Sähköoppi: Sähkövaraus, virtapiirit, resistanssi ja teho

Kattava sanastoharjoitus fysiikan sähköopin peruskäsitteistä: sähkövaraus, atomin rakenne, virtapiiri, mittaukset, resistanssi, Ohmin laki, kytkennät, sähköenergia ja sähköteho.

Sähkövaraus

Esineen ominaisuus, joka voi syntyä esimerkiksi hankauksessa elektronien siirtyessä. Sähkövarauksia on kahta lajia: positiivinen ($+$-merkki) ja negatiivinen ($$-merkki). Samanmerkkiset sähkövaraukset hylkivät toisiaan ja erimerkkiset vetävät toisiaan puoleensa.

Atomin rakenne ja varaus

Atomi koostuu positiivisista protoneista ja varauksettomista neutroneista muodostuvasta atomiytimestä sekä ydintä kiertävillä elektronikuorilla olevista negatiivisista elektroneista. Protonin ja elektronin sähkövaraukset ovat yhtä suuret, ja atomi on sähköisesti neutraali, koska siinä on yhtä monta protonia ja elektronia.

Esineen varautuminen

Ilmiö, joka aiheutuu elektronien siirtymisestä esineiden välillä. Negatiivisesti varautuneessa esineessä on enemmän elektroneja kuin protoneja, ja positiivisesti varautuneessa esineessä on vähemmän elektroneja kuin protoneja.

Elektronien siirtyminen esineen sisällä

Ilmiö, jossa lähellä oleva varattu esine siirtää sähköisesti neutraalin esineen atomien elektroneja niin, että esineen toinen pää varautuu positiivisesti ja toinen pää negatiivisesti.

Kipinäpurkaus

Kahden eri tavoin varatun esineen välille syntyvä purkaus, jossa liikkuu elektroneja ja joka hävittää esineiden välillä olleen jännitteen tehden esineistä sähköisesti neutraaleja.

Jännite ($U$)

Suure, joka kuvaa kahden varatun esineen tai virtalähteen napojen välistä sähköistä tilaa ja aiheuttaa suljettuun virtapiiriin sähkövirran. Tunnus on $U$ ja yksikkö voltti ($\text{V}$).

Suljettu virtapiiri ja avoin virtapiiri

Suljettu virtapiiri on sähkövirran katkeamaton reitti, jonka muodostavat johdot, paristo ja sähkölaite. Avoimessa virtapiirissä reitti on katkaistu (esimerkiksi kytkimellä), jolloin virtapiirissä ei kulje sähkövirtaa.

Sähkövirta ($I$)

Suljetussa virtapiirissä kulkeva virta, jonka jännite saa aikaan. Sähkövirran tunnus on $I$ ja yksikkö ampeeri ($\text{A}$).

Sähkövirran suunta

Sopimuksen mukainen suunta virtapiirissä plusnavasta miinusnapaan, vaikka metallijohtimessa elektronien todellinen liikesuunta on miinusnavasta kohti plusnapaa.

Komponentti

Virtapiirissä käytettävä yksinkertainen sähkölaite (kuten lamppu, vastus, käämi tai katkaisija). Kaikki virtapiirin komponentit ovat kaksinapaisia.

Kytkentäkaavio

Virtapiirin rakennetta kuvaava piirros, jossa oikeat laitteet ja komponentit on esitetty sovituilla yksinkertaisilla piirrosmerkeillä ja yhdistetty suorilla viivoilla.

Johde ja eriste

Johde on aine (kuten kupari, kulta tai alumiini), jossa on vapaita elektroneja ja joka johtaa sähkövirtaa. Eriste on aine (kuten muovi, lasi tai kumi), jossa ei ole vapaita elektroneja ja joka ei johda sähkövirtaa.

Jännitemittari

Mittalaite, jolla mitataan pariston tai komponentin napojen välinen jännite. Jännitemittari kytketään rinnan mitattavan laitteen kanssa, ja se vastustaa paljon sähkövirtaa.

Virtamittari

Mittalaite, jolla mitataan virtapiirin sähkövirta. Virtamittari kytketään sarjaan tutkittavan komponentin kanssa osaksi virtapiiriä.

Paristojen kytkentä sarjaan

Kytkentätapa, jossa paristot kytketään jonoon siten, että niiden erimerkkiset navat yhdistetään. Kokonaisjännite on sarjaan kytkettyjen paristojen jännitteiden summa (esim. kolme $1{,}5\text{ V}$ paristoa sarjassa antaa $4{,}5\text{ V}$).

Paristojen kytkentä rinnan

Kytkentätapa, jossa paristojen samanmerkkiset navat yhdistetään toisiinsa. Kytkennän kokonaisjännite on sama kuin yhden pariston jännite, mutta paristot kestävät kauemmin ja antavat energiaa pidempään.

Verkkojännite

Pistorasian reikien eli kohtioiden välinen vaihtojännite, jonka suuruus on noin $230\text{ V}$.

Resistanssi ($R$)

Suure, joka kuvaa komponentin tai laitteen kykyä vastustaa sähkövirtaa. Resistanssin tunnus on $R$, yksikkö ohmi ($\text{V/A}$ eli $\\\Omega$) ja se lasketaan yhtälöstä $R = \frac{U}{I}$.

Vastus

Komponentti, jolla on tietyn suuruinen resistanssi ja jota käytetään virtapiirissä rajoittamaan sähkövirran suuruutta.

Vastusten kytkentä sarjaan

Kytkentätapa, jossa vastukset yhdistetään peräkkäin. Sarjaan kytkennässä kokonaisresistanssi kasvaa yhtälöllä $R = R_1 + R_2$, jolloin sähkövirta pienenee.

Vastusten kytkentä rinnan

Kytkentätapa, jossa komponenttien navat yhdistetään toisiinsa rinnakkain. Kokonaisresistanssi pienenee yhtälöllä $\frac{1}{R} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2}$, ja jännitelähteestä otettava sähkövirta kasvaa.

Metallilankavastus

Vastus, jonka läpi kulkeva suuri sähkövirta lämmittää metallilankaa niin, että se alkaa hehkua tai lämmittää (esimerkiksi leivänpaahtimessa, silitysraudassa, kiukaassa ja sähköliedessä).

Oikosulku

Vaaratilanne, joka syntyy, kun jännitelähteen navat yhdistetään suoraan sähköjohdolla, jonka resistanssi on pieni. Tällöin syntyvä suuri sähkövirta kuumentaa johtoa ja voi sytyttää tulipalon.

Sähköenergia ($E$)

Virtapiirissä kulkevan sähkövirran siirtämä energiamuoto, jonka tunnus on $E$ ja yksikkö joule ($\text{J}$). Sähkölaitteissa sähköenergia muuntuu ääni-, valo-, lämpö- ja liike-energiaksi.

Sähköteho ($P$)

Suure, joka kertoo, kuinka tehokkaasti laite muuntaa sähköenergiaa toisiksi energiamuodoiksi aikayksikössä. Tehon tunnus on $P$, yksikkö watti ($\text{W}$) ja se lasketaan yhtälöstä $P = UI$.

Kilowattitunti ($\text{kWh}$)

Sähköenergian mittayksikkö sähkölaskennassa. Kulutettu sähköenergia lasketaan kaavalla $E = Pt$, jossa teho on ilmoitettu kilowatteina ($\text{kW}$) ja käyttöaika tunteina ($\text{h}$).

Termostaatti

Laite tai kytkin, joka katkaisee virtapiirin sähkövirran automaattisesti, kun sähkölaite (kuten uuni, silitysrauta tai kiuas) on saavuttanut halutun lämpötilan.

Sähköisku

Hengenvaarallinen tilanne, jossa ihminen tulee osaksi suljettua virtapiiriä ja sähkövirta kulkee kehon läpi. Voi aiheuttaa sydämen pysähtymisen.

Hohtodiodi (LED)

Komponentti, joka lähettää valoa suurella hyötysuhteella jo hyvin pienellä sähkövirralla ja tarvitsee merkittävästi vähemmän energiaa valon tuottamiseen kuin perinteiset hehkulamput.