ELEKTROMAGNETISMI RAKENDUSED


Elektrivool


Elektrivool

Elektrivooluks nimetatakse vabade laetud osakeste korrapärast (suunatud) liikumist.

Elektrivoolu tekkimiseks peab olema täidetud kaks tingimust:

  • peavad olemas olema vabad laetud osakesed (see tähendab kogu keha ulatuses vabaltlt liikuda saavad laenguga osakesed ehk tegu peab olema elektri­juhi või pooljuhiga);
  • osakestele peab mõjuma kindla suunaline jõud (keha peab asuma elektriväljas)

Elektrivoolu suunaks loetakse kokkuleppeliselt positiivsete osakeste liikumissuunda. Kui juhis positiivseid osakesi ei liigu, loetakse voolu suunaks negatiivsete osakeste liikumisele vastupidist suunda.

Juhid. Dielektrikud. Pooljuhid

Selliseid laetud osakesi, mis ei ole seotud ühegi konkreetse molekuli või aatomiga ning saavad vabalt liikuda kogu keha ulatuses, nimetatakse vabadeks laengukandjateks.

Aineid, milles on vabu laengukandjaid samas suurusjärgus aines sisalduvate osakestega, nimetatakse elektrijuhtideks.

Aineid, milles vabade laengukandjate arv võrreldes neis sisalduvate osakeste arvuga on tühine, nimetatakse dielektrikuteks. Dielektrilisest materjalist valmistatud kehi nimetatakse ka iso­laa­to­riteks.

Pooljuht on aine või element, milles on vabu laenguid vähem kui elektrijuhis, aga ja vähem kui dielektrikus. Pooljuhid on enamasti kristallstruktuuriga ained, s.t nende aatomid või molekulid paik­ne­vad kindla korra kohaselt, moodustades kristallivõre. Pooljuhid on väga tundlikud välismõjude ja lisandite suhtes. Iseloomulik on elektrijuhtivuse (aines sisalduvate vabade laengukandjate arvu) järsk suurenemine temperatuuri kasvades, samuti võõraine aatomite mõjul.

Voolutugevus

Füüsikalist suurust, mis iseloomustab ajaühikus elektrijuhti läbiva elektrilaengu suurust nimetatakse voolutugevuseks:

 

kus I on voolutugevus (A), Δq – juhti läbiva laengu suurus (C), Δt – ajavahemik, mis kulus laengu liigutamiseks (s)

Kui on teada millised osakesed liiguvad, saab elektrivoolu tugevust leida valemist:

kus I – voolutugevus, q – suunatult liikuva elektrilaengu suurus, n = N/V – laetud osakeste kontsentratsioon (N – osakeste arv, V – osakestega täidetud ruumala), S – juhi ristlõikepindala

ampereVoolutugevuse ühikuks on amper (1A), mis on üks seitsmest SI fundametaalühikust. Amper on defineeritud kahe vooluga juhi vastastikmõju kaudu (Ampere’i jõud): kui kaks paralleelset vooluga juhti, milles on sama tugevusega elektrivool ning mis asuvad vaakumis teineteisest 1m kaugusel mõjutavad iga oma meetri kohta teineteist jõuga 2 × 10−7  N, siis on voolutugevus nendes võrdne 1 ampriga.

Pinge

Füüsikalist suurust, mis iseloomustab väljajõudude poolt laengu ühest punktist teise liigutamisel tehtavat tööd, nimetatakse pingeks:

kus U – pinge, A – väljajõudude (nimetatud ka kui elektrivoolu) töö ning q – väljajõudude poolt (ka elektrivoolu) liigutatava laengu suurus.

Pinge ühikuks on volt (1V):

Ohm’i seadus. Takistus. Juhtivus

Seose kahe elektrivoolu iseloomustava füüsikalise suuruse – pinge ja vooltugevuse avastas 1827. aastal saksa kooliõpetaja, füüsika ja matemaatik Georg Simon Ohm, mistõttu teatakse vastavat loodusseadust ka Ohm’i seadusena: voolutugevus ahelas on võrdeline pingega selle ahela otstel ja pöördvõrdeline selle ahela takistusega:

kus I – voolutugevus; U – pinge ja R – takistus

Kui pinge ahela otstel 1V tekitab ahelas voolu tugevusega 1A, on selle ahela takistus 1Ω (oom)

Algselt pani Ohm oma seaduse kirja hoopis kujul:

kus I – voolutugevus; U – pinge  ja G – juhtivus.

Juhtivuse ühikuks on siimens (1S)

Kui voolutugevusel 1A on pinge selle ahela otstel 1V, on selle ahela elektrijuhtivus 1S (siimens).

Takistus ja juhtivus on teineteise pöördväärtused!

Ohm avastas, et takistus (juhtivus) ei sõltu pingest juhi otstel ega ka voolutugevusest juhis ning nende suhe erinevate tar­bijate korral on erinev. Küll on takistus (juhtivus) nende kaudu arvutatav.

Takistus (juhtivus) sõltub hoopis tarbija mõõtmetest, materjalist ja temperatuurist:

kus ρ (roo) – materjali eritakistus, σ (sigma) – materjali erijuhtivus, l – juhi pikkus, S – juhi rist­lõike­pindala.

Eritakistuse mõõtühikuks on oom korda meeter (1Ω∙m) – see on 1m pikkuse ja 1m2 ristlõikepindalaga tarbija takistus. NB! Lubatud on kasutada ka oom korda ruutmillimeeter meetri kohta – see on 1m pikkuse ja 1mm2 ristlõikepindalaga tarbija takistus.

Materjali eritakistus (ρ) sõltub temperatuurist:

kus  ρ0 – juhi eritakistus normaaltemperatuuril (t0=0°C); – takistuse temperatuuritegur  ja t – juhi temperatuur.

Takistuse temperatuuritegurit α mõõdetakse kraadi pöördväärtustes (1 °C-1 või ka 1K-1)

Metallide takistuse temperatuuritegur on positiivne – so temperatuuri tõustes, metallide eritakistus suureneb, temperatuuri kahanedes takistus väheneb. Dielektrikute ja pooljuhtide korral on takistuse temperatuuritegur negatiivne – temperatuuri tõustes takistus väheneb (juhtivus suureneb).

Väga madalatel temperatuuridel (u 3K=-270°C) kaob metallide elektritakistust täielikult (R=0!) – seda nähtust nimetatakse ülijuhtivuseks.

Jada- ja rööpühendus

Tarbijaid (elektrijuhte) võib vooluahelasse ühendada kas jadamisi või rööbiti.

Jadaahela tunnuseks on see, et selles ei esine hargnemisi – eelmise juhi lõpp on ühendatud järgmise algusega. Ahelas suunatult liikuvad laengud läbivad oma teel kõiki jadaahelasse ühendatud tarbijaid – seepärast on voolutugevus jadaühenduse korral kõikides tarbijates ühesugune. Pinge jadaahela otstel on võrdne pingete summaga tarbijatel. Jadaahela korral on ahela kogutakistus võrdne tarbijate takistuste summaga – ahela juhtivus väheneb.

kus I1, I2, …, IN – voolutugevused tarbijates, I – voolutugevus ahelas, R1, R2, …, RN – tarbijate takistused, R –ahela takistus; G1, G2, …, GN – tarbijate juhtivused, G –ahela juhtivus; U1, U2, …, UN – pinged ahelat moodustavate tarbijate otstel, U – pinge ahela otstel.

Rööpahela tunnuseks on see, et ahelas võib elektrivool esineda paralleelselt mitmes harus samaaegselt – omavahel on kokku ühendatud tarbijate „algus“ ja „lõpp-punktid“. Seepärast nimetatakse rööpühendust sageli ka paralleelühenduseks. Rööpühenduse korral on pinge ahela (ja seda moodustavate tarbijate) algus ja lõpp-punktidel ühesugune, kuid voolutugevus ahela hargnemata osas on võrdne voolutugevuste summaga ahelat moodustavates tarbijates.  Rööpahela korral liituvad tarbijate juhtivused – ahela takistus väheneb.

kus I1, I2, …, IN – voolutugevused tarbijates, I – voolutugevus ahelas, R1, R2, …, RN – tarbijate takistused, R –ahela takistus; G1, G2, …, GN – tarbijate juhtivused, G –ahela juhtivus; U1, U2, …, UN – pinged ahelat moodustavate tarbijate otstel, U – pinge ahela otstel.

Galvanomeeter

Galvanomeeter on analoogmõõteriist määramaks elektrivoolu olemasolu, suurust ja suunda elektrijuhis. Galvanomeetriga on võimalik kindlaks teha ka väga nõrga voolu olemasolu juhis.

Galvanomeetri töö põhineb Ørsted’i ja Ampere’i poolt avastatud asjaolul, et vooluga juht mõjutab püsimagnetit ja vastupidi.

Kui galvanomeetri mähist (2), milles on pöörlemisteljel asuv ferro­magneetiline südamik (1) läbib elektrivool, püüab see püsi­mag­neti (3) magnetväljas asetuda selliselt, et mähise keerud oleksid mag­net­välja jõujoontega risti. Mähisega ühendatud vedrukesed (4) takistavad mähisel vabalt pöörelda. Mida tugevam vool mähist läbib, seda tugevam jõumoment magnetväljas mähisele mõjub ja seda rohkem mähis ja sellega ühendatud osuti (5) skaalal tasakaaluasendist (nullasendist) kõrvale pöördub.

Kui voolu suund mähises muutub, muutub ka jõumomendi suund ning mähis pöördub teisele poole.

Ampermeeter. Voolutugevuse mõõtmine

Ampermeeter on galvanomeeter, mis on kohaldatud voolutugevuse mõõtmiseks. Ampermeetri eripäraks on tema võime lasta peaaegu takistuseta läbi elektrivoolu – seepärast ei tohi ampermeetrit kunagi ühendada otse vooluallikaga – väikseimgi pinge ampermeetri otstel põhjustab väga suure tugevusega voolu mõõteriista mähises ning võib seda kahjustada.

Ampermeeter ühendatakse tarbijaga, milles voolutugevust mõõta soovitakse, jadamisi. Kuna voolutugevus jadaahelas on ühesugune, siis pole oluline, kas ampermeeter ühendatakse tarbija „algus“ või „lõpp-punktiga“.

Ampermeetri ühendamisel tuleb jälgida ampermeetri polaarsust – mõõteriista positiivne klemm peab olema ühendatud juhtmetega, mis viivad otse või läbi tarbija vooluallika positiivsele poolusele. Negatiivse klemmiga ühendatud juhtmed peavad viima vooluallika negatiivsele poolusele.

Voltmeeter. Pinge mõõtmine

Voltmeeter on galvanomeeter, mis on kohaldatud pinge mõõtmiseks. Voltmeetri eripäraks on tema võime peaaegu üldse mitte endast elektrivoolu läbi lasta. Voltmeeter ühendatakse nende punktide vahele ahelas (rööbiti), mille vahelist pinget mõõta soovitakse. Sobiva mõõtskaalaga voltmeetri võib ühendada voo­lu­allika poolustega – nii saame mõõta koormuseta voolu­allika klemmipinget, mis on võrdne vooluallika elektro­mo­toorjõuga.

Multimeeter

   

Ampermeeter (vasakul) ja voltmeeter (paremal) on monofunktsionaalsed mõõteriistad, mis on mõeldud kindlas vahemikus vastavalt voolutugevuse ja pinge mõõtmiseks.

Tänapäeval leiab elektrimõõtmistes laialdast kasutust polü­funkt­sio­naalne multimeeter – see on seadeldis erinevate elektrimõõtmiste tegemiseks.

Tavalisel, koolides kasutataval multimeetril on pööratav lüliti, millega saab valida seadmele mõõtefunktsiooni ja vajaliku mõõtepiirkonna. Siiski tuleb ka multimeetrit kasutades meeles pidada, et voolutugevuse mõõtmisel ühendatakse mõõteriist tarbijaga jadamisi, pinge mõõtmisel rööbiti.

Kui multimeetriga mõõdetakse tarbija takistust, ühendatakse multimeeter tarbijaga rööbiti.

Elektrivoolu töö ja võimsus

Laetud osakeste suunatud liikumisel teevad elektrivälja jõud laengute liigutamiseks tööd – seda tööd nimetataksegi elektrivoolu tööks ning on avaldatav erinevate elektrivälja ja/või voolu iseloomustavate suuruste kaudu järgmiselt:

kus A – elektrivoolu töö; Δq – juhti läbinud elektrilaeng (kogulaeng); U – pinge juhi otstel; I –juhti läbiva elektrivoolu tugevus; Δt – ajavahemik, mille jooksul vool juhti läbib.

Võimsus oli mäletatavasti füüsikaline suurus, mis iseloomustas ajaühikus tehtud tööd:

Elektrivälja jõudude poolt laengu liigutamisel (elektrivoolu) võimsuse saame järelikult leida seostest:

kus, N – elektrivoolu võimsus; A – elektrivoolu töö; Δq – juhti läbiv elektrilaeng (kogulaeng); U – pinge juhi otstel; I –juhti läbiva elektrivoolu tugevus; Δt – ajavahemik, mille jooksul vool juhti läbib.

Joule’ – Lenz’i seadus

Kui vooluahelas ei ole liikuvaid juhte ega esine ainete keemilist muundumist, siis elektrivoolu poolt tehtava töö arvelt juht ainult soojeneb st tema siseenergia suureneb:

Kui juhi siseenergia muutus avaldub:

ja voolu poolt tehtud töö

Siis kui A=Q, saame Joule’ – Lenz’i seaduse panna kirja valemina:

kus Q – juhis eraldunud soojushulk (J); c – juhi erisoojus (J/(kgK)); m – juhi mass (kg); ΔT = T2-T1 – temperatuuri muutus (K); I – voolutugevus (A); R – takistus (Ω); t – ajavahemik, mille jooksul juhti läbib elektrivool (s)

Vooluallikad. Vooluallika elektromotoorjõud

Et juhis saaks tekkida pikemaajalisem elektrivool, tuleb juhis tekitada ja hoida elektrivälja (pinget juhi otstel) pikema aja jooksul. Vooluallikad on seadeldised, mis on mõeldud elektrivälja tekitamiseks ja säilitamiseks.

Kuna vooluallika sees peavad elektrilaengud liikuma elektrivälja jõududele vastupidises suunas, siis põhineb voolukate töö mingite mitteelektriliste jõudude tööl. Sõltuvalt sellest milline energia muundatakse vooluallikas elektrivälja energiaks, liigitatakse vooluallikaid:

  • keemilisteks (elektrivälja energiaks muundub keemiliste reaktsioonide energia – akud, patareid);
  • valguslikeks (elektrivälja energiaks muundub valgusenergia – päikesepatareid)
  • soojuslikeks (elektrivälja energiaks muundub – soojusenergia)
  • mehaanilisteks (elektrivälja energiaks muundub liikumise energia)
Patareides ja akudes muundub nendes toimuvate keemiliste reaktsioonide energia elektrivälja energiaks – tegu on keemiliste vooluallikatega Päikesepatareides muundub elektrivälja energiaks valguse energia – tegemist on valguslike vooluallikatega
Elektrigeneraatoris muundub elektrivälja energiaks liikumise (mehaaniline) energia – tegu on mehaanilise vooluallikaga Termoelemendis  muundub elektrivälja energiaks soojusenergia – tegu on soojusliku vooluallikaga

Sõltumata vooluallikas laenguid liigutavate jõudude olemusest, teevad need jõud – kõrvaljõud – seal laengu liigutamisel tööd. Füüsikalist suurust, mis iseloomustab kõrvaljõudude poolt laengu ümber­pai­gutamiseks tehtava töö suurust, nimetatakse elektromotoorjõuks:

kus ε – elektromotoorjõud; Akj – kõrvaljõudude poolt tehtud töö; Δq – vooluallikas ümber paigutatud laengu suurus.

Elektromotoorjõu ühik:

Sageli aetakse vooluallikatest rääkides segamini mõisted pinge ja elektromotoorjõud. Olgu siinkohal rõhutatud, et pinget kasu­ta­takse elektrivälja jõudude töö, elektromotoorjõudu aga mitteelektriliste jõudude töö ise­loo­mus­ta­miseks.

Kui vooluallikas on ühendatud suletud vooluringi, siis tuleks tema klemmidega ühendatud voltmeetri näidu kirjeldamisel rääkida vooluallika klemmipingest. Kui vooluallikas on ahelasse ühendamata või on tegu avatud vooluringiga, näitab vooluallika klemmidega ühendatud voltmeeter meile vooluallika elektromotoorjõudu.

Vooluallika sisetakistus. Ohm’i seadus suletud vooluringi kohta

Vaatleme suletud vooluringis esinevate jõudude poolt tehtavat kogutööd – vooluallikast väljaspool teevad tööd elektrijõud, vooluallika sees aga kõrvaljõud.

Seega võime öelda, et elektrivool teeb tööd mitte ainult vooluringi välisosas vaid ka vooluallika sees. Vooluallika poolt tema sees aset leidvale laengute suunatud liikumisele (elektrivoolule) avaldatavat takistavat mõju iseloomustatakse vooluallika sise­takis­tusega (r).

Vooluringis kõigi jõudude – nii elektriliste kui kõr­val­jõu­dude –  poolt tehtava kogutöö kaudu saame näidata, et voolutugevus suletud vooluringis on võr­de­line vooluallika elektromotoorjõuga ning pöördvõrdeline vooluringi kogutakistusega:

kus I – voolutugevus vooluringis, ε – vooluallika elektromotoorjõud; R – vooluahela välistakistus (vooluallikaga ühendatud tarbijate ja juhtmete kogutakistus); r – vooluallika sisetakistus.

Ülaltoodud seaduspärasust tuntakse ka Ohm’i seadusena suletud vooluringi kohta. Seda seadust on võimalik kirja panna ka kujul:

kus UA – pinge (langus) vooluringi välisosal (ahelal); UVA – pinge (langus) vooluallika sees.

Elektrivool metallides

Metallides on vabadeks laengukandjateks vabad- ehk valents­elekt­ronid.

Elektrivälja sattudes hakkavad vabad elektronid liikuma elektri­välja jõujoontele vastupidises suunas.

Elektrivoolu suunaks metallides loetakse elektronide liikumisele vastupidist suunda.

Voolu toimel metallides keemilisi muutusi ei toimu.

Elektrivool elektrolüütides

Vedelikke, milles leidub vabu laengukandjaid nimetatakse elektrolüütideks. Elektrolüütideks on soolade, hapete ja leeliste vesilahused ning vas­­tavad ained vedelas (sulas) olekus.

Elektrolüütides on vabadeks laengukandjateks positiivsed ja negatiivsed ioonid.

Elektrivälja sattudes hakkavad positiivsed ioonid liikuma elektrivälja jõujoonte suunas, negatiivsed ioonid aga jõujoontele vastupidises suunas. Voolu suunaks elektrolüütides loe­tak­se positiivsete ioonide liikumissuunda.

Kui ioonid jõuavad välja tekitava laetud kehani (vooluallika pooluseni), kaotavad nad seal oma laengu ning muutuvad tagasi metalli vms aine aatomiteks – nii väheneb elektrivoolu toimel elektrolüütides sisalduvate ioonide arv ning muutub lahuse keemiline koostis.

Voolutugevus metallides ja elektrolüütides

Metallides, kus vabadeks laengukandjateks on elektronid, saab voolutugevust kirjeldada juhti lä­bi­vate elektronide suunatud liikumise kaudu:

kus I – voolutugevus (A); q0 – laengukandja (tavaliselt elektroni elementaarlaeng e=1,60∙10-19C) laeng; n – elektronide kontsentratsioon aines; S – juhi ristlõikepindala; v – vabade laengute suunatud liikumise kiirus.

Elektrolüütides, kus vabadeks laengukandjateks on ioonid, kirjeldatakse elektrivoolu elektrolüüdist voolu toimel välja sadestuva ainekoguse kaudu:

kus I – voolutugevus; m – negatiivsel elektroodil välja sadestunud aine mass; k – aine elektrokeemiline ekvivalent, mida mõõdetakse 1 kg/(As) ehk 1 kg∙A-1∙s-1.

Elektrivool gaasides

Gaasid on üldjuhul dielektrikus st neis ei leidu vabu laen­gukandjaid. Selleks, et gaasis saaks tekkida elektrivool, tuleb sinna vabad laengukandjad te­ki­ta­da – gaas tuleb ioniseerida.

Olukorda, kus gaas ioniseerub välismõju toimel, nimetatakse sõltuvaks gaaslahenduseks, kui io­ni­see­rumine toimub välise mõjutuseta, on tegu sõltu­matu gaaslahendusega. Osaliselt või täielikult ioni­see­ritud gaasi nimetatakse plasmaks.

Sõltuvateks gaaslahendusteks on

  • termoionisatsioon (kus gaasi tekivad vabad laengukandjad – elektronid ja ioonid – gaasi välisel kuumutamisel) ja
  • fotoionisatsioon (kus gaasi tekivad vabad laengukandjad – elektronid ja ioonid – valguse toimel.

Kui välise mõjutaja toime lõppeb, lakkab ka elektrivool.

Sõltumatu gaaslahendus tekib reeglina tänu põrkeionisatsioonile – gaasimolekulid lagunevad ioonideks ja elektronideks omavaheliste põrgete tagajärjel. Näiteks õhus tekib sõltumatu gaaslahendus kui elektrivälja tugevus on 3 MV/m.

Sõltumatuteks gaaslahendusteks on

  • Sädelahendus tekib kui väline elektriväli pole võimeline tekitama gaasi vabu laengukandjaid pikema aja jooksul. Keskkonda tekib lühiajaline plasmakanal (säde, välk) ning selles tekkiv elektrivool neutraliseerib elektrivälja tekitanud erinimeliselt laetud kehad.

Plasmakanal

Säde

Välk

  • Huumlahendus on sõltumatu gaaslahendus, mis tekib alandatud rõhuga gaaskeskkonnas. Gaasi rõhu langemisel teatavast piirist allapoole, tekib keskkonnas plasmakanal, mis võib täita tervet keskkonda – luminofoor- ehk päevavalguslambid (säästulambid).
  • Kaarlahendus tekib olukorras, kus sõltumatu gaaslahenduse käigus eralduva energia tagajärjel elektrivälja tekitavad kehad (elektroodid) kuumenevad ning hakkavad emiteerima elektrone. Kaarlahendust kasutatakse näiteks elektrikeevitusaparaatides

Väike kaarleek piesotulemasinas

  • Koroonalahendus tekib tugevalt mittehomogeenses elektriväljas näiteks teraviku ja tasapinna vahel. Koroonalahendus erineb kaarlahendusest selle poolest, et siin tekib ionisatsioon ainult teraviku läheduses. Koroonalahenduseega on seletatav näiteks Püha Elmo tulede tekkimine laevamastides ja kirikutornides.

Koroonalahendus

Elektrivool pooljuhtides

Pooljuhtideks nimetatakse materjale, mille elektrijuhtivus on halvem kui elektrijuhtidel, kuid parem kui dielektrikutel. Nende peamine erinevus metallidega on see, et kui metallide eritakistus temperatuuri tõustes suurenes (takistus kasvas), siis pooljuhtidel see hoopis kahaneb (takistus väheneb). Nimetatud asjaolu tuleneb pooljuhtide siseehituse eripäradest.

Vaatleme pooljuhtmaterjalide elektrijuhtivus looduses enamlevinud materjali – räni (Si) näitel.

Räniaatomi välisel kihil on neli (valents)elektroni. Ränikristallis on kristallvõres igal aatomil vähemalt neli lähinaabrit. Sellist kristalli nimetatakse ka teemanti tüüpi kristallvõreks. Naaberaatomite vahel on kovalentne side – kaks aatomit ühendavad oma valentselektronid moo­dus­tades taoliselt elektronpaarid.

Madalatel temperatuuridel on ränikristallis kõik elektronid aatomitega seotud – see tähendab, et vabad laengukandjad puuduvad ning taoline materjal käitub dielektrikuna.

Kui hakata kristalli soojendama, siis hakkavad valentselektronid intensiivsemalt liikuma ning mõned sidemed võivad katkeda – tekivad vabad elektronid, mis annavadki ränile elektrijuhtivuse.

Pärast sideme katkemist jääb lahkunud elektroni koht vabaks – neid kohti nimetatakse aukudeks. Kuna augu puhul on tegemist elektroni puudumisega sellest, loetakse aukude elektrilaeng positiivseks. Aukude asukohad kristallides (nagu ka vabade elekt­ronide omad) ei ole püsivad, sest naaberaatomid vahetavad omavahel pidevalt elektrone.

Augud liiguvad nagu vabad elektronidki välise elektrivälja puudumisel kaootiliselt.

Niisiis tekitab pooljuhtide soojendamine laengukandjate paari elektron-auk. Taolise paari hävimist (elektron täidab augu) nime­ta­takse rekombinatsiooniks. Jääval temperatuuril on laengupaaride tekkimine ja nende rekombinatsioon tasakaalus.

Kui ühendada pooljuht vooluallikaga ning tekitada temas väline elektriväli, hakkavad vabad elektronid liikuma elektrivälja jõujoontele vas­tupidises suunas, augud aga jõujoonte suunas – tekib laengu­kandjate suunatud liikumine – elektrivool. Voolu suunaks loetakse positiivse laenguga osakeste – aukude liikumissuunda.

Kuna pooljuhtide eritakistustegur (ρ) muutub temperatuuri muutudes väga kiiresti – temperatuuri tõusul eritakistus väheneb, selle langedes aga suureneb, saab pooljuhte kasutada seadmetes – termistorides, mille abil jälgitakse ümbritseva keskkonna temperatuuri ning selle tõusmisel kriitilise piirini, ühendab termistor voolu ahelasse, kus asub alarmseadme (näiteks suitsu­anduri helisignaali) või hoopis maandab selle.

Joonisel on elektriskeem, kus madalate temperatuuride korral juhitakse elektrivool läbi tarbija (üles). Kui temperatuur ületab teatava kriitilise, rakendub tööle termistor ning vool suunatakse maandusesse.

Lisandjuhtivus pooljuhtides

Sobivalt valitud lisandite abil on võimalik valmistada pooljuhte, milles on ülekaalus elektron- või aukjuhtivus.

Lisades ränile (või mõnele teisele XIV rühma pooljuhtelemendile, näiteks germaaniumile Ge) väikeses koguses mõne XV rühma elemendi aatomeid (näiteks antimoni Sb), kusjuures piisab vaid mõnest kümnetuhandikust protsendist, kui tekib olukord, kus vabade elekt­ro­nide hulk pooljuhtkristallis suureneb võrreldes aukude arvuga oluliselt.

Põhjuseks on XV rühma elemendi väline elektronkiht, kus asub viis elektroni. Kristallis jääb nüüd kovalentse sideme moodustamisel XIV rüh­ma aatomiga üks elektron üle ning see muutubki vabaks elektroniks ilma, et tekiks auku. Taolist, pooljuhi kristallis vabade elektronide arvu suurendavaid lisandeid nimetatakse doonorlisanditeks. Doonorlisandiga pooljuhte, kus on ülekaalus vabad elektronid, nimetatakse n-tüüpi pooljuhtideks (lisandjuhtideks).

Kui lisada ränile (või germaaniumile) väikeses koguses mõne XIII rühma elemendi aatomeid (näiteks boori B), kui tekib olukord, kus aukude hulk pooljuhtkristallis suureneb võrreldes elektronide arvuga oluliselt.

Põhjuseks on XIII rühma elemendi väline elektronkiht, kus asub kolm elektroni. Nüüd jääb kristallis kovalentse sideme moodustamisel XIV rüh­ma aatomiga üks elektron puudu ning kristalli tekib auk ilma, et vaba elektroni. Taolist, pooljuhi kristallis aukude arvu suurendavaid lisandeid nimetatakse aktseptorlisanditeks. Aktseptorlisandiga pooljuhte, kus on ülekaalus augud elektronid, nimetatakse p-tüüpi pooljuhtideks (lisandjuhtideks).

PN-siire

Pooljuhtkristalli, mille üks osa sisaldab doonor-, teine aga aktsep­torlisandit nimetatakse pn-siirdeks.

Kirjeldatud olukorra tekkimise järel algab lisandjuhtide kon­takt­piirkonnas intensiivne laengute vahetamine ehk elektronide- aukude difusioon – elekt­ro­nid siirduvad n-pooljuhist p-pooljuhti, aukude liikumine on aru­saa­davalt vastu­pidine.

Taoliste üleminekute tõttu laadub n-pooljuhi kontaktpind positiivselt, p-pool­­juhi kontaktpind aga negatiivselt – p- ja n-pooljuhi ühenduskihi – tõkkekihi – erinevate poolte vahel tekib pinge.

Tõkkekihis endas tekib elektriväli, mis takistab laengute edasist vahetamist kristalli erinevate poolte vahel. Ainult need elektronid ja/või augud, millel on piisavalt suur energia,  suudavad ületada elektri­välja takistavat mõju ning tungida läbi tõkkekihi. Tõkkekihis endas vabu laenguid praktiliselt ei ole, sest nad ei suuda sealse elektrivälja tõttu paigale jääda ning liiguvad temast kiiresti läbi.

Kui pn-siirdega kristallis väline elektriväli puudub, ei saa me rääkida ka elektrivoolu olemasolust, sest elektronide-aukude liikumist kristalli erinevate poolte vahel võime lugeda tasakaalus olevateks ning tekkivad „voolud“ sisuliselt nullivad teineteist. Kui asetada pn-siirdega pooljuht välisesse elektrivälja – rakendada tema otstele pinge, sõltub järgnev välise elektrivälja polaarsusest.

Kui väline elektriväli on  vastassuunaline tõkkekihi elektriväljaga (joonis a), siis tõkkekihis elektriväli nõrgeneb ning enamus-laengukandjad (p-pooljuhis augud, n-pooljuhis elektronid) liiguvad läbi siirde – siiret läbib tugev elektrivool. Vastavat pinget ja voolu nimetatakse päri­pingeks ja pärivooluks.

Kui  välise välja suund langeb aga kokku tõkkekihi elektrivälja suunaga, hakkavad augud liikuma elektri­välja suunas (vooluallika negatiivsele poolusele), elektronid aga elektriväljale vastupidises suunas (vooluallika positiivsele poolusele) ning pn-siiret läbiv vool on kas väga nõrk või puudub sootuks. Vastavat pinget ja voolu nimetatakse vastu­pingeks ja vastu­vooluks

Sama tugevusega välise elektrivälja korral tekkiv pärivool on miljoneid kordi tugevam kui vastuvool. Taoline pn-siirde omadus võimaldab meil teda kasutada omalaadse ventiilina, mis ühes suunas laseb elektri­voolu läbi, teises aga mitte.

Taoliseid pn-siirdele iseloomuliku ventiili-omadustega pooljuhtseadmeid nimetatakse pooljuht-dioodideks.

Pooljuhtseadmeid kasutavat elektroonikaharu nimetatakse pooljuhtelektroonikaks.

Valgusdiood

Valgusdiood on pn-siirdega pooljuhtdiood, mis muundab elektrienergiat näh­ta­vaks valguseks, samuti optiliseks kiirguseks spektri infrapunases või ultra­vio­let­ses osas.

Valgusdioodi nimetatakse ka lühivormiga LED (inglise keelest Light-Emitting Diode – valgust kiirgav diood).

Õige suurusega päripinge rakendamisel elektroodidele hakkab valgusdiood kiirgama kindla lainepikkusega valgust, mis sõltub kestast ja teistest koos­tis­ele­me­n­tidest, mida diood sisaldab.

Valgusdioodil on kaks kontakti – anood ja katood. Valgusdioodi joonistel on anood tähistatud “+” ja katood “-” sümboliga.

Päripingestamisel rakendatakse LED-i anoodile positiivne ja katoodile negatiivne pinge. Vastupidisel juhul valgusdiood ei sütti.

LED-i päripinge sõltub selle värvusest – pikema lainepikkusega LED-ide (punased) puhul on see suurusjärgus ~2V, lühema lainepikkusega (sinised) on see ~3V.

Tavaliselt on LED-ide võimsus mõnikümmend millivatti, millest tulenevalt peab ka elektrivoolu võimsus olema samas suurusjärgus. Kui rakendada LED-ile suurema võimsusega (pingega) voolu, võib ta läbi põleda.

Valgusdioodi kiirgus kujutab endast elektroluminestsentsi, mis tekib elektriliselt ergastatud elekt­ronide ja aukude rekombinatsioonil. Rekombinatsioonil vabanev energia võib kuluda valguskvandi (footoni) tekitamiseks, mõne teise juhtivustsooni elektroni energia suurendamiseks või kristalli võnkekvandi ergastamiseks.

LED-ide eelised ja puudused teiste valgusallikatega võrreldes
EELISED PUUDUSED
Valgusdioodid eraldavad tarbiva võimsusühiku kohta rohkem valgust kui hõõglambid või lumi­no­foorlambid (säästulambid) LED-valguse hind on väga kõrge – hind on luu­meni kohta kallim kui ükski teine valgus­teh­no­loogia
Erinevalt luminofoorlampidest, on LED-ide ka­su­tegur on sõltumatu kujust ja suurusest LED-i tööjõudlus sõltub oluliselt ümbritseva keskkonna temperatuurist. Kui temperatuur on liiga kõrge, võib see viia LED-i läbipõlemiseni
LED-id eraldavad vähem soojust kui teised val­gus­allikad (Hõõglampide puhul moo­dus­tab soo­jus kuni 95% kulutatud energiast). LED-valguses paistavad esemete värvid teist­su­gused kui päevavalguses. Üksik diood on kitsa lai­nepikkuse spektriga
Valgusdioodid on väga väikesed, mistõttu saab neid kasutada kohtades, kuhu alternatiivsed valguslahendused ei mahu. LED-valguse valgustatuse nurk on väga kitsas – ühe valgusdioodiga ei saa valgustada suurt ala
Valgusdioodid kiirgavad konkreetset värvi val­gust, nad ei vaja selleks eraldi filtreid. Kuna külma valgusega LED eraldab rohkem sinakat valgust kui teised valgusallikad, tekitab ta sellega rohkem valguse saastatust (valgusmüra).
LED-i valgustugevust saab kergesti reguleerida, muutes rakendatavat pinget. LED-id nõuavad kindla polaarsusega elektri­voolu. LED süttib vaid juhul, kui ta anoodile rakendatakse positiivne ja katoodile negatiivne pinge. Vastupidisel juhul valgusdiood ei sütti.
LED-ide süttivusaeg on väga kiire – 10ns või isegi vähem.
Valgusdiood talub hästi kiireid sisse-välja lülitusi, mida luminofoorlambid või hõõglambid ei talu.
LED ei põle läbi nagu teised valgusallikad, vaid ajapikku nende valgusviljakus väheneb..
LED-del on erakordselt pikk eluiga u 50 000 … 200 000 h. Luminofoorlampidel 10 000 … 15 000 h, hõõglampidel 1 000 … 2 000 h
Luminofoor- ja hõõglambid on haprad, LED-ides ei kasutata kergesti katkevat hõõgniite ega klaasist detaile, mis teeb nad purunemis- ja vibratsioonikindlaks.
Valgusdioode on lihtne fokuseerida, valmis­ta­des need vastavate omadustega. Luminofoor- ja hõõglampide puhul läheb tavaliselt tarvis vä­li­seid reflektorpindu, et suunata valgust vaja­mi­nevas suunas.
LED-id on keskkonnasõbralikud, sest nende tootmisel ei kasutata pliid ega elavhõbedat, valgustites kasutatavad valgusdioodid ei sisalda IR- ja UV-kiirgust – seega ei saasta need keskkonda ega kujuta ohtu inimestele

Fotodiood

Fotodiood (ka ventiil-fotoelement või fotorakk) on pooljuhtdiood, mille elektrilised omadused sõltuvad tema pn-siirdele  langevast nähtavast valgusest, samuti ultraviolett- või infrapunakiirgusest.

Sisemise fotoefekti toimel tekitab valgus pn-siirdes elektromotoorjõu, mida olenevalt dioodi ühen­dusviisist saab kasutada elektrivoolu tekitamiseks või siirde elektrijuhtivuse muutmiseks.

Fotodiood on ehitatud nii, et tema pn-siire oleks keskkonnast langevale valgusele avatud. Pn-siirdele langevad footonid, tekitavad vabade auk- elektron paare, mis siirde elektrivälja toimel pn-siirde läbivad. Dioodi otstele tekib potentsiaalide vahe, mida nimetatakse fotoelektromotoorjõuks.
Fotodioode kasutatakse kahes töörežiimis: (1) fotogalvaaniliseks nimetatakse režiimi kui diood muundab valgusenergiat elektrienergiaks, näiteks töötades päikeseelemendina;

(2) vastu­pingerežiimiks (ka foto­di­oo­di­režiimiks) olukorda kui foto­diood töötab koos välise pingeallikaga ning registreerib muutusi valguse intensiivsuses – näiteks fototajuritena pildi­sen­sorites (parempoolne foto) või suitsuandurites (ülemine foto), mis peavad reageerima juba väiksemale õhu läbi­paist­vu­se muutusele.


Elektromagnetismi rakendused


Vahelduvvool kui laengukandjate sundvõnkumine

Nähtust kus perioodiliselt (või peaaegu perioodiliselt) muutuvad elektromagnetvälja iseloomustavad suurused (elektrilaeng, elektrivälja tugevus, pinge, voolutugevus, magnetinduktsioon, magnetvoog jne) elektromagnetvõnkumisteks.

Kui elektromagnetvõnkumised leiavad aset süsteemisiseste protsesside tagajärjel (näiteks  võn­ke­rin­gis toimuva kondensaatori tühjenemisvoolu ja induktiivpoolis tekkiva ekstravoolu koosmõjul), nime­tatakse elektromagnetilisteks vabavõnkumisteks.

Elektromagnetvõnkumisi, mida põhjustab perioodiliselt muutuv väline elektro­mo­toor­jõud, nimetatakse elektromagnetilisteks sund­võn­kumisteks.

Seotud kujutisLihtsaim võimalus vahelduvvoolu saamiseks on panna juhtivast materjalist (traadist) raam mag­netvälja pöörlema.

Magnetinduktsiooni ning raami pinnanormaali vahele jääv nurk α muutub seoses raami pöör­le­misega:

α = ωt

kus ω – pöörlemise ringsagedus, t- ajahetk

Järelikult muutub ka raami läbiv magnetvoog Φ seoses raami pöörlemisega magnetväljas perioodiliselt:

Φ = BScosωt,

kus B – välja magnet-induktsioon, S – raami pindala, ω – pöörlemise ringsagedus, t- ajahetk

Saab näidata, et kui raami läbiv magnetvoog muutub perioodiliselt, siis raamis indutseeritav elektromotoorjõud (pinge raami otstel) avaldub:

U=Umsinωt

kus U – pinge hetkväärtus, Um=BSω – pinge maksimumväärtus (amplituudväärtus)

Kui ahela otstele rakendatakse perioodiliselt muutuv pinge, siis muutub perioodiliselt ka ahelas tekkiv elektrivoolu tugevus. Voolutugevuse muutused võivad toimuda pinge muutumisega samas faasis, kuid reeglina on nad pinge muutumisest ajaliselt siiski nihutatud:

I=Imsin(ωt+φ)

kus I – voolutugevuse hetkväärtus, Im – voolutugevuse maksimumväärtus (amplituudväärtus), ω – pöörlemise ringsagedus, t- ajahetk ning φ – faasinihe pinge ja voolutugevuse muutumise vahel.

Generaator. Elektrijaamad

Seadeldist, mis muudab mehaanilise liikumise tänu elekt­ro­­magnetilise induktsiooni nähtusele vahelduv­vooluks nimetatakse elektrigeneraatoriks.

Pildiotsingu generator principle tulemusLihtsaim generaator ehk dünamo koosnebki püsi- või elektro­magneti mag­netväljas pöörlevast traatraamist.

Tavaliselt pöörleb magnetväljas korraga palju ferro­mag­net­südamikule mähitud raame, milles igaühes in­dut­see­ri­tak­se kindla suurusega elektromotoorjõud (klem­mi­pin­ge). Kuna raamid on omavahel ühendatud jadamisi, siis nende elektromotoorjõud liituvad.

Vahelduvvoolu toodetakse elektrijaamades, kus toimub mingi muu energialiigi muundamine elektri­energiaks. Elektrijaamades kasutatavates generaatorites indutseeritav elektromotoorjõud võib ulatuda küm­ne­tes­se tuhandetesse voltidesse.

Videoklipp, mis selgitab elektromagnetilise induktsiooni olemust ning generaatorite töötamist

Elektrijaamu liigitatakse sõltuvalt sellest milline energialiik jaamas elektriks muundub.


Elektrienergia tootmine


Tehaseid, milles toodetakse elektri­energiat, nimetatakse elektri­jaa­ma­deks – neid muundatakse min­gi­su­gune teine energia liik generaatorite abil elektrienergiaks.

Elektrijaamu liigitatakse selle järgi, millist energiat kasutatakse elektri­generaatori liikuma pane­mi­seks (järgnevas tabelis erinevate jaa­ma­de töötamise põhimõtted):

(1) hüdroelektrijaamades (HEJ) pa­neb generaatori liikuma ülespaisutatud vee voolamise energia; (2) tuuleelektrijaamades (TEJ) paneb generaatori liikuma tuule kineetiline energia; (3) soojuselektrijaamades (SEJ) paneb generaatori liikuma kütuse põlemisel vabanev siseenergia; (4) aatomielektrijaamades (AEJ) paneb generaatori liikuma tuumareaktsioonides vabanev tuumaenergia; (5) loodeteelektrijaamades paneb generaatori liikuma ookeani tõusu- ja mõõnavoolude energia; (6) päikeseelektrijaamades muundatakse elektrienergiaks Päikeselt tulev kiirgusenergia. (5) geotermaalelektrijaamadesmuundatakse elektrienergiaks maasoojuse energia; (7) ja (8) laineenergiaelektrijaamades muundatakse elektrienergiaks ookeanilainete energia.

   
   
   
   
 Erinevate elektrijaamade tüübid

Elektrimootor

Ampere’i seadusest on teada, et vooluga juhtmele mõjub magnetväljas jõud, mis on tingitud sellest, et juhis sisalduvatele liikuvatele laetud osakestele mõjuvad Lorentz’i jõud.

Tänu Ampere’i jõule võib vooluga juht hakata magnetväljas liikuma. Kui asetada magnetvälja vooluga raam, hakkab see magnetväljas pöörlema. Nimetatud nähtusel põhinebki elektrimootorite töötamine.

Elektrimootor on elektro­me­haa­niline seade, mis muundab elektrienergia mehaaniliseks tööks.

Elektromagnetismi nähtusel põhinevad mootorid tekitavad jõudu mag­net­välja ja voolu all oleva juhti vastastikmõjust. Vastupidise saa­vu­ta­miseks – elektrienergia tekitamiseks mehhaanilisest energiast, kasutatakse generaatoreid või dünamoid. Mõnda elektrimootorit saab kasutada ka generaatorina, näiteks sõiduki veomootor võib olla kasutusel mõlemal eesmärgil. Elektrimootoreid ja generaatoreid kutsutakse ühisnimega elektrimasin.

Lihtsaim elektrimootor koosneb järgmistest osadest: (1) magnetvälja tekitav püsi- või elektromagnet, (2) pöörlemistelje omav vooluga raam, tavaliselt ferromagnetsüdamikule keritud mähis (3) ühendusklemmid (harjad) voolu juhtimiseks raami ning (4) vooluallikas elektrivoolu tekitamiseks raamis.

Lühike videoõpetus sellest kuidas käepärastest vahenditest elektrimootorit valmistada (Kaido Reivelt Hommikutelevisoonis)

Trafo

Elektrijaamade generaatorid toodavad väga suure voolutugevusega elektrivoolu, mille ülekandmisel tarbijani oleks keeruline ja kallis sest (1) väga tugev elektrivool vajab transportimiseks väga jämedaid juhtmeid ning (2) isegi need jämedad juhtmed soojenevad tugeva voolu mõjul märgatavalt ning sellest tekiksid suured energiakaod

Generaatorist väljuva vahelduvvoolu tugevuse muundamiseks väiksemaks kasutatakse transfor­maa­toreid ehk trafosid. Trafo ülesandeks ongi muundada muutumatul sagedusel vahelduvvoolu/ vahelduvpinget teistsuguse pingega/voolutuge­vusega vahelduvvooluks

Trafo koosneb kahest ühele ja samale metall­sü­da­mi­kule keritud erineva juhtme­keer­dude arvuga mähisest: primaarmähisest, mis on ühendatud va­hel­duvpinge allikaga ja sekundaarmähisest, kus elektromotoorjõud (pinge) indutseeritakse mähises endas.

Trafo töö põhineb elektromagnetilise induktsiooni nähtusel. Primaarmähise otstele rakendatud va­hel­duvpinge tekitab mähises muutuva tugevusega elektrivoolu. Muutuva tugevusega vool tekitab ferriitsüdamikus muutuva magnetvoo, mis indutseerib sekundaarmähises muutuva suurusega elektro­motoorjõu. Sekundaarmähises indutseeritud elektromotoorjõud tekitab mähisega ühendatud voo­luahelas muutuva tugevusega elektrivoolu.

Saab näidata, et primaar- ja sekundaarmähise keerdude arvu ning primaar- ja sekundaarmähise pingete (elektromotoorjõudude) vahel kehtib seos:

kus k – trafo ülekandesuhe; Np – primaarmähise keerdude arv, Ns – sekundaarmähise keerdude arv, Up – pinge (ka elektromotoorjõud) primaarmähisel; Us – pinge (elektromotoorjõud) sekundaarmähisel

Seega iseloomustab trafo ülekandesuhe mitu korda tulenevalt mähises olevate juhtmekeerdude ar­vu­dest erineb pinge (elektromotoorjõud) primaarmähise otste vahel pingest (elektromotoorjõust) se­kundaarmähise otstel.

Kuna kehtib energia jäävuse seadus ja trafos (peaaegu võimsuse N = UI) kadusid ei esine, siis

kus Np ja Ns on vastavalt elektrivoolu poolt primaar- ja sekundaarmähises arendatavad võimsused, siis järelikult:

kus Up ja Ip– pinge ning voolutugevus primaarmähises; Us ja Is– pinge ja voolutugevus sekun­daar­mä­hi­ses, ehk:

nii mitu korda kui suureneb pinge trafo sekundaarmähise otse vahel, väheneb voolutugevus sekun­daarmähisega ühendatud vooluahelas.

Trafode kasutusalad ongi peamiselt seal, kus on tarvis (1) pinget suurendada selleks, et vähendada voolutugevust (elektrijaamades) või (2) pinge alandamiseks, et vähendada voolutugevust (alajaamades, keevitusaparaatides).

Elektrienergia ülekanne

Elektrijaamades genereeritakse tavaliselt elektromotoorjõudu, mille väärtuseks on 10kV. Kuna jaamade generaatorite võimsused ulatuvad megavattidesse, siis võib selle elektromotoorjõuga kaasnev voolutugevus ulatuda sadadesse ampritesse. Nii tugeva voolu edastamiseks on tarvis väga jämedaid elektrijuhtmeid ning lisaks sellele kaasneb nii tugeva vooluga juhtmetes eralduva soo­juse tõttu üli­suur energia­kadu.

Vähendamaks voolutugevusest tulenevaid kadusid, on elektri­jaamade juures trafojaamad, milles 10 kV pinge muundatakse oluliselt suuremaks.

Kui suurendada pinget 33 korda (10 kV à 330 kV), väheneb voolutugevus 33 korda, juhtmete soojenemisest tule­ne­vad kaod aga vähenevad koguni 332 ≈ 1100 korda (sest Joule’i-Lenz’i sea­du­se kohaselt ahelas, kus puuduvad liikuvad osad, on eralduv soojushulk võrdeline voolutugevuse ruuduga Q=I2RΔt).

Lõpptarbijale lähemale jõudes ha­ka­tak­se ülikõrget pinget tra­fo­de abil ma­da­lamaks muun­dama. Igas alajaamas, kus toimub pinge alandamine, püü­takse tekkiv vool jagada nii mitmesse harusse kui mitu korda vähenes pinge sekun­daar­mähisel primaar­mä­hisega võr­reldes.

Kodutarbijani jõuab enamasti pin­ge (elekt­ro­motoorjõud) 220V ning voolutugevus ei ulatu tavaliselt üle kümnekonna ampri.

Vahelduvvooluvõrk. Faas ja neutraal

Vahelduvvooluga töötavad tarbijad ühendatakse enamasti vooluahelasse rööbiti. Ka elektrijaamad, kus vahelduvvoolu toodetakse on vooluahelasse ühendatud rööbiti – nii ei tekita voolu tootmise kat­ke­mine ühes jaamas probleeme elektrivooluga varustamisel teistes harudes. Elektrijaamad (voo­lu­al­li­kad elektrijaamades), ülekandeliinid ning tarbijad koos moodustavad vahelduvvooluvõrgu.

Kui mõõta elektrivoolu olemasolu kodustes seinakontaktides, siis märkame, et vahelduvpinge esineb vaid ühel pistikupesa klemmil. Seda klemmi (ning sellega ühendatud juhet) nimetatakse faasiks. NB! Siin ei tähenda faas mitte võnkeseisundit vaid võnkumise olemasolu üldisemalt.

Teist klemmi ja sellega ühenduses olevat juhet nimetatakse neutraaliks (ja/või nulliks – nulljuhe, nullklemm).

Elektrijaamas asuv generaator tekitab nulljuhtmes Maa suhtes pinge – ehk ka sellest väljub üks juhe – faasijuhe, generaatori teine klemm on ühendatud Maaga (neutraal, null).

Kui ühendada vahelduvvoolu tarbiv seade vooluvõrku, siis toimub selle ühendamine mitte ainult faasijuhtmega vaid ka neutraali­juhtme kaudu Maaga.

Elektriohutus

Euroopa Liidus kasutusel olevad tarbijate pistikud omavad (ja neile vastavad pesad sisaldavad) lisaks faasi- ja neutraalklemmile veel ka kolmandat klemmi/juhet, mida nimetatakse maanduseks. Läbi selle on tarbija korpus ühendatud sügavale Maapinda kaevatud latiga.

Kui faasijuhe peaks rikke tõttu sattuma kontakti seadme korpusega, satuvad võrku toitvad elektrijaamad läbi kaitsme ja Maa lühisesse ning seadme korpuse puutumine on kasutaja jaoks jätkuvalt ohutu. Ohutustehnilised nõuded sätestavad, et kõik metallkorpusega tarbijad peavad olema maandatud.

Takistus vahelduvvooluahelas

Vahelduvvooluahelas esineb olemuslikult kolme eriliiki elektritakistust: (1) aktiivtakistust, (2) induktiivtakistust ning (3) mahtuvustakistust

Aktiivtakistuseks (R või XR) nimetatakse laengukandjate suunatud liikumisele mõjuvate teiste elektrijuhis asuvate elektrilaengute pidurdusjõudude toimet. See takistus on tarbijal olemas ka alalisvooluahelas ning selle suurus sõltub juhi mõõtmetest, materjalist ning temperatuurist.

Induktiivtakistus on vahelduvvoolu ahelas tingitud endainduktsiooni nähtusest – induktiivpool hakkab toimima vooluallikana, mis pidurdab väljastpoolt peale sunnitavat voolu muutumist. Induktiivtakistust alalisvooluahelas ei esine, sest seal voolutu tugevus ja suund ei muutu.

Induktiivtakistus on võrdeline vahelduvvoolu (ring) sageduse ning juhi induktiivsusega:

XL = ωL,

kus XL – induktiivtakistus; ω = 2πf – vahelduvvoolu ringsagedus (f – vahelduvvoolu sagedus); L – pooli induktiivsus.

Kondensaator käitub alalisvooluahelas isolaatorina so tema elektritakistus on lõpmata suur. Va­hel­duv­­vooluahelas laeb muutuv elektrivool pidevalt kondensaatorit ümber (plaatide laengud muutuvad) – seega läbib mahtuvust (kondensaatorit) sisaldavat vahelduvvooluahelat elektrivool. Mahtu­vus­ta­kis­tus on tingitud sellest, et kondensaator püüab tühjeneda ja panna temas sisalduvaid laenguid lii­ku­ma teda laadivale voolule vastupidises suunas.

Mahtuvustakistus on pöördvõrdeline vahelduvvoolu (ring) sageduse ning kondensaatori mah­tu­vu­sega

kus XC – mahtuvustakistus; ω = 2πf – vahelduvvoolu ringsagedus (f – vahelduvvoolu sagedus);  C – kondensaatori mahtuvus.

Faasinihe pinge ja voolutugevuse vahel

Kui vahelduvpinge muutub harmooniliselt:

U=Umsinωt

kus U – pinge hetkväärtus, Um=BSω – pinge maksimumväärtus (amplituudväärtus),

siis muutub harmooniliselt ka voolutugevus ahelas, millele muutuvpinge on rakendatud. Voolutugevus muutub pingega sama sagedusega, kuid sõltuvalt ahela takistuse iseloomust, võivad voolutugevuse muutused olla pinge muutustega võrreldes faasis nihutatud – esineb faasinihe.

I=Imsin(ωt+φ)

kus I – voolutugevuse hetkväärtus, Im – voolutugevuse maksimumväärtus (amplituudväärtus), ω – pöörlemise ringsagedus, t- ajahetk ning φ – faasinihe pinge ja voolutugevuse muutumise vahel.

 

Aktiivtakistusega ahelas muutuvad pinge ja voolutugevus samas faasis ehk aktiivtakistusega ahela faasinihkele vastav nurk on φ = 0° = 0 rad. See tähendab, et kui

U = Umsin(ωt), siis

I = Imsin(ωt)

 

    

Induktiivtakistusega ahelas jäävad voolutugevuse muutumised pinge muutustest veerandperioodi võrra maha. Induktiivtakistusega ahela faasinihkele vastav nurk on φ = –π/2 (ehk -90°). See tähendab kui

U = Umsin(ωt), siis

I = Imsin(ωt – π/2 )

 

 

 

Mahtuvustakistusega ahelas edestavad voolutugevuse muutumised pinge muutusi veerand­perioodi võrra. See tähendab, et  Mahtuvustakistusega ahela faasinihkele vastav nurk on φ = +π/2 = +90° ehk kui

U = Umsin(ωt)

I = Imsin(ωt+π/2)

Ohm’i seadus vahelduvvooluahelas

Kui aktiiv-, induktiiv- või mahtuvustakistusele on rakendatud muutuvpinge, siis on voolutugevus ahelas arvutatav valemist

kus I – voolutugevus ahelas, U – pinge ahela otstel ning X – ahela takistus, mis sõltuvalt selle olemusest võib olla kas aktiiv- (XR), induktiiv- (XL) või mahtuvustakistus (XC).

Kui aktiiv-, induktiiv- ja mahtuvustakistused on vahelduvpinge ahelasse (RCL-ahel) ühendatud jadamisi, leitakse voolutugevus ahelas valemiga:

NB! Murru nimetajat nimetatakse ahela näivtakistuseks (Z)

induktiiv- ja mahtuvustakistuste vahet aga ahela reaktiivtakistuseks

Pinge ja voolutugevuse vaheline faasinihkenurk on RCL ahelas arvutatav valemiga:

Rööpahela takistust vahelduvpinge ahelas ning vastavat faasinihke nurka käesolevas kursuses ei käsitleta.

Vahelduvvoolu võimsus. Efektiivväärtused

Vahelduvvoolu võimsust (nagu ka alalisvoolu oma) arvutatakse valemist:

kus, P – võimsus, U – pinge, I – voolutugevus.

Ohm’i seadusest tulenevalt (I=U/R -> U = IR) saab valemile anda kuju:

P = I2R

See valem väljendab voolu soojuslikku võimsust.

Kuna vahelduvvoolu korral muutuvad voolu iseloomustavad suurused (I ja U) ajas pidevalt ja kiiresti, kasutatakse arvutustes mitte vastavate suuruste hetkväärtusi (ega ka keskmist väärtust, mis on ühe perioodi kestel võrdne nulliga), vaid nende ruutkeskmist – suuruse ruudu keskväärtus ühe võnke­perioodi jooksul.

Vahelduvpinge (-voolutugevuse) ruutkeskmist väärtust nimetatakse vastavalt kas pinge- või voolu­tu­gevuse efektiivväärtuseks:

kus Um ja Im on vastavalt pinge ja voolutugevuse amplituudväärtused (maksimumväärtused)

Vahelduvvoolu võimsus aktiivtakistusel, kus faasinihke nurk pinge ja voolutugevuse väärtuse vahel on võrdne nulliga, on efektiivväärtuste kaudu arvutatav:

Sageli jäetakse vahelduvvoolu pinge või voolutugevusest rääkides nimetamata, et kõneldakse vastava suuruse efektiivväärtustest!