III. VOOLURING


Vooluallikas


Võrdleme vee voolamist elektrivooluga – mõlema puhul on tegemist suunatud liikumisega. Veevoolu korral liiguvad suunatult veemolekulid, elektrivoolu korral laetud osakesed.

Selleks, et vesi saaks voolata, peab eksisteerima vedelikunivoode erinevus – kui meil on ühendatud anumad, tekib neid ühendavas torus veevool ainult siis, kui vedeliku nivood anumas erinevad.

Selleks, et laetud kehi ühendavas juhis saaks tekkida elektrivool, peab kehade vahel eksisteerima elektriväli – kehade elektrilaengud peavad teineteisest erinema.

Paraku on mõlemad voolud väga lühiajalised. Selleks, et vedelik saaks pikemalt voolata, peame leidma võimaluse nivoode erinevuse hoidmiseks – tõstma pidevalt vett (näiteks pumbates) ühest anumast teise tagasi.

Sama kehtib elektrivoolu kohta – selleks, et kehi ühendavas juhis oleks pikemaajalisem elektrivool, tuleb kehade laengute erinevuse säilitamiseks laenguid pidevalt teisest (negatiivsemalt laetud) kehast esimesse tagasi tõsta.

Seda protsessi nimetatakse laengute eraldamiseks ning selleks kasutatavaid seadmeid nimetatakse vooluallikateks. Vooluallikate ülesanne vooluringis on tekitada ja hoida elektrivälja vooluringis pika aja vältel.


Vooluallika tööpõhimõte


Kui mingisugune keha liigub mingisuguse jõu mõjul, siis öeldakse, et see jõud teeb keha liigu­ta­miseks tööd.

Joonisel on punase noolega märgitud elektrivälja jõud, mis liigutavad laenguid vooluallikast väljaspool, vooluallika sees liigutavad laenguid aga mingid mitteelektrilised jõud.

Kuna vooluallika sees peavad laetud osakesed liikuma elektrivälja jõududele vastupidises suunas, siis ei saa neid liigutavad jõud olla elektrilise iseloomuga. 

Seega, laengute eraldamiseks vooluallika sees teevad tööd mingid mitteelektrilised jõud. Kohti vooluallikas, kuhu laenguid liigutavad jõud erinimelised elektrilaengud koondavad, nimetatakse vooluallika poolusteks. Vooluallikal on alati kaks poolust. Seda, millele on koondunud positiivne laeng, nimetatakse vooluallika positiivseks pooluseks, negatiivne laeng koguneb vooluallika negatiivsele poolusele.

Nende, väliste jõudude töö tulemusena muundub mingisugune teine energia liik vooluallikates elektri­(välja)energiaks.


Vooluallikate liigid


Sõltuvalt sellest, milline energialiik vooluallikas elektrienergiaks muundub, liigitatakse allikaid:

(1) KEEMILISTEKS VOOLUALLIKATEKS – siin muundub elektrienergiaks allikas toimuvate keemilistes protsessides vabanev energia; tüüpilisteks keemilisteks vooluallikateks on patareid ja akud.

(2) SOOJUSLIKEKS VOOLUALLIKATEKS – siin muundub elektrienergiaks soojusenergia; tüüpilisteks soojuslikeks vooluallikateks on erinevad termoelemendid, mida võib leida näiteks digitaalsetest termomeetritest;

(3) MEHAANILISTEKS VOOLUALLIKATEKS – siin muundub elektrienergiaks liikumise (mehaaniline) energia; tüüpilisteks mehaanilisteks vooluallikateks on erinevad generaatorid, kus magnetite vahel pöörleva mähise energia muundub elektrienergiaks;

(4) VALGUSLIKEKS VOOLUALLIKATEKS – siin muundub elektrienergiaks valgus(kiirgus)e energia; tüüpilisteks valguslikeks vooluallikateks on erinevad päikesepatareid ja teised foto­rakud.


Keemiline vooluallikas – galvaanielement


Kõige lihtsam keemiline vooluallikas – galvaanielement koosneb järgmistest osadest: (1) ümbritsev, enamasti tsingist kest, mis on tavaliselt ka vooluallika negatiivseks pooluseks; (2) vaskelektrood, mis on vooluallika positiivseks pooluseks, (3) poorne vahesein, mis laseb endast läbi ioone ja elektrone, aga mitte lahuseid ja (4) elektrolüüt – enamasti on teine teisel pool vaheseina erineva soola vesilahus.

Elektrolüüdis asuvad metallid hakkavad elektrolüüdis lahustuma. Tulemuseks on vabade elektronide positiivsete tsingiioonide tekkimine lahuses. Siin tuleb märkida, et lahusesse lisandub tsinkelektroodilt ainult tsingiioone, vaseioonid on vastavas lahuses juba iseenesest olemas, neid vaskelektroodilt juurde ei teki. Vaskelektroodil toimub hoopis vaseioonide välja sadestumine – ioon liidab endaga vajalikul arvul elektrone, muundub aatomiks ning sadestub.

Tänu ühel pool vaheseina toimuvale ioonide lisandumisele ja teisel pool seina toimuvale sadestumisele, tekibki elektroodide laengute erinevus – tsinkelektroodist saab vooluallika negatiivne poolus, vaskelektroodist aga positiivne.

Keemiliste reaktsioonide tulemusena tekib elemendis (sise)energia ülejääk, mis muundubki elektrienergiaks.

Taoline protsess saab kesta seni, kuni soolalahusel on piisavalt võimekust uusi tsinkioone tekitada. Kui võimekus kaob, lakkab galvaanielement töötamast ning tema võimet laenguid eraldada pole võimalik taastada – seepärast öeldakse, et galvaanielemendis toimuvad protsessid on mittepööratavad.

Leidub siiski ka patareidele väliselt sarnanevaid keemilsi vooluallikaid – akusid. Välisele sarnasusele vaatamata, on nende siseehitus galavaanielementidest siiski oluliselt erinev. Neil on võime pärast seda kui nad on oma keemilise energia ära kulutanud “taastuda”, salvestades endasse keemilise energiana mingi koguse elektrienergiat. Tuleb tähele panna, et aku laadimiseks kuulutatud energia on alati suurem, kui hiljem aku tühjenemisel vabanev.


Vooluring


Vooluallikas saaks juhtides asuvaid elektrilaenguid pikema aja jooksul liigutada, tuleb allika erinevad poolused omavahel elektrijuhtidega ühendada – moodustada suletud vooluring.

Lihtsaim vooluring koosnebki vooluallikast, tarbijast (lamp vms) ning kahest juhtmest. Sageli lisatakse vooluringi mugavuse mõttes ka lüliti.

Suletud vooluringiks nimetatakse sellist vooluallikaga ühendatud ahelat, milles kõik osad on elektrijuhid. Kui mõni elektrijuhtidest asendada isolaatoriga, nimetatakse vooluringi avatud vooluringiks.

Elektrivool saab olla ainult suletud vooluringis.


Vooluringi osade ülesanded


Vooluallika ülesandeks on tekitada ja hoida ahelas elektrivälja pikema aja jooksul. Vooluallika sees muundub mingi teine energia liik elektrienergiaks.

Tarbija ülesandeks on muundada elektrienergia mehaaniliseks tööks või mingiks teiseks energialiigiks.

03_17_juhtmed

Ühendusjuhtmete ülesandeks on ühendada vooluringi erinevaid osi omavahel.

Lüliti ülesandeks on avada või sulgeda vooluringi. Lüliti avamisel muutub tema klemmide vaheline osa isolaatoriks – tekib avatud vooluring, milles elektrivoolu olla ei saa.


Vooluringi skeemitähised


Kuna vooluring koosneb enamasti paljudest osadest, siis selleks, et saada paremat ülevaadet voolu­ringi koostisosade ning nende ühendusviiside kohta, kujutatakse vooluringi erinevaid osi joonistel spetsiaalsete ting­mär­ki­dega.

Taolisi tingmärkide abil kujutatud ülevaatlike jooniseid nimetatakse elektriskeemideks.

 


Jadaühendus


Jadaühenduseks (jadaahelaks, järjestikühenduseks) nimetatakse sellist juhtide ühendust, mille korral ei esine ahelas hargnemisi – iga järgneva tarbija „alguspunkt“ ühendatakse eelmise „lõpp-punktiga“

Vooluringi avamisel jadaahela mingis osas, katkeb vool korraga kõikides juhtides.


Rööpühendus


Juhtide rööpühenduse korral hargneb vool samaaegselt mitmesse harusse – kõigi tarbijate „alguspunktid“ ja samuti ka  „lõpp-punktid“ ühendatakse omavahel kokku

Ühe tarbija eemaldamisel ei katke vool ülejäänud tarbijates


Pinge


Füüsikalist suurust, mis iseloomustab elektrivälja jõudude poolt laengu ümber paigutamiseks tehtavat tööd nimetatakse pingeks.

kus U – pinge kahe elektrivälja (või siis ahela) punkti vahel, mõõdetakse voltides (1V); A – elektrivälja jõudude poolt tehtud töö, mõõdetakse džaulides (1J) ning q – elektriväljas ümber paigutatud laengu suurus, mõõdetakse kulonites (1C).

Seega iseloomustab kahe punkti vaheline pinge ühe kuloni suuruse laengu nende punktide vahel ümber paigutamisel elektrivälja jõudude poolt tehtud tööd.

Pinge ühikuks on volt (1V)

Kui elektrivälja jõud teevad 1C suuruse laengu ümber paigutamiseks tööd 1J, on vastavate välja­punk­tide vaheline pinge 1V


Pinge mõõtmine


Galvanomeetrit, mis on kohandatud pinge mõõt­mi­seks, nimetatakse voltmeetriks.

Voltmeeter on ehitatud selliselt, et temast laenguid praktiliselt läbi ei lähe – ta vaid fikseerib vaid pinge väljapunktide vahel.

Voltmeeter ühendatakse nende ahela punktide vahele, mille vahelist pinget mõõta soovitakse, rööbiti.

Skeemil on kujutatud voltmeetriga pinge mõõtmist lambi klemmidel.

Advertisements