Elektrivool on füüsikaline nähtus, mille sisuks on laengu ülekanne. Laeng saab liikuda ainult koos laengukandjatega, st elektrivoolu tekitamiseks on vaja laengukandjad suunatult liikuma panna. Sõna vool saab kasutada laialt: vedelikud või gaasid voolavad torudes, vesi voolab jõgedes või hoovustes, on olemas õhuvoolud, muda- ja rusuvoolud, aga ka inimvool pikas koridoris, transpordivool tunnelis või tänaval jne. Kõiki neid voolusid ühendab see, et mass kandub ühes suunas: massiks on gaasi või vedeliku molekulid, muld ja kivid, inimesed või autod. Elektrivooluga kantakse aga edasi elektrilaengut.
Püsiv vool tekib teatud tingimustel.
- Elektrivool saab tekkida, kui on olemas vabad laengukandjad, elektronid või ioonid (vt ptk „Laengukandjad“). Näiteks metallides on vabu elektrone ja lahustes ioone, nende liikumine kannabki laengut edasi. Laengukandjad on küll alati olemas, aga kui need ei saa liikuda, siis elektrivoolu ei teki.
- Laengukandjate liigutamiseks on vaja neile jõudu rakendada. Vabad laengukandjad paneb liikuma elektrijõud. Vajaliku elektrijõu tekitamiseks ja säilitamiseks kasutatakse vooluallikaid, näiteks generaatoreid ja patareisid.
- Elektrivool tekib korraks ka siis, kui staatiline elektrilaeng kehalt lahkub, seda nimetatakse lahenduseks. Vool saab toimida püsivalt, kui on loodud vooluring.
Elektrivoolu saab märgata ja ka mõõta toime järgi. Tänapäeval tunnevad inimesed, kes elavad elektrifitseeritud maades, elektrivoolu toimet hästi.
- Soojuslik toime. Aine, materjali või keskkonna temperatuur tõuseb, kui laengukandjad selles liiguvad. Elektrivoolu soojuslikul toimel töötab elektriküte, kõik soojendavad kodumasinad ning tööriistad, elektrikeevitus jpm. Täpsemalt uurides selgub, et elektrivool soojendab paratamatult kõiki juhtmeid ja elektriseadmeid, kuigi enamasti püütakse soojuse eraldumist vähendada neis kohtades, kus seda vaja pole. Mõnel juhul soojenevad kehad elektrivoolust sedavõrd, et hakkavad ka valgust kiirgama, näiteks elektripliidi küttekeha või hõõglamp.
- Magnetiline toime. Elektrivooluga võib asju liigutada, aga ka seisma panna või kinni hoida. Magnetnähtustega seotud mehaanika rakendub mootorites, elektromagnetites, metallide prügist väljasortimisel jm (vt ptk „Elektromagnetid“).
- Keemiline ja ioniseeriv toime. Elektrivool võib põhjustada keemilisi reaktsioone, näiteks lagundada või sadestada lahusest aineid. Elektrokeemiliselt toodetakse alumiiniumi ja kloori. Elektrivoolu abil saab ühe metalli kihi kanda teise pinnale (vasetamine, nikeldamine, kroomimine, tsinkimine, kuldamine). Elektrivool võib aatomeid ja molekule ioniseerida või ergastada ka ilma keemilist reaktsiooni tekitamata. Sel moel toimivad näiteks luminofoor- ehk päevavalguslambid, aga nii toimib ka elektrilöök.
Elektrivoolu ehk laengu ülekandmist kirjeldav füüsikaline suurus on voolutugevus, selle tähis on ja ühik amper (A). Amper on SI (rahvusvahelise ühikusüsteemi) põhiühik. Nime on ühik saanud prantsuse teadlase André-Marie Ampère’i (1775–1836) järgi.
ja
kus on voolutugevus, on elektrilaeng ja on aeg.
Üheamprise voolutugevuse korral () kandub juhtmest ühe sekundiga () läbi ühe kuloni suurune laeng (). Võib öelda, et voolutugevus on laengu ülekandmise kiirus. Ühe kuloni ülekandmiseks on vaja liigutada umbes 6,25·1018 elektroni.
Voolutugevust saab mõõta elektrivoolu toimete järgi. Mida suurem on voolutugevus, seda rohkem soojust annab igas sekundis vooluga juhe või seda enam kroomi eraldub lahusest igas sekundis kroomitava eseme pinnale. Põhiliselt mõõdetakse voolutugevust siiski ampermeetriga, kasutades voolu magnetilist toimet.
| The consumer | Amperage |
| The smallest amperage that can be fatal if the current passes through the heart | 10µA |
| Wristwatch, hearing aid, pocket computer, etc | 100 to 800µA |
| A regular small LED | 20mA |
| A life-threatening electric shock from a household electrical appliance | 20mA |
| Light bulb | ~300mA |
| Car headlight | ~5A |
| Toaster or kettle | ~7A |
| Car starter | 100 to 150A |
| Power line coming out of a large substation, i.e. all connected consumers | 2 kA |
| A lightning strike | ~30kA |
Näidisülesanne
Röster küpsetab kaks saiatükki valmis kahe ja poole minutiga. Voolutugevus toitejuhtmes on sel ajal 3,3 amprit. Kui suur elektrilaeng kandub läbi küttekehade?
Lahendus
Arvutused
Teame, et
Seega
Saame
Vastus. Läbi küttekehade kandub -kuloniline laeng.
Röstrid töötavad tavaliselt vahelduvvoolu võrgus. Elektrivoolu laialdase rakendamise algusaastatel selgus, et laengu edasitagasi võngutamine on paljudel juhtudel otstarbekam, kui laengukandjate piki juhet ühes suunas liigutamine. Arvutatud kuloni suurune elektrilaeng ei kandu küttekehadest ühes suunas läbi, vaid liigub edasi-tagasi, vahetades suunda korda sekundis.
Elektrivoolu tekkimise esimese tingimuse järgi võib ained ja materjalid jagada laias laastus kaheks. Kui aines on vabu laengukandjaid, on tegu elektrijuhi ehk lihtsalt juhiga. Kui pole laengukandjaid, mida saaks liikuma panna, on tegu isolaatoriga. Isolaatoriteks ja isolatsiooniks nimetakse elektrotehnikas ka neid seadmete osi, mis on valmistatud isoleerivast materjalist.
| Kõrgepingeliinide juhtmed kinnitatakse mastidele, aga juhtme ja masti metall ei tohi elektriliselt kokku puutuda. Kokkupuudet aitavad vältida klaasist või portselanist isolaatorid, mis küll hoiavad juhtme paigal, aga elektrivoolu läbi ei lase. Klaas ja portselan on isolaatorid, samuti neist valmistatud isoleerivad detailid. Liini vaadates on selge ka see, et õhk on samuti isolaator. | Gaasid on tavaliselt isolaatorid, aga muutes tingimusi, saab gaase ka voolu juhtima ja valgust kiirgama panna. Sellest on arenenud luminofoorlambid ning valguskunstis ja reklaamides populaarsed neoontuled. |
Tahketest ainetest on head elektrijuhid metallid, head isolaatorid aga näiteks plast ja klaas. Juhtmete isoleerimiseks kasutatakse ka kummi, aga igasugune kumm selleks ei sobi: sütt sisaldavad kummisordid on juhid, sest süsi on elektrijuht. Vedelikud ja gaasid juhivad voolu, kui neis on ioone. Puhas vesi ei ole juht, aga näiteks keedusoola lahus on.
Materjalid ei jagune siiski mustvalgelt juhtideks ja isolaatoriteks: kõik isolaatorid juhivad õige veidi elektrivoolu ja kõik metallid ei ole võrdselt head juhid. Vask ja hõbe on tõelised elektrijuhtimise kuningad, ka alumiinium ja kuld on päris head. Samas on metalle ja sulameid, mis on hoopis viletsamad juhid, neilgi on oma koht elektrotehnikas.
Juhtide ja isolaatorite vahele mahub veel üks rühm materjale: pooljuhid. Nagu nimigi ütleb, on tegu poolenisti juhtidega. Pooljuhtide põhiline väärtus on selles, et muutes tingimusi (temperatuur, valgustamine, lisandid), saab nende voolu juhtimise võimet oluliselt muuta. Sobivate pooljuhtide kasutamisega on võimalik saada seadmeid, mis juhivad voolu ainult ühes suunas, aga kombineerides saab tekitada ka palju muud huvitavat, mis on aluseks tänapäevasele side- ja arvutustehnikale, sh digimeediale ning internetile.
Elektrivoolus võivad liikuda nii negatiivse kui ka positiivse laengu kandjad. Näiteks keedusoola (NaCl) vees lahustumisel moodustuvad positiivse laenguga naatriumioonid (Na+) ja negatiivse laenguga kloriidioonid (Cl-). Elektrijõu toimel liiguvad erinimelise laenguga osakesed vastassuundades. Metallides on vabadeks laengukandjateks elektronid, mis liiguvad kõik ühes suunas. Ajaloolistel põhjustel loetakse voolu suunaks positiivsete laengukandjate liikumise suunda. Soolases vees liiguvad laengukandjad kahes suunas, aga voolu suunaks on naatriumioonide liikumise suund. Metallides, mis on tehnikas ja igapäevases olmes väga olulised, loetakse voolu suunaks elektronide liikumisega vastupidine suund. See kõlab natuke naljakalt, et voolu suund on positiivse laengu liikumise suund, kuigi tegelikult saab liikuda negatiivne, aga nii lepiti see kokku juba neil aegadel, kui elektronid olid veel avastamata.
1820. aastal tuli ühes katses (vt ptk „Elektromagnetid“) pooljuhuslikult välja, et elektri- ja magnetjõud on mingil moel seotud. André-Marie Ampère võttis sest teatest tuld, uuris asja ja katsetas põhjalikult. 1826. aastal ilmus tema suurteos, kus ta seletab elektrivoolu magnetilist toimet. Ta märkas, et kaks paralleelset elektrivooluga juhet tõukuvad või tõmbuvad olenevalt voolude suunast. Vooluga juhtmete vahelise jõu matemaatilist kirjeldust nimetatakse Ampère’i seaduseks ja hiljem kasutati seda voolutugevuse ühiku, ampri määramiseks.
Conditions for the generation of electric current
An electric current can occur when there are free charge carriers, electrons or ions, and when an electric force is applied to them. A current can operate continuously when a circuit is created.
Elektrivoolu toimed
Elektrivoolu saab märgata ja ka mõõta toime järgi. Eristatakse elektrivoolu soojuslikku, mehaanilist ning keemilist ja ioniseerivat toimet.
Voolutugevus ja selle ühik
The physical quantity that describes the transfer of electric current or charge is current strength, its symbol is and unit ampere (A).
Pane kokku väike katseseade: vooluallikas, väike hõõglamp ja kolm juhtmejuppi. Kui juhtmeotsad kokku panna, hakkab lamp põlema, seega on katseseade valmis.
Otsi sahtlist mõned erinevatest materjalidest kehad. Näiteks väike nael, nõel või kirjaklamber; kommipaber; pool meetrit peenikest traati; kokteilikõrs; pliiatsitera; kustukumm; fooliumiribad, mõni neist õige kitsas. Pane asju järjest juhtmeotste vahele. Kui lamp süttib, on tegu juhiga. Kui lamp ei sütti, oled sattunud isolaatori peale või pole juhtmeotsad andnud head ühendust. Pane tähele, et lamp ei põle alati sama eredalt. Mida suurem on voolutugevus, seda rohkem valgust lamp annab.
Lahendus
Isolaatorid neist peaksid olema (kile-)kommipaber, kokteilikõrs ja kustukumm.
Elektrijuhid on nael, nõel, kirjaklamber, peenike traat, pliiatsitera ja foolium.
Kui kasutada üsna suurt voolutugevust (AAA patarei ≈2A) ning väga õhukest ja väga kitsast fooliumiriba (laius alla millimeetri), siis on võimalik saavutada ka ilma lambita olukord, kus fooliumriba ise hakkab hõõguma nagu lambike. Sedasi aga saab patarei kiiresti tühjaks ja soovitatav on kasutada ühekordseid patareisid.