Kuten aiemmin mainittiin, tarvitsemme muutakin kuin vain jatkuvan polun (eli virtapiirin), ennen kuin varauksen jatkuva virtaus syntyy: tarvitsemme myös jonkin keinon työntää näitä varauksen kantajia piirin ympäri. Aivan kuten kuulat putkessa tai vesi putkessa, tarvitaan jonkinlainen vaikuttava voima käynnistämään virtaus. Elektronien kohdalla tämä voima on sama voima, joka vaikuttaa staattisessa sähkössä: sähkövarauksen epätasapainon aiheuttama voima. Jos otamme esimerkkinä vahan ja villan, joita on hierottu yhteen, huomaamme, että elektronien ylijäämä vahassa (negatiivinen varaus) ja elektronien alijäämä villassa (positiivinen varaus) aiheuttavat varauksen epätasapainon niiden välille. Tämä epätasapaino ilmenee näiden kahden kappaleen välisenä vetovoimana:
Jos varattujen vahan ja villan väliin asetetaan johtava lanka, elektronit virtaavat sen läpi, kun osa vahan ylimääräisistä elektroneista ryntää langan läpi takaisin villaan ja täyttää siellä olevan elektronivajeen:
Elektronien epätasapaino vahan ja villan atomien välillä luo voiman näiden kahden materiaalin välille. Koska elektronit eivät pääse kulkemaan vahasta villaan, tämä voima ei voi muuta kuin vetää näitä kahta esinettä puoleensa. Nyt kun johdin kuitenkin ylittää eristysraon, voima saa elektronit virtaamaan johtimen läpi tasaiseen suuntaan, joskin vain hetkellisesti, kunnes kyseisen alueen varaus neutraloituu ja voima vahan ja villan välillä vähenee. Sähkövaraus, joka muodostuu näiden kahden materiaalin välille hankaamalla niitä yhteen, toimii tietyn energiamäärän varastona. Tämä energia ei eroa siitä energiasta, joka on varastoitunut korkealla olevaan vesisäiliöön, joka on pumpattu alempana olevasta lammesta:
Painovoiman vaikutus vesisäiliössä olevaan veteen synnyttää voiman, joka pyrkii liikuttamaan veden jälleen alemmalle tasolle. Jos altaasta johdetaan sopiva putki takaisin lampeen, vesi virtaa painovoiman vaikutuksesta altaasta putkea pitkin alaspäin:
Veden pumppaaminen matalan tason lammesta korkean tason altaaseen vaatii energiaa, ja veden liikkuminen putkistoa pitkin takaisin alaspäin alkuperäiselle tasolleen on edellisestä pumppauksesta varastoituneen energian vapauttamista. Jos vesi pumpataan vielä korkeammalle tasolle, siihen kuluu vielä enemmän energiaa, joten energiaa varastoituu enemmän ja energiaa vapautuu enemmän, jos veden annetaan virrata putkea pitkin takaisin alas:
Elektronit eivät juuri eroa toisistaan. Jos hankaamme vahaa ja villaa yhteen, ”pumppaamme” elektroneja pois normaalilta ”tasoltaan”, jolloin syntyy tila, jossa vahan ja villan välillä on voima, kun elektronit pyrkivät palauttamaan entisen asemansa (ja tasapainonsa omissa atomeissaan). Voima, joka vetää elektroneja takaisin alkuperäisiin asentoihinsa atomiensa positiivisten ytimien ympärille, on analoginen voiman kanssa, jota painovoima harjoittaa vesisäiliössä olevaan veteen yrittäen vetää sitä alas entiselle tasolleen. Aivan kuten veden pumppaaminen korkeammalle tasolle johtaa energian varastoitumiseen, elektronien ”pumppaaminen” sähkövarauksen epätasapainon luomiseksi johtaa siihen, että tietty määrä energiaa varastoituu tähän epätasapainoon. Ja aivan kuten se, että vettä päästetään virtaamaan takaisin alaspäin säiliön korkeudelta, johtaa tuon varastoidun energian vapautumiseen, samoin se, että elektroneja päästetään virtaamaan takaisin alkuperäiselle ”tasolleen”, johtaa varastoidun energian vapautumiseen. Kun varauksenkuljettajat ovat tuossa staattisessa tilassa (aivan kuten vesi seisoo paikallaan, korkealla säiliössä), sinne varastoitunutta energiaa kutsutaan potentiaalienergiaksi, koska sillä on mahdollisuus (potentiaali) vapautua, jota ei ole vielä täysin toteutettu.
Jännitteen käsitteen ymmärtäminen
Kun varauksenkuljettajat ovat tuossa staattisessa tilassa (aivan kuten vesi seisoo paikallaan, korkealla säiliössä), sinne varastoitunutta energiaa kutsutaan potentiaalienergiaksi, koska sillä on mahdollisuus (potentiaali) vapautua, jota ei ole vielä täysin toteutettu. Kun hankaat kumipohjaisia kenkiäsi kangasmattoa vasten kuivana päivänä, aiheutat sähkövarauksen epätasapainon sinun ja maton välille. Jalkojesi hankaaminen varastoi energiaa varausten epätasapainon muodossa, joka on pakotettu pois alkuperäisistä paikoistaan. Tämä varaus (staattinen sähkö) on paikallaan, etkä huomaa, että energiaa varastoituu lainkaan. Kun kuitenkin asetat kätesi metallista ovenkahvaa vasten (jossa on paljon elektronien liikkuvuutta sähkövarauksen neutraloimiseksi), varastoitunut energia vapautuu äkillisen varausvirran muodossa kätesi läpi, ja havaitset sen sähköiskuna! Tämä potentiaalienergia, joka on varastoitunut sähkövarauksen epätasapainon muodossa ja joka kykenee provosoimaan varauksenkuljettajia virtaamaan johtimen läpi, voidaan ilmaista terminä nimeltä jännite, joka teknisesti ottaen on potentiaalienergian mitta yksikkövarausta kohti tai jotain, mitä fyysikko kutsuisi ominaispotentiaalienergiaksi.
Jännitteen määritelmä
Staattisen sähkön yhteydessä määriteltynä jännite on työn mitta, joka vaaditaan yksikkövarauksen siirtämiseen paikasta toiseen vastoin voimaa, joka pyrkii pitämään sähkövaraukset tasapainossa. Sähköenergialähteiden yhteydessä jännite on potentiaalienergian määrä, joka on käytettävissä (tehtävä työ) yksikkövarausta kohti varausten siirtämiseksi johtimen läpi.Koska jännite on potentiaalienergian ilmaus, joka edustaa mahdollisuutta tai potentiaalia energian vapautumiseen varauksen siirtyessä ”tasolta toiselle”, jännite on aina suhteutettu kahden pisteen välille. Tarkastellaan vesisäiliöanalogiaa:
Pudotuskorkeuden eron vuoksi on mahdollista, että säiliöstä vapautuu putkiston kautta paikkaan 2 paljon enemmän energiaa kuin paikkaan 1. Periaate voidaan intuitiivisesti ymmärtää kiven pudottamisessa: kumpi johtaa voimakkaampaan iskuun, yhden jalan korkeudelta pudotettu kivi vai sama kivi, joka pudotetaan kilometrin korkeudelta? On selvää, että suuremmasta korkeudesta pudotettaessa vapautuu enemmän energiaa (voimakkaampi isku). Emme voi arvioida vesisäiliöön varastoituneen energian määrää pelkän vesimäärän mittaamisen perusteella sen enempää kuin voimme ennustaa putoavan kiven iskun voimakkuutta pelkän kiven painon tuntemisen perusteella: molemmissa tapauksissa on otettava huomioon myös se, kuinka kauas nämä massat putoavat alkuperäisestä korkeudestaan. Energiamäärä, joka vapautuu, kun massan annetaan pudota, on verrannollinen sen alku- ja loppupisteen väliseen etäisyyteen. Samoin potentiaalienergia, joka on käytettävissä varauksenkuljettajien siirtämiseen pisteestä toiseen, on suhteessa näihin kahteen pisteeseen. Siksi jännite ilmaistaan aina kahden pisteen välisenä suureena. Mielenkiintoista kyllä, analogia massan mahdollisesta ”putoamisesta” korkeudelta toiselle on niin osuva malli, että kahden pisteen välistä jännitettä kutsutaan joskus jännitepudotukseksi.
Jännitteen synnyttäminen
Jännitettä voidaan synnyttää muillakin keinoilla kuin hankaamalla tietyntyyppisiä materiaaleja toisiaan vasten. Kemialliset reaktiot, säteilyenergia ja magnetismin vaikutus johtimiin ovat muutamia tapoja, joilla jännite voidaan tuottaa. Esimerkkejä näistä kolmesta jännitelähteestä ovat akut, aurinkokennot ja generaattorit (kuten auton konepellin alla oleva vaihtovirtageneraattori). Emme nyt käsittele yksityiskohtaisesti, miten kukin näistä jännitelähteistä toimii – tärkeämpää on ymmärtää, miten jännitelähteitä voidaan käyttää varauksen virtauksen aikaansaamiseksi sähköpiirissä. Otetaanpa kemiallisen pariston symboli ja rakennetaan virtapiiri vaihe vaiheelta:
Miten jännitelähteet toimivat?
Kaiken jännitelähteen, myös paristojen, sähköisessä kosketuksessa on kaksi pistettä. Tässä tapauksessa meillä on edellä olevassa kaaviossa piste 1 ja piste 2. Vaihtelevan pituiset vaakasuorat viivat osoittavat, että kyseessä on akku, ja ne osoittavat lisäksi suunnan, johon tämän akun jännite yrittää työntää varauksenkuljettajia piirin läpi. Se, että akkusymbolin vaakasuorat viivat näyttävät olevan erillään toisistaan (eivätkä siten pysty toimimaan varauksen kulkureittinä), ei ole huolestuttavaa: todellisessa elämässä nämä vaakasuorat viivat edustavat metallilevyjä, jotka on upotettu nestemäiseen tai puolikiinteään aineeseen, joka paitsi johtaa varauksia myös tuottaa jännitteen, joka työntää varauksenkuljettajia eteenpäin vuorovaikutuksessa levyjen kanssa. Huomaa pienet ”+”- ja ”-”-merkit välittömästi akkusymbolin vasemmalla puolella. Pariston negatiivinen (-) pää on aina se pää, jossa on lyhyin katkoviiva, ja positiivinen (+) pää on aina se pää, jossa on pisin katkoviiva. Pariston positiivinen pää on se pää, joka yrittää työntää varauksenkuljettajia ulos paristosta (muista, että sopimuksen mukaan ajattelemme varauksenkuljettajien olevan positiivisesti varattuja, vaikka elektronit ovat negatiivisesti varattuja). Vastaavasti negatiivinen pää on pää, joka yrittää vetää puoleensa varauksen kantajia. Kun pariston ”+” ja ”-” päät eivät ole kytketty mihinkään, näiden kahden pisteen välillä on jännite, mutta pariston läpi ei virtaa varausta, koska ei ole jatkuvaa reittiä, jota pitkin varauksenkantajat voisivat liikkua.
Sama periaate pätee myös vesisäiliön ja pumpun analogiaan: ilman paluuputkea takaisin lampeen säiliöön varastoitunutta energiaa ei voida vapauttaa veden virtauksen muodossa. Kun säiliö on täyttynyt kokonaan, virtausta ei voi tapahtua, vaikka pumppu tuottaisi kuinka paljon painetta. Veden on kuljettava täydellistä reittiä (virtapiiriä) lammesta säiliöön ja takaisin lampeen, jotta virtaus olisi jatkuvaa. Voimme luoda tällaisen reitin akulle kytkemällä johdonpätkän akun toisesta päästä toiseen. Muodostamalla johdinsilmukan avulla virtapiirin, käynnistämme jatkuvan varauksen virtauksen myötäpäivään:
Sähkövirran käsitteen ymmärtäminen
Niin kauan kuin akku jatkaa jännitteen tuottamista ja sähköisen polun jatkuvuus ei katkea, varauksenkuljettajat jatkavat virtaamista virtapiirissä. Putkessa liikkuvan veden metaforan mukaisesti tätä jatkuvaa, tasaista varauksen virtausta virtapiirin läpi kutsutaan virraksi. Niin kauan kuin jännitelähde ”työntää” samaan suuntaan, varauksenkuljettajat liikkuvat piirissä samaan suuntaan. Tätä yksisuuntaista virtaa kutsutaan tasavirraksi eli DC:ksi. Tämän kirjasarjan toisessa osassa tutkitaan sähköpiirejä, joissa virran suunta vaihtuu edestakaisin: Vaihtovirta eli AC. Mutta nyt käsittelemme vain tasavirtapiirejä. Koska sähkövirta muodostuu yksittäisistä varauksenkuljettajista, jotka virtaavat yhdessä johtimen läpi liikkumalla ja työntämällä edellä kulkevia varauksenkuljettajia, aivan kuten kuulat putken läpi tai vesi putken läpi, virtauksen määrä koko virtapiirissä on sama missä tahansa pisteessä. Jos seuraisimme yksittäisen virtapiirin johtimen poikkileikkausta ja laskisimme sen ohi kulkevat varauksenkuljettajat, huomaisimme täsmälleen saman määrän aikayksikköä kohti kuin missä tahansa muussa virtapiirin osassa, riippumatta johtimen pituudesta tai halkaisijasta. Jos katkaisemme virtapiirin jatkuvuuden jossakin kohdassa, sähkövirta lakkaa koko silmukassa, ja akun tuottama täysi jännite ilmenee katkoksen yli, niiden johtimien päiden välissä, jotka olivat aiemmin kytkettyinä:
Mikä on jännitehäviön napaisuus?
Huomaa virtapiirin katkoksen päihin piirretyt ”+”- ja ”-”-merkit ja kuinka ne vastaavat akun napojen vieressä olevia ”+”- ja ”-”-merkkejä. Nämä merkit osoittavat, mihin suuntaan jännite yrittää työntää virtaa, tätä potentiaalin suuntaa kutsutaan yleisesti napaisuudeksi. Muista, että jännite on aina suhteellinen kahden pisteen välillä. Tämän vuoksi myös jännitehäviön napaisuus on suhteellinen kahden pisteen välillä: se, merkitäänkö piirin pisteeseen ”+” vai ”-”, riippuu toisesta pisteestä, johon se viitataan. Katso seuraavaa piiriä, jossa jokainen silmukan kulma on merkitty numerolla viitteeksi:
Kun piirin jatkuvuus on katkennut pisteiden 2 ja 3 välillä, pisteiden 2 ja 3 välillä pudonneen jännitteen polariteetti on pisteessä 2 ”+” ja pisteessä 3 ”-”. Pariston napaisuus (1 ”+” ja 4 ”-”) yrittää työntää virran silmukan läpi myötäpäivään 1:stä 2:een 3:een 4:ään ja takaisin 1:een. Katsotaan nyt, mitä tapahtuu, jos kytkemme pisteet 2 ja 3 takaisin yhteen, mutta asetamme virtapiiriin katkoksen pisteiden 3 ja 4 väliin:
Katkoksen ollessa pisteiden 3 ja 4 välissä näiden kahden pisteen välisen jännitehäviön polariteetti on ”-” pisteelle 4 ja ”+” pisteelle 3. Huomaa erityisesti, että pisteen 3 ”merkki” on päinvastainen kuin ensimmäisessä esimerkissä, jossa katkos oli pisteiden 2 ja 3 välissä (jolloin pisteen 3 merkintä oli ”-”). Meidän on mahdotonta sanoa, että tässä piirissä piste 3 on aina joko ”+” tai ”-”, koska napaisuus, kuten jännite itsessään, ei ole spesifinen yksittäiselle pisteelle, vaan se on aina suhteellinen kahden pisteen välillä!
KATSAUS:
- Latauskantajia voidaan motivoida virtaamaan johtimen läpi samalla voimalla, joka ilmenee staattisessa sähköntuotossa.
- Jännite on kahden paikan välillä olevan tietyn potentiaalienergian (potentiaalienergian yksikkömäärää kohti laskettu potentiaalienergiaa varausyksikköä kohti) mitta. Maallikon termein ilmaistuna se on varauksen motivoimiseen käytettävissä olevan ”työntövoiman” mitta.
- Jännite potentiaalienergian ilmaisuna on aina suhteellinen kahden paikan tai pisteen välillä. Joskus sitä kutsutaan jännitteen ”pudotukseksi”.
- Kun jännitelähde kytketään virtapiiriin, jännite saa aikaan varauksenkantajien tasaisen virtauksen virtapiirin läpi, jota kutsutaan virraksi.
- Yksittäisessä (yhden silmukan) virtapiirissä virran määrä missä tahansa pisteessä on sama kuin virran määrä missä tahansa muussa pisteessä.
- Jos jännitelähteen sisältävä virtapiiri katkaistaan, kyseisen jännitelähteen koko jännite näkyy katkaisupisteiden yli.
- Jännitehäviön +/–suuntaisuutta kutsutaan napaisuudeksi. Se on myös suhteellinen kahden pisteen välillä.
LÄHESTYVÄT TYÖLEHTISET:
- Jännitteen, virran ja resistanssin laskentataulukko