Elektrivool. Voolutugevus
Laengu ülekanne
Kass sikutab juhtmes negatiivset laengut

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.

Voolamise tingimused

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.
Kuidas elektrivoolu ära tunda?

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.
Alumiiniumi on looduses väga palju. Kahjuks on kogu alumiinium Maal ühenditena – see tähendab, et seda ei saa kaevandada, vaid tuleb toota. Alumiiniumi saab maagist eraldada ka keemiliselt, aga seda ei kasutata, sest elektrokeemiline meetod on palju tõhusam. Moodsat maailma on raske ette kujutada ilma alumiiniumi sulamiteta – mõelda võib kasvõi ainult lennukitele.
Amperage

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 

Mõõteriistu nimetakse enamasti ühikute järgi, seega on voolutugevuse mõõtja ampermeeter. Elektriskeemidel märgitakse mõõteriistadele samuti ühik. Voolutugevus on 0,28 amprit (I = 0,28 A).

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.

Voolutugevused erinevates tarbijates

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

Andmed


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.

Juhid ja isolaatorid

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.

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.

Pooljuhid
Suurem osa tänapäevasest olemetehnikast, sidevahenditest, transpordist, teadus- ja mõõteaparatuurist, andmetöötlusest ja -salvestusest, tööstusest, robootikast jne kasutab integraallülitusi ehk kiipe. Kiipides on ühele pooljuhtplaadikesele paigutatud (võib isegi öelda, et trükitud) väga palju elektroonikakomponente. See tehnoloogia on teinud seadmed väga väikeseks, kiireks ja vähendanud energiatarvet, tehes võimalikuks näiteks mobiilside ja kaasaegsed arvutid. Kiibitehnoloogia leiutasid peaaegu ühel ajal, 1950-ndate lõpus, kaks Ameerika inseneri, Jack Kilby (1923 – 2005) ja Robert Noyce (1927 – 1990). Noyce'i seade oli parem, aga Kilby oli poole aataga esimene, nii sai tema Nobeli preemia, kuigi alles 2000. aastal.

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.

Flow direction
Electric current in a salt solution. Charge carriers move in two directions, but the direction of current is the direction of movement of positive charges.

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.

Ampère uurib elektrivoolu magnetilist toimet
André-Marie Ampère joonistatud elektriskeemid

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.

Summary

Electric current

Elektrivool on füüsikaline nähtus, mille sisuks on laengu ülekanne.

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).

Elektrijuhid ja isolaatorid

Elektrivoolu tekkimise esimese tingimuse järgi võib ained ja materjalid jämedalt jagada kaheks. Kui aines on vabu laengukandjaid, on tegu elektrijuhi ehk lihtsalt juhiga. Kui pole laengukandjaid, mida saaks liikuma panna, on tegu isolaatoriga.

Direction of electric current

Elektrivoolu suunaks loetakse kokkuleppeliselt positiivse laengu liikumise suunda.

Ülesanded

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.

Elektrivoolul on kolm toimet (soojuslik, magnetiline ja keemiline toime). Meenuta elektriseadmeid, mida sa oled hiljuti kasutanud ning mõtle, millise elektrivoolu toimega on nendes tegemist.
Uuri oma mobiiltelefoni ja selle laadijat ning püüa leida, kui tugeva vooluga sa oma telefoni laed. Vajadusel otsi andmeid internetist. Kui suur laeng läbib su telefoni, kui sa laed seda 45minutit?
Milline elektrivoolu toime avaldub päevavalguslampides?
Additional materialsAdditional tasks