Mitä on sähkövirta: perusteet

Sähkövirran opetusohjelma sisältää:
Mitä on sähkövirta Virran yksikkö – ampeeri AC & DC

Sähkövirta on yksi sähkö- ja elektroniikkatieteiden peruskäsitteistä – sähkövirta on sähkötieteen ydin.

Olipa kyseessä sähkölämmitin, suuri sähköverkkojärjestelmä, matkapuhelin, tietokone, etäanturisolmu tai mikä tahansa, sähkövirran käsite on keskeinen sen toiminnan kannalta.

Virtaa sinänsä ei kuitenkaan tavallisesti voi nähdä, vaikka sen vaikutukset näkyvät, kuuluvat ja tuntuvat koko ajan, minkä vuoksi on joskus vaikea saada käsitystä siitä, mitä se todella on.

Sähkövirran määritelmä

Sähkövirran suuruus mitataan coulombeina sekunnissa, yleinen yksikkö tälle on ampeeri tai ampeeri, jota merkitään kirjaimella ’A’.

Ampeeria tai ampeeria käytetään laajalti sähkö- ja elektroniikkatekniikassa yhdessä kertoimien, kuten milliampeeri (0,001A), mikroampeeri (0,000001A) ja niin edelleen, kanssa.

Virtapiirissä kulkevaa virtaa merkitään tavallisesti kirjaimella ”I”, ja tätä kirjainta käytetään yhtälöissä, kuten Ohmin laissa, jossa V=I⋅R.

Mitä on sähkövirta: perusteet

Virran peruskäsitteenä on se, että se on elektronien liikettä aineen sisällä. Elektronit ovat pieniä hiukkasia, jotka ovat olemassa osana aineiden molekyylirakennetta. Joskus nämä elektronit ovat tiukasti kiinni molekyyleissä ja joskus taas löysästi, jolloin ne voivat liikkua rakenteessa suhteellisen vapaasti.

Yksi hyvin tärkeä seikka, joka on syytä huomioida elektroneista, on se, että ne ovat varattuja hiukkasia – niillä on negatiivinen varaus. Jos ne liikkuvat, niin silloin liikkuu tietty määrä varausta, ja tätä kutsutaan virraksi.

On myös syytä huomata, että liikkumaan kykenevien elektronien määrä säätelee tietyn aineen kykyä johtaa sähköä. Jotkin materiaalit sallivat virran liikkumisen paremmin kuin toiset.

Vapaiden elektronien liike on tavallisesti hyvin sattumanvaraista – se on satunnaista – yhtä monta elektronia liikkuu yhteen suuntaan kuin toiseen, ja sen seurauksena varauksen kokonaisliikettä ei tapahdu.

Jos elektroneihin vaikuttaa voima, joka liikuttaa niitä johonkin tiettyyn suuntaan, niin ne kaikki ajautuvat samaan suuntaan, tosin edelleen hieman sattumanvaraisesti, mutta kokonaisliikettä tapahtuu yhteen suuntaan.

Elektroneihin vaikuttavaa voimaa kutsutaan sähkömotoriseksi voimaksi eli EMK:ksi, ja sen suuruus on jännite, joka mitataan voltteina.

Jotta saisimme hieman lisää ymmärrystä siitä, mitä virta on ja miten se vaikuttaa johtimessa, sitä voidaan verrata veden virtaukseen putkessa. Tähän vertailuun liittyy rajoituksia, mutta se toimii hyvin perustavanlaatuisena havainnollistuksena virrasta ja virran kulusta.

Virran voidaan ajatella olevan kuin putkessa virtaava vesi. Kun toiseen päähän kohdistetaan painetta, se pakottaa veden liikkumaan yhteen suuntaan ja virtaamaan putken läpi. Veden virtauksen määrä on verrannollinen päähän kohdistuvaan paineeseen. Päähän kohdistuvaa painetta tai voimaa voidaan verrata sähkömotoriseen voimaan.

Kun putkeen kohdistetaan painetta tai veden annetaan virrata hanan avaamisen seurauksena, vesi virtaa käytännössä välittömästi. Sama pätee myös sähkövirtaan.

Voidaksemme saada käsityksen elektronien virtauksesta, tarvitaan 6,24 miljardia, miljardia elektronia sekunnissa virtaamaan yhden ampeerin virralla.

Konventionaalinen virta ja elektronivirta

Konventionaalisesta virranvirrasta ja elektronivirrasta puhutaan usein väärin. Tämä voi olla aluksi hieman hämmentävää, mutta se on oikeastaan melko suoraviivaista.

Hiukkaset, jotka kantavat varausta pitkin johtimia, ovat vapaita elektroneja. Sähkökentän suunta virtapiirissä on määritelmän mukaan se suunta, johon positiiviset koevaraukset työntyvät. Näin ollen nämä negatiivisesti varautuneet elektronit liikkuvat sähkökentän vastakkaiseen suuntaan.

Tämä johtui siitä, että ensimmäiset tutkimukset staattisista ja dynaamisista sähkövirroista perustuivat siihen, mitä nyt kutsuisimme positiivisiksi varauksen kantajiksi. Tämä tarkoitti sitä, että tuolloin sähkövirran suuntaa koskevaksi varhaiseksi konventioksi vahvistettiin se suunta, johon positiiviset varaukset liikkuisivat. Tämä konventio on säilynyt ja sitä käytetään vielä nykyäänkin.

Yhteenvetona:

• Perinteinen virran kulku: Konventionaalinen virran kulku on positiivisesta napasta negatiiviseen napaan ja osoittaa suunnan, johon positiiviset varaukset virtaisivat.
• Elektronien kulku: Elektronien virtaus on negatiivisesta liittimestä positiiviseen liittimeen. Elektronit ovat negatiivisesti varautuneita, ja siksi ne vetäytyvät positiiviseen päätelaitteeseen, koska erilaiset varaukset vetävät toisiaan puoleensa.

Tätä konventiota käytetään maailmanlaajuisesti vielä tänäkin päivänä, vaikka se saattaa tuntua hieman oudolta ja vanhentuneelta.

Elektronin tai varauksen liikkeen nopeus

Sähkövirran siirtonopeus on hyvin erilainen kuin varsinainen elektronin liikkeen nopeus. Itse elektroni pomppii johtimessa ja mahdollisesti etenee johtimessa vain muutaman millimetrin sekuntivauhdilla. Tämä tarkoittaa, että vaihtovirrassa, jossa virta vaihtaa suuntaa 50 tai 60 kertaa sekunnissa, suurin osa elektroneista ei koskaan pääse ulos johtimesta.

Toisena esimerkkinä voidaan todeta, että katodisädeputken sisällä vallitsevassa lähes tyhjiössä elektronit kulkevat lähes suorina linjoina noin kymmenesosalla valon nopeudesta.

Virran vaikutukset

Kun sähkövirta kulkee johtimen läpi, on olemassa joukko merkkejä, jotka kertovat, että virta kulkee.

• Lämpö haihtuu: Mahdollisesti ilmeisin on, että lämpöä syntyy. Jos virta on pieni, syntyvän lämmön määrä on todennäköisesti hyvin pieni, eikä sitä välttämättä huomaa. Jos virta on kuitenkin suurempi, on mahdollista, että lämpöä syntyy huomattava määrä. Sähkötuli on hyvä esimerkki siitä, miten virta aiheuttaa lämpöä. Lämmön todellinen määrä riippuu virran lisäksi myös jännitteestä ja johtimen resistanssista.
• Magneettinen vaikutus: Toinen havaittava vaikutus on se, että johtimen ympärille muodostuu magneettikenttä. Jos johtimessa kulkee virta, tämä on mahdollista havaita. Asettamalla kompassi lähelle johdinta, jossa kulkee kohtuullisen suuri tasavirta, kompassineulan voidaan havaita taipuvan. Huomaa, että tämä ei toimi verkkovirrassa, koska kenttä vaihtelee liian nopeasti, jotta neula voisi reagoida, ja samassa kaapelissa lähekkäin olevat kaksi johdinta (jännitteinen ja nollajohdin) kumoavat kentän.
  Virran synnyttämää magneettikenttää hyödynnetään monilla aloilla. Käämimällä johto kelaksi voidaan vaikutusta lisätä ja tehdä sähkömagneetti. Releet ja lukuisat muut esineet käyttävät tätä vaikutusta hyväkseen. Myös kaiuttimissa käytetään vaihtelevaa virtaa kelassa aiheuttamaan kalvossa värähtelyjä, joiden avulla sähkövirrat voidaan muuntaa ääniksi.

Miten mitataan virtaa

Virran mittaaminen

Yksi tärkeäksi osa-alueeksi virrassa nousee se, että tiedetään, kuinka paljon virtaa johtimessa voi kulkea. Koska sähkövirta on niin keskeinen tekijä sähkö- ja elektroniikkapiireissä, on erittäin tärkeää tietää, kuinka paljon virtaa kulkee.

Virran mittaamiseen on monia eri tapoja. Yksi helpoimmista on käyttää yleismittaria.

Vaikka virran mittaamiseen on muitakin menetelmiä, tämä on yleisin.

Virta on yksi tärkeimmistä ja perustavanlaatuisimmista elementeistä sähkö- ja elektroniikkatekniikassa. Piirissä kulkevaa virtaa voidaan käyttää monin eri tavoin lämmön tuottamisesta siihen, että piirit kytkeytyvät tai tietoa tallennetaan integroituun piiriin.

Lisää elektroniikan peruskäsitteitä:
Jännite Virta Teho Resistanssi Kapasitanssi Induktanssi Muuntajat Desibeli, dB Kirchoffin lait Q, laatukerroin RF-kohina
Palaa valikkoon Elektroniikan peruskäsitteet . . .