Sähkövirta

Wikipediasta
(Ohjattu sivulta Johtavuusvirta)
Siirry navigaatioon Siirry hakuun

Sähkövirta tarkoittaa sekä fysikaalista ilmiötä että siihen liittyvää suuretta.[1] Ilmiönä sähkövirta on sähkö­varausten liikettä. Suureena sähkövirta (tunnus I) ilmaisee sähköjohteen poikkipinnan läpi aikayksikössä kulkevan sähkövarauksen määrän. SI-järjestelmässä sähkövirta on yksi perussuureista, ja sen yksikkö on ampeeri (A). Yksi ampeeri on yhden coulombin suuruisen varauksen kulku johteen poikkipinnan läpi yhden sekunnin (s) aikana; 1 A = 1 C/s.

Sähkövirta ilmiönä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Systeemi, jossa sähkövirta voi kulkea, on virtapiiri. Virran edellytys on potentiaaliero, eli jännite virtapiirin tarkasteltavien pisteiden välillä. Virtapiirin johteena voi olla mikä tahansa väliaine tai tila, jossa sähkövarauksia ylipäätään voi kulkea. Varauksen kuljettajana johteessa voi toimia elektronit, protonitselvennä, atomit, molekyylit, aukot, hiukkaset tai suuretkin kappaleet. Täten johteena voi toimia tyhjiö, kaasu, neste eli elektrolyytti tai kiinteä aine (johde, puolijohde tai eriste).[2]

Sähkövirta ilmiönä on yleinen luonnossakin, mutta paremmin ymmärretyksi se tuli vasta, kun Alessandro Volta 1700-luvun lopulla sai sen laboratoriossa keino­tekoisesti aikaan.[1] Virta voidaan havaita sen vaikutusten perusteella, joista tärkeimpiä ovat termiset, magneettiset ja kemialliset vaikutukset.[1]

Jos sähkövirran suunta pysyy vakioina, on kyseessä tasavirta. Vaihtovirta on sähkövirtaa, jonka suunta - ja täten myös voimakkuus - vaihtuvat jatkuvasti, käytännön sovelluksissa yleensä sinimuotoisesti; verkkovirta on sinimuotoista vaihtovirtaa. Sähköenergian siirto vaihtovirralla on huomattavasti häviöttömämpää kuin tasavirralla. Toisaalta tasavirta on turvallisempaa sähköiskun sattuessa.

Varauksenkuljettajina toimivat metalleissa elektronit, elektro­lyyteissä positiiviset ja negatiiviset ionit (kationit ja anionit), kaasuissa joko ionisoituneet molekyylit tai niistä irroneet vapaat elektronit. Tyhjiössä sähkö­virtaa voivat kuljettaa vapaat varaukselliset hiukkaset[3], esimerkiksi metallista tyhjiöön potenttiaalieron avulla irrotetut elektronit (katso elektroniputki).

Varauksenkuljettajat voivat siis olla sähkövaraukseltaan positiivisia tai negatiivisia. Alun perin ajateltiin, että sähkövirran aiheutti aina - myös johteessa - positiiviset varauksenkuljettajat, jolloin sähkövirran suunnaksi määrättiin suunta anodista (+) katodiin (-). Metallijohteissa varauksia kuljettavat kuitenkin tyypillisesti elektronit, jotka ovat negatiivisia sähkövarauksia. Täten varsinkin metallisissa johdemateriaaleissa, joissa varauksen kuljettajana toimii vapaat elektronit, varauksenkuljettajien liikesuunta on vastakkainen sähkövirran suuntaan nähden. Johteesta riippumatta elektronit varauksenkuljettajina kulkevat aina virran suuntaa vastaan. Varaukseltaan positiivisten varauksenkuljettajien, kuten kationien, liikesuunta on sama kuin sähkövirran suunta.[2][4]

Mikäli elektrolyytti, jossa on yhtäläisesti sekä positiivisia, että negatiivisia varauksenkuljettajia - esimerkiksi ruokasuolaliuos, jossa on positiivisesti varautuneita natriumioneja (Na+) ja negatiivisesti varautuneita kloridi-ioneja (Cl) - liikkuu, ei kyseessä ole sähkövirta. Tämä ymmärretään niin, että jos positiivisten varauksenkuljettajien tulkitaan aiheuttavan elektrolyytin liikkeen suuntaisen virran, aiheuttavat negatiiviset varauksenkuljettajat saman suuruisen, mutta vastakkaissuuntaisen virran. Näiden virtojen arvot ovat yhtä suuret, mutta suunnat päinvastaiset, joten ne kumoavat toisensa. Kokonaisvirta on siten nolla.[2]

Sähkövirran tuottaminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Sähkövirta voidaan saada aikaan mekaanisesti, termisesti tai kemiallisesti. Ensimmäinen tunnettu virtalähde oli galvaaninen pari, jossa kemiallinen reaktio ylläpitää sähkö­virtaa. Nykyäänkin paristoja käytetään virran lähteenä monissa kannettavissa laitteissa. Akku on sähkö­pari, jossa nämä reaktiot voidaan ulkoisen virran avulla saada tapahtumaan myös käänteiseen suuntaan, joten se voidaan ladata uudestaan.[5]

Teknisesti tärkeinkenen mukaan? sähkövirran lähde on kuitenkin sähkömagneettinen induktio, johon perustuvat kaikki erilaisten voima­laitosten generaattorit.[5]

Sähkövirtaa voidaan saada aikaan myös valon tai muun sähkömagneettisen säteilyn avulla. Tähän perustuvat aurinkokennot (katso valosähköinen ilmiö). Sähköjännite ja täten sähkövirtaa on mahdollista saada tuotettua myös Peltier'n ilmiön avulla; kun virtapiirin jokin osa on eri metallia kuin muu virtapiiri ja eri metallien liitoskohdat ovat eri lämpötilassa muodostuu virtapiirin avoimiin päihin jännite. Tällainen laite on lämpöpari.[5] Katso peltier-elementti. Sähköenergiaa voidaan tuottaa myös polttokennolla.

Sähkövirta suureena[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Suureena sähkövirta (tunnus I tai i [6][7]) ilmaisee johtimen poikkileikkauksen läpi kulkevan sähkö­varauksen määrää aikayksikössä. Se on yksi SI-järjestelmän perussuureista. [2][4] Suureen nimi oli aikaisemmin sähkövirran voimakkuus, mutta nykyisin se on lyhennetty muotoon sähkövirta, jolla siis voidaan tarkoittaa sekä ilmiötä että sitä kuvaavaa suuretta.[1] Suureen tunnus, I , tulee ranskan kielestä intensité du courant [8]

Teoreettisesti sähkö­varaus olisi luonnollisempi valinta sähkö­opin perus­suureeksi kuin sähkö­virta.[9] Sähkö­virta on kuitenkin valittu perus­suureeksi lähinnä mittaus­teknisistä syistä, koska se voidaan sekä magneettisten että kemiallisten vaikutustensa, Ampèren lain ja Faradayn induktiolain perusteella, mitata ja mittaukset myös toistaa paljon täsmällisemmin kuin varauksia voidaan mitata Coulombin lakiin perustuen.[1]

Yksikkö[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

SI-järjestelmässä sähkövirran perusyksikkö on ampeeri (tunnus A [6][7]), joka on määritelty antamalla alkeisvaraukselle kiinteä lukuarvo 1,602 176 634 · 10-19 kun varauksen yksikkönä on coulombi eli ampeerisekunti (A·s). Sekunti vuorostaan on määritelty cesiumin tietyn taajuuden (cesium-133-atomin häiriintymättömän perustilan ylihienorakenteen kahden energiatason välistä siirtymää vastaavan säteilyn taajuuden, ΔtCs) avulla.[10] Ennen vuotta 2019 ampeeri oli määritelty erityisellä tavalla; kahdessa, toisistaan metrin päässä samansuuntaisesti tyhjiössä kulkevassa äärettömän pitkässä ja ohuessa, johtimessa kulkee molemmissa yhden ampeerin sähkövirta, jos niiden välille syntyy 2×10−7 newtonin suuruinen voima johdinmetriä kohti.[6][11][12][2][13]

Yhden ampeerin virta vastaa noin 6,2415×1018 alkeisvarauksen kulkua poikkileikkauksen läpi sekunnissa. Sekunnissa kulkevien varaustenkuljettajien suuri määrä johtuu yksittäisen sähkövarauksen pienuudesta ja täten niiden suurista määristä. Suuruusluokaltaan ampeeri on varsin lähellä ihmisen arjen tarpeita.[4]

Sähkövirran vaikutukset[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Sähkövirta johtimessa aiheuttaa johtimen ympärille sähkö- ja magneettikentän, joita kutsutaan myös yhteisnimellä sähkömagneettinen kenttä. Sähkövirran synnyttämän magneettikentän suunta saadaan selville 'oikean käden paukalosäännöllä'; "Kun johtimen ympärille kierretyn oikean käden peukalo osoittaa virran suuntaan, niin sormen päät osoittavat magneettikentän suunnan".[14]

oikeankäden peukalosääntö johtimessa kulkevan virran synnyttämälle magneettikentälle.

Magneettikentän voimakkuutta kuvataan magneettivuon tiheydellä

Johtimen sähkövirran kykyä synnyttää magneettikenttä kutsutaan johtimen induktanssiksi. Magneettikenttä voidaan havaita jopa kompassilla, kunhan virta on yli ampeerin suuruinen. Sähkövirran aiheuttama magneettikenttä aiheuttaa muissa magneeteissa tai muissa sähköjohtimissa voimia, jotka pyrkivät siirtämään niitä paikoiltaan. Tähän ilmiöön perustuu sähkömoottorien toiminta.[15]

Sähkövirran kulku ei ole edes metallisissa johteissa vapaata, vaan johde-elektronien kulkua haittaavat metallien atomit. Elektronien törmäillessä atomeihin menettävät ne liike-energiaansa ja luovuttavat sitä atomeille, jotka alkavat värähdellä paikallaan. Tämä värähtely on lämpöliikettä, joka leviää johtimessa ja lämmittää sitä. Tätä sähkövirran kasvua rajoittavaa ominaisuutta kutsutaan resistanssiksi.[16][17] Sähkövirran lämpövaikutukseen perustuvat esimerkiksi sähkölämmitys, sähköliedet ja myös hehkulamput, joiden kuluttamasta energiasta noin 95 %:a vapautuu lämpönä ja vain noin 5 %:a valona. Sähköenergian siirrossa lämmön kehittyminen on kuitenkin haitallista, sillä tehoa kuluu sen vuoksi hukkaan. Tämän vuoksi energian siirrossa pyritään käyttämään suurta jännitettä ja pientä virtaa, mikä vaihtovirtaa käytettäessä on saatavissa aikaan muuntajan avulla.

Tyhjiössä varauksenkujettajat saadaan liikkeelle kiihdyttämällä ne vauhtiin sähkökentän avulla. Kun vapaasti liikkuva hiukkanen osuu atomeihin, jarruttuvat ne voimakkaasti aiheuttaen jarrutussäteilyä. Säteilyn aallonpituus voi olla mitä tahansa sähkömagneettisen spektrin aallonpituutta. Röntgenputken toiminta perustuu tähän jarrutussäteilyyn.

Kun sähkövirta kulkee elektrolyytissä eli nesteessä, jossa varuksenkuljettajina voivat toimia liuenneet ionit, saattaa aiheutua kemiallisia reaktioita. Esimerkiksi hopeanitraattiliuoksessa virtapiirin elektrolyyttiin yhdistävistä elektrodeista tulevat elektronit siirtyvät liuoksessa hopea-ionille pelkistäen sen liukenemattomaksi hopeametalliksi. Jos liuenneet aineet ovat toiset, esimerkiksi ruokasuolaa, aiheuttaa sähkövirta natrium-ionin pelkistymisen, mutta natrium taas veden hajoamisen vedyksi ja hapeksi. Kummassakin tapauksessa sähkövirran energia muuttuu kemialliseksi energiaksi.

Elollisen olennon hermosto toimii hermojen kuljettamien sähkösignaalien avulla. Jos ihmiskehon läpi johdetaan sähkövirtaa, ihminen saa sähköiskun, joka saattaa sekoittaa hermoston toimintaa. seurauksena voi olla esimerkiksi lihasten nykimistä tai kramppeja. Suurilla virroilla käynnistyvät kehossa myös kemialliset reaktiot ja se kuumenee, minkä seurauksena voi olla palovammoja. Vaihtovirta on huomattavasti tasavirtaa vaarallisempaa voidessaan jo milliampeeritasolla olla tappava. Tämä johtuu vaihtovirran muuttuvanapaisuudesta, joka voi aiheuttaa sydämen kammiovärinän.

Naiset aistivat miehiä herkemmin ihoon johdettua sähkövirtaa. Tuntemuksia aiheuttava alaraja tasavirralle käden iholla on naisilla keskimäärin 0,6 milliampeeria ja miehillä 1 mA. Kipuraja on naisilla 41 mA ja miehillä 62, ja hengitysvaikeudet alkavat naisilla 60 milliampeerista ja miehillä vasta 90:stä. 60 Hz:n vaihtovirralla vastaavat arvot olivat 0,3 mA ja 0,4 mA, sekä 9 mA ja 6 mA ja 15 mA ja 23 mA. Mahdollinen kammiovärinä syntyi kuitenkin miehille ja naisille samoilla virroilla; 0,03 s ja 1 300 mA sekä 3 s ja 500 mA. [18]

Lainalaisuuksia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Sähkövarausten määrä Q, joka kulkee poikkileikkauksen läpi aikajaksossa t on

kun sähkövirta I säilyy samansuuruisena.[19]

Sähkövirta muodostaa johtimen ympärille magneettikentän, jonka kiertää sitä. Syntyneen magneettikentän voimakkuus on suurimmillaan johtimen pinnalla, mutta heikkenee etäisyyden kasvaessa johtimesta. Magneettikentän voimakkuutta kuvataan suureella magneettivuon tiheys (B), joka on suoraan verranollinen sähkövirtaan ja kääntäen verrannollinen etäisyyteen (r) johtimesta: [20]

Johteen resistanssi (R) vastustaa sähkövirran kulkua ja aiheuttaa johtimen päiden välille eräänlaisen "vastapaineen" eli sähköteknisesti jännitehäviön (U). Ulkoinen jännite määrää, kuinka suuri virta (I) johteeseen syntyy;

Jännitehäviö (U) on suoraan verrannollinen resistanssiin (R) ja virtaan (I)

[21]

Yhden ohmin resistanssi yhden ampeerin virralla aiheuttaa yhden voltin jännitehäviön. Jännitehäviö voitetaan yhtä suurella ulkoisen jännitteen nostolla. Sähkölaitteeseen (virtapiiriin) syntyy sähkövirta vain, jos se on kytketty jännitelähteeseen; virtapiiri on suljettu.

Suljetun virtapiirin Johteen ja vastuksen resistanssi muuttaa sähköenergiaa lämmöksi. Lämpömäärä on suoraan verrannollinen virtaan, jännitteeseen ja ajalliseen kestoon ja käätäen verrannollinen resistanssiin;

missä E on lämpöenergia ja t kulunut aika. Jos tiedetään vain virta ja resistanssi, muuttu lauseke

eli lämmitystehoksi P muutettuna

[22]

Yhden ohmin resistanssi lämmittää johdinta yhden joulen verran sekunnissa eli yhden watin lämmitysteholla.

Sähkövirran mittaaminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Sähkövirtaa mitataan tavallisimmin virtamittarilla. Analogisen virtamittarin toiminta perustuu sähkövirran johtimeen synnyttämään magneettikenttään. Sähkövirta voidaan mitata tämän magneettikentän voimakkuudesta: kenttä vääntää mittarin viisaria suhteessa sen aiheuttaneen virran suuruuteen.

Sähkövirtaa voidaan mitata myös johtamalla virta pienen vastuksen (shunttivastuksen) läpi ja sitten mittaamalla jännitemittarilla (tai oskilloskoopilla) vastuksen yli vaikuttava jännite. Kun jännite ja vastus tunnetaan, virta voidaan laskea Ohmin lain avulla. Esimerkiksi milliohmin shuntilla saadaan millivoltin jännite ampeeria kohti (1 mV/A).

Yleismittari on laite, jolla voidaan mitata sähkövirtaa jännitteen ja vastuksen lisäksi. Yleismittarissa virran mittaus perustuu herkkään virta- tai jännitemittariin.

Vaihtovirtaa voidaan mitata virtamuuntajilla. Pihtivirtamittarin toiminta perustuu virtaa kuljettavan johtimen ympärille muodostuvan magneettikentän mittaamiseen: pihti toimii muuntajan sydämenä, pihdin sisällä oleva johdin toimii muuntajan ensiönä ja mittarin sisällä on toisiokäämitys.

On olemassa myös magnetoresistiivisiä virta-antureita.

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • Simons, Lennart: Fysiikka korkeakouluja varten. Porvoo: WSOY, 1963.
  • Eskola, Sisko Maria & Ketolainen, Pasi & Stenman, Folke: Fotoni – Sähkö. lukion fysiikan oppikirja. Helsinki: Otava, 2007. ISBN 978-951-1-20978-2.
  • Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): The International System of Units (SI) (pdf) (nro 330) NIST Special Publication. 2008. Washington D.C.: National Institue of Standards and Technology. Viitattu 15.2.2013. (englanniksi)

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. a b c d e Kaarle ja Riitta Kurki-Suonio: Vuorovaikutuksesta kenttiin – sähkömagnetismin perusteet, s. 141–144. Limes ry, 1995. ISBN 951-745-155-5.
  2. a b c d e Eskola & Ketolainen & Stenman: Fotoni – Sähkö, 2007, s. 16–18
  3. Kurki-suonio, s. 152
  4. a b c Simons, Lennart: Fysiikka korkeakouluja varten, s. 179–184
  5. a b c Kurki-Suonio, s. 153
  6. a b c SI-opas suomeksi
  7. a b Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): The International System of Units (SI), 2008, s. 23
  8. Vuorilehto, Roope: Lyhenteiden etymologiat ja tarkoitukset 2019
  9. Kurki-Suonio, s. 14
  10. SI-mittayksiköt Suomessa, sähkö VTT. ”Sähkövirran SI-yksikkö on ampeeri. Ampeerin tunnus on A ja sen määritelmän perustana on alkeisvarauksen e kiinteä lukuarvo 1,602 176 634 × 10−19, kun yksikkönä on C eli A∙s ja kun sekunnin määritelmän perustana on ∆νCs.” Viitattu 22.12.2021.
  11. Bureau International des Poids et Mesures, Unit of electric current (ampere)
  12. CODATA: Historical context of the SI – Unit of electric current (ampere) 2006. National Institute of Standards and Technology. Viitattu 25.2.2013. (englanniksi)
  13. Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): The International System of Units (SI), 2008, s. 21
  14. Virtajohtimen magneettikentästä sähkömagneettiin peda.net. Viitattu 21.12.2021.
  15. Simons, Lennart: Fysiikka korkeakouluja varten, s. 192–197
  16. Eskola & Ketolainen & Stenman: Fotoni – Sähkö, 2007, s. 24–29
  17. Eskola & Ketolainen & Stenman: Fotoni – Sähkö, 2007, s. 44–46
  18. [https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19810017132.pdf Electromagnetic field interactions with the human body: observed effects and theories. Technical Report CR166660. Nasa, April 1981. Sivu 28.] ntrs.nasa.gov. Viitattu ei tiedossa.
  19. Voipio, Erkki: Sähkö- ja magneettikentät, s. 3-7. Moniste 381. Espoo: Otakustantamo, 1987. ISBN 951-672-038-2.
  20. Voipio, Erkki: Sähkö- ja magneettikentät, s. 111. Moniste 381. Espoo: Otakustantamo, 1987. ISBN 951-672-038-2.
  21. Voipio, Erkki: Sähkö- ja magneettikentät, s. 12. Moniste 381. Espoo: Otakustantamo, 1987. ISBN 951-672-038-2.
  22. Voipio, Erkki: Sähkö- ja magneettikentät, s. 18. Moniste 381. Espoo: Otakustantamo, 1987. ISBN 951-672-038-2.

Kirjallisuutta[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • Lindell, Ismo; Sihvola, Ari: Sähkömagneettinen kenttäteoria 1. Staattiset kentät. Helsinki: Otatieto, 2013. ISBN 978-951-672-354-2.