Avainero – virta vs jännite
Sähkökentässä sähkövarauksiin vaikuttaa niihin vaikuttava voima; näin ollen on tehtävä työtä varautuneelle hiukkaselle, jotta se voi siirtyä yhdestä sähkökentän pisteestä toiseen pisteeseen. Tämä työ määritellään näiden kahden pisteen väliseksi sähköpotentiaalieroksi. Sähköpotentiaalieroa kutsutaan myös jännitteeksi kahden pisteen välillä. Potentiaalieron vaikutuksesta tapahtuvaa sähkövarausten liikettä tai virtaa kutsutaan sähkövirraksi. Keskeinen ero virran ja jännitteen välillä on se, että virta sisältää aina sähkövarausten liikkeen sähkökentän alla, kun taas jännite ei sisällä varausvirtaa. Jännite syntyy vain epätasapainoisen varauksen vuoksi.
Mikä on jännite?
Koska atomissa on sama määrä protoneja ja elektroneja, kaikki maailmankaikkeuden stabiili aine on sähköisesti tasapainotettu. Positiivisesti tai negatiivisesti varautuneissa hiukkasissa voi kuitenkin olla enemmän tai vähemmän elektroneja kuin protoneissa ulkoisten fysikaalisten ja kemiallisten vaikutusten vuoksi. Samank altaisten varausten kerääntyessä syntyy sähkökenttä, joka antaa sähköpotentiaalin tai jännitteen jokaiseen ympärillään olevaan pisteeseen. Jännitettä voidaan pitää sähkön tärkeimpänä ominaisuutena. Se mitataan voltteina (V) volttimittarilla.
Sähköpotentiaalia pisteessä pidetään aina kahden pisteen erona tai tietyssä pisteessä jännite katsotaan vastaavasti äärettömyyteen, jossa potentiaali on nolla. Sähköpiirin kann alta maata pidetään nollapotentiaalipisteenä; näin ollen jännite piirin jokaisessa pisteessä mitataan suhteessa maahan (tai maahan).
Jännite voi syntyä monien luonnollisten tai pakotettujen ilmiöiden seurauksena. Salama on esimerkki luonnollisesta esiintymisestä johtuvasta jännitteestä; Pilvessä esiintyy satoja miljoonia jännitettä kitkan vuoksi. Hyvin pienessä mittakaavassa akku tuottaa jännitteen kemiallisella reaktiolla, joka kerää varautuneita ioneja positiiviseen (anodi) ja negatiiviseen (katodi) napaan. Aurinkopaneeleihin sisältyvät aurinkokennot synnyttävät jännitteen elektronien vapautumisen seurauksena auringonvaloa absorboivasta puolijohdemateriaalista. Samanlainen vaikutus voidaan havaita fotodiodeissa, joita käytetään kameroissa ympäristön valon tason havaitsemiseen.
Mikä on virta?
Virtaus on jonkin, kuten meriveden tai ilmakehän, virtausta. Sähköisessä kontekstissa sähkövarausten virtaa, yleisimmin elektronien virtaa johtimen läpi, kutsutaan sähkövirraksi. Virta mitataan ampeereina (A) ampeerimittarilla. Ampere määritellään coulombeina sekunnissa ja se on verrannollinen jännite-eroon kahden pisteen välillä, joissa virta kulkee.
Kuva 01: Yksinkertainen sähköpiiri
Kuten kuvasta 01 näkyy, kun virta kulkee puhtaan resistanssin R läpi, jännitteen ja virran suhde on yhtä suuri kuin R. Tämä otetaan käyttöön Ohmin laissa, joka esitetään seuraavasti:
V=I x R
Jos jännite dV muuttuu kelassa, joka tunnetaan myös induktorina, käämin läpi kulkeva virta dI muuttuu seuraavasti:
dI=1/L∫dV dt
Tässä L on kelan induktanssi. Tämä tapahtuu, koska käämi kestää jännitteen muutosta sen yli ja tuottaa vastajännitteen.
Kondensaattorin tapauksessa virran muutos sen yli dI:ssä on seuraava:
dI=C (dV/dt)
Tässä C on kapasitanssi. Tämä johtuu kondensaattorin purkautumisesta ja latautumisesta jännitteen vaihtelun mukaan.
Kuva 02: Flemingin oikean käden sääntö
Kun johdin liikkuu magneettikentän poikki, johtimeen muodostuu virta ja sen jälkeen jännite Flemingin oikean käden säännön mukaisesti.
Tämä on sähkögeneraattorin perusta, jossa sarja johtimia pyörii nopeasti magneettikentän poikki. Kuten edellisessä osiossa selitettiin, varausten kerääntyminen muodostaa jännitteen akussa. Kun johto yhdistää kaksi liitintä, virta alkaa kulkea johtoa pitkin, eli johtimessa olevat elektronit liikkuvat napojen välisen jännite-eron takia. Mitä suurempi langan resistanssi on, sitä suurempi on virta ja sitä nopeammin akku tyhjenee. Vastaavasti suurempi tehoa kuluttava kuorma ottaa suuremman virran syötöstä. Esimerkiksi 100 W lamppu, joka on kytketty 230 V syöttöön, sen ottama virta voidaan laskea seuraavasti:
P=V ×I
I=100 W ÷ 230 V
I=0,434 A
Tässä, kun teho on suurempi, kulutusvirta on suuri.
Mitä eroa on jännitteen ja virran välillä?
Jännite vs virta |
|
| Jännite määritellään sähköpotentiaalin energiaeroksi sähkökentän kahden pisteen välillä. | Virta määritellään sähkövarausten liikkeeksi potentiaalienergia-eron alaisena sähkökentässä. |
| Tapahtuma | |
| Jännite poistuu sähkövarauksen vuoksi. | Virta tuotetaan varausten liikkeellä. Ei ole virtaa staattisilla sähkövarauksilla. |
| Riippuvuus | |
| Jännite voi olla olemassa tuottamatta virtaa; esimerkiksi paristoissa. | Virta riippuu aina jännitteestä, koska varausvirtaa ei voi tapahtua ilman potentiaalieroa. |
| Mittaus | |
| Jännite mitataan voltteina. Se mitataan aina suhteessa toiseen pisteeseen, ainakin neutraaliin maahan. Siksi jännitteen mittaus on helppoa, koska virtapiiri ei katkea mittausliittimien sijoittamiseksi. | Virta mitataan ampeereina ja mitataan johtimen poikki. Virran mittaaminen on vaikeampaa, koska johdin on katkaistava mittausliittimien sijoittamiseksi tai on käytettävä hienostuneita kiristysampeerimittareita. |
Yhteenveto – jännite vs virta
Sähkökentässä minkä tahansa kahden pisteen välistä potentiaalieroa kutsutaan jännite-eroksi. Aina pitää olla jännite-ero virran muodostamiseksi. Jännitelähteessä, kuten valokennossa tai akussa, syntyy jännite johtuen varausten kertymisestä napoihin. Jos nämä liittimet on kytketty johdolla, virta alkaa kulkea napojen välisen jännite-eron vuoksi. Ohmin lain mukaan virta johtimessa muuttuu suhteessa jännitteeseen. Vaikka virta ja jännite on kytketty toisiinsa vastuksen avulla, virtaa ei voi olla ilman jännitettä. Tämä on virran ja jännitteen ero.
