Joku insinööri varmaan osaisi antaa minulle käytännönläheisen vastauksen seuraavaan kysymykseen, joka on jossain määrin laaja.
Opiskelen sähkömagnetismin kurssin asioista RCL-piirin toimintaa. Minua on jäänyt häiritsemään se, että kirjassa mainitaan, että vastus, käämi ja kondensaattori vastustavat sähkövirtaa ilman erityistä syytä. Toisin sanoen ymmärrän kyllä, että on olemassa kaavat, joiden mukaan voidaan matemaattisesti nähdä miten esimerkiksi käämi vastustaa vaihtovirtaa, mutta mikä on se perimmäinen syy näissä kolmen eri sähkölaitteen toiminnassa, joka saa vaihtovirran käyttäytymään eri tavalla laitteesta riippuen?
Opiskelen sähkömagnetismin kurssin asioista RCL-piirin toimintaa. Minua on jäänyt häiritsemään se, että kirjassa mainitaan, että vastus, käämi ja kondensaattori vastustavat sähkövirtaa ilman erityistä syytä. Toisin sanoen ymmärrän kyllä, että on olemassa kaavat, joiden mukaan voidaan matemaattisesti nähdä miten esimerkiksi käämi vastustaa vaihtovirtaa, mutta mikä on se perimmäinen syy näissä kolmen eri sähkölaitteen toiminnassa, joka saa vaihtovirran käyttäytymään eri tavalla laitteesta riippuen?
Vastaukset 14
Vanhimmat
Vastus ts. resistanssi vastustaa sähkön kulkua siksi, että eri aineet johtavat sähköä eri tavalla. Resistanssissa osa sähköenergiasta muuttuu lämmöksi.
Käämi, eli kela eli induktanssi vastustaa virran nopeaa muutosta magneettikentän synnyttämän sähkömotorisen voiman takia. Mitä suurempi on taajuus, sitä suurempi on induktiivinen reaktanssi. Impedanssissa jännite on 90 astetta edellä virrasta.
Kondensaattori, eli kapasitanssi läpäisee virtaa sitä paremmin, mitä suurempi on taajuus. DC:lla kapasitanssi edustaa ääretöntä vastusta. Taajuuden kasvaessa kapasiteiivinen reaktanssi pienene. Konkassa virta on 90 astetta edellä jännitettä.
Vastus, käämi ja kela ovat komponentteja, joiden funktiona on muodostaa resistanssia, induktanssia ja kapasitanssia, jotka ovat fysiikan suureita.
Käytännössä DC:lla on vain resistansseja ja AC:lla vain impedansseja
( resistanssi ja kapasitiivinen tai induktiivinen reaktanssi)
Siinä pintaa. Tarkempi selitys vaatisi tilaa ja matiikkaa.
Kondensaattorin osalta asia lienee erityisen helppo mieltää. Siinähän on kaksi levyä ja niiden välissä ohut eriste. Jos se kytketään tasajännitelähteeseen, sen läpi ei kulje mitään virtaa, koska siinä on eriste. Mutta välittömästi kytkemisen jälkeen virtaa kulkee kyllä hetken, virtalähteestä kondensaattorin levyihin, niin että miinusnapaan kytketty levy saa negatiivisen ja plusnapaan kytketty positiivisen varauksen. Jännitteen ja levyiin syntyneen varauksen suhdehan on kondensaattorin kapasitanssi.
Mutta jos se kytketään vaihtojännitelähteeseen, silloin tilanne on hieman toisenlainen. Itse kondensaattorin läpi ei virta kyllä silloinkaan kulje, mutta kondensaattori tavallaan latautuu ja purkautuu vaihtojännitteen tahdissa, niin että koko ajan kulkee virta kondensaattorin toisesta levystä generaattorin kautta toiseen ja sitten jännitteen käännyttyä päinvastaiseen suuntaan. Näin tapahtuu sitä vilkkaammin, mitä suurempi on vaihtojännitteen taajuus.
Kelassa sähkön energia muuttuu magneettikentäksi, kondensaattorissa taas sähkökentäksi.
Koska homma toimii myös toisinpäin, eli kelan magneettikenttä muuttuu hyvinkin pian täkaisin sähköksi ja kondensaattorin sähkökenttä purkautuu heti tilaisuuden tullen sähköksi, on tällä systeemillä hitautta, joka vastustaa vaihtovirran liikettä suhteessa siihen, mikä on vaihtovirran taajuus suhteessa näiden otusten yhteiseen "syöntikapasiteettiin".
Vastuksessa energia muuttuu vain lämmöksi.
Täällä on vastattu asiallisesti, mutta ehkä vähän vaikeaselkoisesti? Minua auttoi seuraava vertaus vesivirtaan. On putki, jossa juoksee vettä. Putki vastustaa sen kulkua, mikä siis vastaa sähköjohdon ohmista vastusta. Se on (suunnilleen) sama, kulki vesi sitten yhteen suuntaan (tasavirta) vai edestakaisin (vaihtovirta). Vastuksen suuruus riippuu putken / johtimen läpimitasta ja esimerkiksi seinämien sileydestä, sähköjohdossa johdon aineesta.
Jos putki pannaan katkipoikki ja päihin altaat (kondensaattori), niin virta kulkee niin kauan kuin altaat ovat täynnä (kondensaattori varautunut). Sitten tasavirran kulku tyssää. Jos virta kulkee edestakaisin (vaihtovirta), niin altaat vuorotellen täyttyvät ja tyhjenevät. Hitaasti suuntaa vaihtava virta (matalajaksoinen vaihtovirta) täyttää altaat ja sen jälkeen virtaus loppuu, kunnes suunta vaihtuu. Nopeasti vaihtuva virtaus (suurjaksoinen vaihtovirta) ei kerkiä täyttämään altaita jakson aikana. Altaat (kondensaattori) ei siis estä virtausta, vaikka samat vesilitrat eivät kuljekaan johtimen päästä päähän. Vaihtovirran vastus riippuu siis altaiden koosta (kondensaattorin kapasitanssista) ja vaihtovirran jaksoluvusta.
Käämi onkin vähän vaikeampi kuvitella vesijohtoon. Käämin läpi kulkeva virta synnyttää sen ympärille magneettikentän (sähkömagneetti). Tämän magneettikentän synnyttäminen vaatii energiaa, joka vastustaa virran kulkua. Kun kenttä on synnytetty, ei lisäenergiaa tarvita, ja tasavirta jatkaa iloisesti taas kulkuaan. Vaihtovirrassa kenttä synnytetään, sitten se katoaa kun virta loppuu ja kun uusi jakso alkaa, syntyy taas uusi kenttä. Tämä kenttä päälle - kenttä pois - kenttä päälle... vastustaa virtaa sitä enemmän, mitä tiheämmin virta muuttaa suuntaansa (mitä suurempi jaksoluku). Vesijohdossa tilanne olisi hieman sama kuin johdossa olisi raskas potkuri/turbiini. Sen käyntiin saaminen vaatii työtä, siis vastustaa virtausta. Sitten kun se on lähtenyt kunnolla pyöriämään, se ei enää vastusta (josei jole kytketty mihinkään). Jos virtaussuunta vaihtuu (vaihtovirta). niin potkuri muuttaa joka kerta suuntaansa, elikkä vastustaa virtausta sitä enemmän, mitä tiheämmin suunta vaihtuu. Tämä kela/käämi vertaus oli kyllä hieman huono, mutta parempaakaan en keksi.
Auttoiko hahmottamaan?
Tavallaan tuo idea kuulostaa hyvältä, mutta ehkä olisi ollut kivempi kuulla johtopäätökset eli selkeästi yhdessä lauseessa, että mitä tästä pitäisi ajatella. Voi sitten palata tekstiin uudestaa ja katsoa selitystä tarkemmin.
Olen myös sitä mieltä, että selitykset olivat hyvin vaikeaselkoisia ja sopinevat alan ammattilaisille eikä tällaiselle nuorelle, joka vasta opiskelee fysiikkaa. Toki ymmärrän, että nämä asiat ovat haastavia, joten niihin ei ole välttämättä niin hyvää selitystä.
Kiitos paljon erinomaisesta esimerkistä! Olen lähes kuusikymppinen nainen ja ollut aina vähän pihalla "sähköstä". Toisaalta se on aika simppeli juttu mutta sitten taas täysin ufoa. Hienosti selitit, tänks!
BTW opetapa ulkomaalaiselle lausumaan sana sähkö. Vähän kuin pöhkö. Tai umpimähkä.
Se vain on niin, että tuota kokonaisuutta on vaikea selittää sanallisesti, mutta perusidea on sähköenergian muuttuminen magneetti- ja sähkökentiksi ja takaisin.
Tässä olisi LC-rinnakkaispiiristä animaatio, josko se selittäisi mitään:
http://www.youtube.com/watch?v=cX1-CpzGUHc
Opiskelijalle, oletko koskaan kuullut oppikirjoista tai nähnyt niitä? Ota ihmeessä selvää, niistä voi saada tietoa kaikenlaisista kummista jutuista.
Syy on se, että muuttuva magneettikenttä aikaansaa sähkökentän ja päinvastoin. Suuri virta synnyttää (kelassa) voimakkaan magneettikentän, joka aiheuttaa voiman virran ansiosta liikkuviin varauksiin. Voima kohdistuu sivulle, mutta koska kelassa on silmukoita, osa sivulle kohdistuvasta voimasta on myös virtaa vastaan. SIksi magneettikenttä kykenee vastustamaan virran muutoksia (itse virtaa kenttä ei vastusta, koska saavutetaan tasapaino, jossa sähköinen ja magneettinen voima kumoavat toisensa).
Sähköopin alkeita opettelevat:
Kaivelkaapas kirjastojen kätköistä O.A. Wiion ja U. Somerikon klassikoita kuten "Uusi Radiokirja" ja "Elektroniikkaa Sinulle".
Viimeksimainittu kertoo jo puolijohteistakin...
OK. lapsellisia ovat, ovat suunnattuja 10-16v pojille(tuohon aikaan ei osattu ajatella tyttöjen harrastavan elektroniikkaa)...
Mutta ovat hauskasti kirjoitettuja, ja aloituksen kaltaiset kysymykset saavat vastauksensa.
Sähköopin alkeisiin suosittelisin Paavola: "Sähkotekniikka". Menee perusteita pidemmälle, mutta perusteet on kerrottu erittäin selkeästi.
Pitipä tarkistaa kirjahyllystä, mikä oli sähkötekniikan perusopuskseni amiksessa.
Ahoranta Lesch Sundell: Yleisjakson Sähkötekniikka
Havainnollinen ja helppotajuinen mielestäni.
Kelan magneettikenttä purkautuu nopeammin kuin silmänräpäyksessä: polttomoottorin sytytystulppa on liitetty kelaan. Kondensaattorin varaus purkautuu silmänräpäyksessä: kameran salamavalolamppu on kytketty kondensaattoriin. Kummassakin tapuksessa kela ja kondensaattori on varattu nimellisjännitteeltään all 25V jännitteellä, jolloin niillä onkin turvallista leikkiä.
230 V järjestelmästä irrotettuun kondensaattoriin ja kelaan tulee suhtautua samalla tavalla kuin 230 V järjestelmään liitettyyn pistorasiaan. Eli niillä ei pidä leikkiä.
Olisikohan kysymys fysiikan perusolemuksesta eli energian säilymislaeista? Energia ei häviä se voi ainoastaan muuttaa muotoaan. Eli tässä tapauksessa se sähköinen energia (magneetti- ja sähkökenttä) muuttuu lämmöksi.
Sähköenergian kulun "vastustaminen" esim. johtimessa aiheuttaa lämpötilan nousua.
Vasta absoluutisen lämpötilan (-273) läheisyydessä useimmat aineet muuttuu suparajohtaviksi eli aineiden sähkövastustus häviää eli se menee nollaan (0). Tämä suprajohtavuus tutkimus on edistynyt huomattavasti.
Vaihtovirtasähkössä tätä luontaista vastusta nimitetään reaktanssiksi. Tasavirtasähkössä se on resistanssi. Ja näiden vastusten yhteinen arvo on impedanssi. (reaktanssit resistanssi = impedanssi) Tämä kokonaisuus tulee fysiikasta koska sähkömagneettinen energia on kaksoisluonteista eli se on välillä hiukkasten liikettä (elektronit) ja välillä sähkö- ja magneettikenttien vaihtelua eli aaltomaista liiketta. Tämä kaksoisluonne tekee sen, että maallikon on vaikea ymmärtää sähkön luonnetta.
Fysiikan lämpöopin mukaan kaikki energia muutokset johtavat siihen, että kaikki muuttuu lopulta lämmöksi. Tämä energian "kuluminen" on sitä entropiaa eli kohti yleistä lämpökuolemaa. Lämpökuolema tulee kun koko universumin kaikki energiamuutokset saavuttaa absoluuttisen nollapisteen. ( 0 Kelvin astetta on noin -273 Celsius astetta)