa, joka suuntautuu aina kohti samaa pistettä, kutsutaan keskeisvoimaksi. Gravitaatiovoima on siis keskeisvoima. Kappaleeseen kohdistuva paino on gravitaation aiheuttama voima. Gravitaatiovoima aiheutuu kahden kappaleen välisestä vuorovaikutuksesta ja se on verrannollinen kummankin kappaleen massaan. 

Newtonin gravitaatiolain mukaan kaksi pistemäistä kappaletta, joiden massat ovat m1 ja m2 ja joiden välinen etäisyys on r, vetävät toisiaan puoleensa voimalla, joka on suoraan verrannollinen kummankin kappaleen massaan ja kääntäen verrannollinen kappaleiden (painopisteiden) välisen etäisyyden neliöön.

 

Kaikki massalliset kappaleet aiheuttavat gravitaatiolain mukaisen vetovoiman ja tuntevat muiden kappaleiden aiheuttaman vetovoiman.

 

Gravitaatiokenttä

Etävuorovaikutuksen kuvaamiseen käytetään klassisessa fysiikassa kenttää. Kenttää kuvataan kenttäviivoilla, joiden tiheys kuvaa kentän voimakkuutta. Kenttäviivojen suunta on sama kuin kentän voimakkuuden suunta. Gravitaatiokentän voimakkuus riippuu kappaleen massasta sekä etäisyydestä kappaleeseen. Kappeleet tuntevat toistensa aiheuttamat gravitaatiokentät.

Kaikki kappleet niiden massasta riippumatta saavat gravitaatiokentässä saman kiihtyvyyden. Putoamiskiihtyvyys g ilmoittaa Maan gravitaatiokentän voimakkuuden. Maan gravitaatiokentän voimakkuus etäisyydellä r Maan keskipisteestä on sama kuin putoamiskiihtyvyyden suuruus tällä etäisyydellä.

Mustan aukon gravitaatiokenttä on niin voimakas, että se vetää kaiken materian sisäänsä. Maata kiertävässä avaruusaluksessa vallitsee ”painottomuus”, koska alus ja sen matkustajat ovat vapaassa putoamisliikkeessä. Alus ja matkustajat eivät kuitenkaan putoa Maan pinnalle, jos aluksen nopeuden suunta ja suuruus ovat sopivia. Painottomaksi sanotaan tilaa, jossa ei ole tukivoimaa. Painottomuus ei siis tarkoita, että kappaleeseen kohdistuva paino olisi nolla.

Mekaaninen energia gravitaatiokentässä

Aurinkokunnan mekaaninen energia on taivaankappaleiden liike-energiaa ja niiden välisten gravitaatiovuorovaikutusten potentiaalienergiaa. On sovittu, että äärettömän kaukana Auringon gravitaatiokentässä olevan kappaleen potentiaalienergia on nolla. Taivaankappaleen potentiaalienergia etäisyydellä r Auringosta saadaan määrittämällä työ, joka olisi tehtävä, jos taivaankappale siirrettäisiin tältä etäisyydeltä äärettömän kauas Auringosta. Gravitaation tekemä työ on negatiivinen, koska voima ja siirtymä ovat vastakkaisuuntaiset.