Huomenna koe,

Lueppas poika mitä wikipedia kirjoittaa voltista eli jännitteestä eli potentiaalierosta.

http://fi.wikipedia.org/wiki/Voltti

kysymyksiä, mutta tuskinpa löydät niihin ihan huomiseen päivään mennessä vastauksia.

Kolmetoistavuotiaana olet aika nuori 'opiskelijaksi'. Sallinet minun epäillä, että olet edelleen koululainen. Ainakin tuosta keskiarvostasi voitaisiin näin päätellä. Joku tuossa edellä ehti jo päätellä, että olet poika. Mikään muu kuin kirjoitustyylisi tuossa kirjoittamassasi ei kuitenkaan anna aihetta näin päätellä. Todettakoon näin sivuhuomautuksena, että tällaiset 'implisiittioletukset' ovat vaarallisia matemaattisten tieteiden yhteydessä.

Vastauksena kysymyksiisi toteaisin, että kaikkiin niihin on löydettävissä vastaukset Newtonin mekaniikasta lisättynä Coulombin lailla ja pienellä annoksella tietämystä aineen perusrakenteesta. Tämän lisäksi tarvitaan vain hiukan matematiikkaa.

Itse toimin viisi vuotta teoreettisen sähkötekniikan opettajana ammattikorkeakoulussa. Opetukseni lähtökohtana oli nimenomaan pyrkimys lisätä ymmärrystä sähköopin ja -tekniikan perusteista. Halusin antaa oppilailleni vastauksia juuri tuon tyyppisiin kysymyksiin. Tämä oli suurin syntini ja sainkin opetustyöstäni lähtöpassit. Valitettavasti nykyinen koulujärjestelmä ei suosi tämän tyyppisiä itsenäisesti ajattelemaan pyrkiviä oppilaita. Vaatimus on se, että annetaan valmiit kaavat ja sitten vaan lätkitään niihin lukuarvoja.

Jatka sinä kuitenkin vain omalla tielläsi. Kaikkiin kysymyksiisi löydät aikanaan vastauksen. Mutta ei se tähän pääty. Mitä enemmän tiedät, sitä enemmän sinulla on uusia kysymyksiä edessäsi. Jonakin päivänä kohtaat kysymyksiä, joihin kukaan ei toistaiseksi tiedä vastausta. Paras tilanne on se, jos olet itse osannut nämä kysymykset asettaa. Ja tästä alkaa suuri seikkailu.

13 vuotta on just hyvä ikä ruveta pohtimaan näitä...

Jännite on potentiaali eli jos olet tutustunut potentiaalienergian käsitteeseen, niin lähellä ollaan.

Joskus aikoinaann joku sanoi, että potentiaali on kyky tehdä työtä, eli energiavarasto.

Eli tuo varausteora on ihan hyvä, on esimerkiksi ylimäärä elektroneja tai varauksia: ioneja yms.

elektroniikan yhtälöt rakennetaan aikaparametrin varaan, eli se ei todellakaan ole mitään suhteellisuusteoriaa.

Niinpä virta esimerkiksi on varausyksikköä aikayksikköä kohti jne.

Eli kysymys on hitaudesta.

Jos varausten kulkutie on resistiivinen eli kulkeva varausmäärä per aikayksikkö on vakio, niin on ihan ymmärrettävää, että potentiaalia eli jännitettä riittää pitemmäksikin aikaa. Eli virta kulkee kuten hiekka tiimalasissa, mutta varaus,yläkerran hiekka kontra painovoima, säilyy.
Periaattellinen ero tuohon, on se, että virta yleensä riippuu jännitteestä, eli jännite on siis kyky tehdä VIRTAA. Hiekkahan ei virtaa nopeammin vaikka määrää lisätään. Sensijaan, jos vastuksen yli lisätään jännitettä, niin virtakin lisääntyy:
U=RI.

Tuollainen tiimalasi saadan kuitenkin aikaan ns JFET-puolijohdetta tai elektroniputkea käyttäen käyttäen. Niissä kanavan virtaa voidaan säätää hilajännitteellä.


Vastuksesta poikkeavat induktanssi L ja kapasitanssi C, jotka ovat sattumoisisn derivointi- ja integrointikertoimia:
u = Ldi/dt u = 1/C Sidt (S=integraali). Eli ne kertovat jännitteen ajallisista muutoksista hieman tarkemmin.

Erityisen mukavia tässä tapauksessa ovat ns. integraalitransformaatiot, jotka muuttavat integroinnin ja derivoinnin kompleksilukujen kerto ja jakolaskuksi.

Näitä muunnoksia ovat mm. Laplacemuunnos ja eksponettimuunnos. Muunnoksesta huolimatta tulos on sama: u=Ldi/dt muuttuu muotoon U= Ls ja integrointi U=1/CSidt muotoon U= 1/(Cs), C kompleksiluku c=x iy.

Tästä sitten aukeaa tie ns. piirianalyysiin, joka on yksi noita kauniita matemaattisia rakennelmia.
Teoriassa sinimuotoista sähköä käsitellessä s:stä käytetään pelkkää imaginaariosaa ja riittää käyttää s=iw , missä w = 2*pi*taajuus= 2pi*f.

Potentiaali sinänsä syntyy kahden eri varaustilan välille vrt. potentiaalienergia. Eli, jos kahden varaustilan välilllä on potentiaaliero eli jännite, niin niiden väliin saadaan järjestettyä virta.

Absoluuttista potentiaalia ei ole, on vain suhteellinen.

Jokaisessa esineessä on sähkövaraus, mutta se voi olla myös 0.

Sitten kannatta muistaa tuo "tasapainosääntö":
jos erimerkkiset alkeisvaraukset ovat avaruudellisesti tasaisesti järjestyneet, niin ulospäin näyttää varauksettomalta.

Eli varauksettomat kappaleet ja hiukkaset ovat kuitenkin yleensä rakentunee varauksellisista hiukkasista. Esimerkiksi neutroni, joka nykyteorian mukaan koostuu kuitenkin kvarkeista.

Edelleen sähkön kulku, eli virta juontuu yleensä sähkö- (tai magneetti-)kentästä.

Kenttä on semmoinen olio, että kun varaus tuodaan kenttään, niin se saa liike-energian, eli siihen vaikuttaa voima, eli potentiaali voi johtua kiinteästä kentästä erillisestä varausvarannosta, joka virtaa.

Kenttävoiman sanoo ns. Lorenzin voimayhtälö:

F=ma= q*E q*vxB, missä q on varaus, E,jaB sähkö ja magnettikenttänvoimakkuus ja v hiukkasen (q) nopeus. Tämä yhdistää hitauden (massa) ja varauksen q.

Tuo ja ns. Maxwellin kenttäyhtälöt (niihin sisältyvine vakioineen) määrittävät sähkön täysin.

Jännitteen, virran ja vastuksen suhdetta kuvalla. Suuri vesisäiliö, jonka vedenpinnan korkeus kuvaa jännitettä (U). Mekaniikassa nestepatsas edustaa painetta, joka on ainakin jotenkin verrattavissa jännitteeseen. Säiliön alalaidassa on putki, jonka poikkipinta-ala kuvaa vastusta (R). (Unohdetaan virtausvastukset ja viskositeetit) Nyt säiliöstä poistuva vesimäärä kuvaa virtaa(I). I=U/R, eli virtaavan veden määrä on suoraan verrannollinen pinnankorkeuteen ja putken poikkipinta-alaan joka on kääntäen verrannollinen vastukseen. Eihän tämä kerro, mitä jännite on, mutta analogia arkifysiikkaan on melko oikea. Jännite syntyy oikeastaan siitä, että runsaasti vapaita elektroneja (siis varauksia) kelkotaan samaan paikkaan, jolloin syntyy negatiivisesti varautunut kohtio. Jos nyt tämä kohtio yhdistetään neutraaliin maapotentiaaliin (humukseen) syntyy virta. Elektronien kelkkominen "vastavirtaan" vaatii energiaa ja se otetaan mekaanisesta liike-energiasta. Taisi tulla aika köppänen selitys. Sori.

Minulla oli ihan sama juttu muistaakseni joskus lukiossa, näiden sähköpiirikäsitteiden kanssa oli tosi vaikeata luoda selkeetä kuvaa siitä, mitä tapahtuu ja miksi. Jännite on siinä mielessä vähän hankala suure että sitä ei pysty oikein selittämään yhtä helposti kuin virtaa ja varausta... Mutta: kuvitellaan että meillä on kaksi laatikkoa, toisessa on ylimääräisiä plus-varauksia, toisessa miinus-varauksia ja laitetaan näiden väliin johto. Jännite johdon yli on verrannollinen varauseroon. Siis, jos tuplaat ylimääräisten varausten määrän, tuplaat (suunnilleen) jännitteen. Tämmöisessä esimerkissä jännite alkaa pienentyä saman tien kun johto kytketään kiinni koska varausero laatikoiden välillä tasoittuu. Yleensä sähköpiireissä onkin jännitelähde joka ajaa plus- ja miinusvarauksia kokoajan erilleen sähkökentän avulla ja ylläpitää sähkövirtaa...