Vooluallikad. Pinge

Power sources

Elektrivool on laengukandjate suunatud liikumine. Siit kerkib õigustatud küsimus: mis paneb laengukandjad liikuma? Miski ei hakka liikuma ilma põhjuseta, isegi mitte laengukandjad. Vastus on tegelikult olemas juba elektrostaatika peatükis (ptk „Elektriline vastastikmõju“). Laengukandjaid liigutab elektrijõud ja selle eest vastutab vooluringis vooluallikas.

Keemilistes vooluallikates, patareides ja akudes saadakse voolu tekitamiseks vajalik energia keemilisest reaktsioonist. Näiteks autoakus, mis on odav, lihtne ja töökindel vooluallikas, reageerivad metalliline plii ja pliioksiid väävelhappega. Kahjuks on pliiakud väga rasked ja laetult on neis kanget väävelhapet. Autodes kasutamisel sellest suuremat probleemi ei ole, aga näiteks telefonide või tööriistade akudeks nad ei sobi. Plii ja selle ühendid on mürgised, seepärast ei tohi kasutatud akusid vedelema jätta, vaid peab need koguma taaskasutuseks.

Vooluallikaks võiks võtta kaks suurt vastasnimelise laenguga keha. Kui need ühendada juhtmega, tekib korraks elektrivool. Paraku ei ole see kuigi praktiline vooluallikas. Kehade laengud ühtlustuvad kiiresti ja vool vaibub. Hea vooluallikas töötab n-ö laengu pumbana, mis pidevalt „surub“ ja „tirib“ laengukandjaid läbi juhtmete ja elektriseadmete. Selleks tööks vajalik energia võetakse välistelt jõududelt, näiteks mehaanilisest liikumisest (tuulegeneraatorid, vee- või auruturbiinid), keemilistest reaktsioonidest (patareid, akud) või valgusosakeste ehk footonite energiast (valgusrakud, päikesepaneelid).

Voltage

Voltmeeter mõõdab pinget kahe punkti vahel. Punktideks võivad olla vooluallika klemmid, näiteks patarei pluss- ja miinusmärkidega tähistatud otsad. Pinget võib mõõta ka mingil voolutarbijal, näiteks lambil. Pinge lambil on 3,07 volti (U = 3,07 V).

Elektrivoolu tekitamiseks, st laengukandjate liigutamiseks tehtavat tööd kirjeldab füüsikaline suurus pinge. Piltlikult võiks öelda, et pinge kirjeldab voolu saamiseks tehtavat pingutust. Valemina saab selle kirja panna selliselt:

U = \frac{A}{q}

kus $U$ on pinge, $A$ on töö, mida tehakse elektrilaengu $q$ ülekandmiseks.

Pinge ühik on volt ( $V$ ).

Pinge kahe vooluringi punkti vahel on üks volt ( $U = 1 V$ ), kui ühe kuloni suuruse laengu ( $q = 1 C$ ) ülekandmiseks ühest punktist teise tehakse tööd üks džaul ( $A = 1 J$ ).

Nime on pinge ühik saanud itaalia teadlase Alessandro Volta (1745–1827) järgi.

Erinevate vooluallikate pinge

Power source	Voltage
The cell as a source of biocurrent	~7 to 90mV
Electrochemical or Galvanic cells, consumer "batteries"	~1.5V
USB	5V
Car battery, 6 cells or cans (fully charged)	~12.6V
Electric car battery (fully charged)	200 to 400V
Domestic electrical supply, low voltage (socket holes)	In Europe 230V, in different countries 100V, 110V, 127V, 220V and 240V. Each voltage has its own plugs.
Electric trams and trains	600 to 25000V
High voltage, transmission lines	At least 110kV
A lightning strike	Usually around 100MV, but it depends on the circumstances.

Kui suur on pinge, kui $400 C$ suuruse laengu ülekandeks tehakse $92 k J$ tööd?

Lahendus

Andmed

$q = 400 C$
$A = 92 kJ = 92000 J - --------------------- -$
$U - ?$

Arvutused

Et

U = \frac{A}{q}

siis

U = \frac{92000 J}{400 C} = 230 V

Vastus. Pinge on siis $230 V$ .

Kuidas elektrijõud laengukandjateni jõuab?

Vooluallikad küll tekitavad voolu, st panevad laengukandjad liikuma, aga nad ei tekita laengut ega laengukandjaid (ptk „Laeng, laengu jäävus“). Ühendame näiteks mõne elektriseadme vooluallikaga ja vajutame lülitile. Vooluallikas, voolu tarbija ja ühendusjuhtmed moodustavad vooluringi. Vabad elektronid hakkavad lisaks ainetes juhuslikult ringirabelemisele nüüd ka suunatult liikuma – tekib elektrivool. Elektronid on juhtmetes igal pool olemas ja lähevad liikvele korraga.

Patarei pluss ja miinus pooluste vaheline elektriväli läbib klemme ühendavat juhet ja paneb seal juhuslikult ringi liikuvad vabad elektronid mööda juhet edasi nihkuma. Elektrivälja jõujooned näitavad tekkiva voolu suunda, aga elektronid liiguvad tegelikult vastassuunas. Joonisel on patareiga ühendatud üks juhe. Sellises ühenduses võivad nii juhe kui ka patarei väga kiiresti kuumaks minna (ptk „Lühis ja Ohmi seadus“ ja „Elekter võib olla ohtlik“). Enamasti ühendatakse vooluallikaga ikka juhtmetest ja tarbijatest vooluring.

Seda aitab ette kujutada näiteks selline võrdpilt. Sõdurid seisavad platsil reas ja nad on vaja liikuma saada. Üks võimalus oleks lükata rea viimast sõdurit. See astub sammu edasi, müksab järgmist, see jälle ülejärgmist ja nii saab rida teatava nügimise järel liikuma. Teine viis oleks hõigata liikuma hakkamise käsklus korraga kõigile sõduritele, see jõuab kõigini peaaegu korraga. Kui rida oleks 300 meetrit pikk, saaks viimane korralduse kätte umbes sekund hiljem kui esimene. Vooluallikas mõjub laengukandjatele pigem sel teisel viisil ja „korraldus“ jõuab laengukandjateni valguse kiirusel. Küllap on igaüks märganud, et kui lülitit klõpsata, süttivad isegi väga suures ruumis kõik lambid korraga. Valguse kiirus on päris pööraselt suur ja elektriline mõju jõuab vooluringis kohale ülikiiresti.

Jääb veel küsimus, mille abil elektrijõudu edasi kantakse? Heli kannab edasi õhk, selle kaudu jõuab käsklus sõduriteni või tervitus sõbrani. Elektrijõud jõuab kohale näiteks läbi vaskjuhtme või isegi päris tühjas ruumis. Elektrijõu ülekannet on võimalik kirjeldada elektrivälja mõiste abil. Võib öelda, et elektrijõud jõuab ühest laetud kehast teiseni või vooluallikast langukandjateni elektrivälja kaudu. Magnetilist ja gravitatsioonilist mõju saab samuti kirjeldada vastavalt magnet- või gravitatsiooniväljaga. Elektriväli on väga tõhus, mugav ja täpne vahend laetud osakeste liigutamiseks.

Galvani element ja Volta sammas

Volta sammas on kokku laotud vask- ja tsinkplekist ketastest, mille vahel on soolveega niisutatud papist või riidest kettad. Metalli ja lahuse pinnal toimuvate keemiliste reaktsioonide tulemusel saab vask positiivse ja tsink negatiivse laengu. Ühe kettapaari pinge on 0,76 V, aga üksteise otsa ladumisel ehk jadamisi ühendamisel pinged liituvad.

Keemiliste vooluallikate leiutamine 18. sajandi lõpul on seotud kahe itaalia teadlasega: Luigi Galvani (1737–1798) ja Alessandro Voltaga (1745–1827). Galvanit peetakse bioelektri avastajaks ja tema katsed konnakoibadega, mis olid looma kehast eraldatud, on saanud kuulsaks. Ühtlasi märkas Galvani, et konna lihased tõmbuvad kokku ka siis, kui puutuvad kokku korraga kahe metalliga. Arvates, et ta on lähedal elektri kui elujõu saladuse avastamisele, oli ta tegelikult leiutanud keemilise vooluallika, mida siiamaani nimetatakse galvaanielemendiks. Kuigi Galvani nimest tuletatud ühikut pole, on olemas Galvani voolud, galvanomeeter, galvaniseerimine, galvanoplastika, isegi galvanoteraapia jpm.

Volta kordas ja kontrollis Galvani katseid, aga polnud tema loomse elektrivedeliku teooriaga päriselt nõus. Tõestamaks oma seisukohti, valmistas ta esimese kahest erinevast metallist patarei. Ta leidis, et parim metallide paar on tsink ja vask. Volta sambaks nimetatud patareist oli teadlastel elektrivoolu toimete edasisel uurimisel palju abi.

Kuidas teha galvaanielementi?

Galvaanielemendi ehitamisel võib lahuse asemel kasutada looduslikku elektrolüüti, milleks sobivad hästi nt õunad, kartulid ja sidrunid. Neisse on ka lihtne kruvisid või traadijuppe kinnitada. Iga metallipaar on galvaanielement. Patarei saamiseks tuleb elemente kokku ühendada.

Voltal oli õigus, tsink ja vask on vooluallika ehitamiseks hea valik. Tuleb sahtlid ja riiulid läbi vaadata, et leida tsingitud naelu, kruvisid, plekki või seibe ja vasktraati või -plekki. Ka vasktoru jupid sobivad hästi.
Keemilise vooluallika tähtis osa on elektrolüüt – lahus, kus on ioone. Selleks sobib hästi soolvesi või lahja hape.
Kaks erinevat metalli elektrolüüdi lahuses annavadki vooluallika.
Mõõteriist või mõni elektrivoolu tarbija annab teada, kas galvaanielement on õnnestunud.

Summary

Laengukandjaid liigutab elektrijõud ja vooluringis tekitab elektrijõud vooluallikas.

The physical quantity voltage describes the work done to generate an electric current, i.e. to move charge carriers. The voltage between two points in a circuit is one volt ( $U = 1 V$ ) when one joule of work is done to transfer a charge ( $q = 1 C$ ) of size coulomb from one point to another ( $A = 1 J$ ).

Elektrijõu ülekannet on võimalik kirjeldada elektrivälja mõiste abil. Võib öelda, et elektrijõud jõuab ühest laetud kehast teiseni või vooluallikast langukandjateni elektrivälja kaudu.

Ülesanded

Which voltmeter range would you choose to measure: (a) the voltage across the terminals of a laptop battery, (b) the voltage across the LED of a flashlight with three batteries, (c) the voltage across the terminals of a car battery?