Jaan Paaver, Erkki Tempel Füüsika 9.klassile
 

Füüsika 9.klassile

  1. Eessõna
  2. 1 Aine ehituse mudel. Soojusliikumine
    1. 1.1 Mis on aatom?HarjutusülesandedLisamaterjalid
    2. 1.2 Aine olekud: tahke, vedel ja gaasilineHarjutusülesandedLisamaterjalid
    3. 1.3 Aineosakesed, temperatuur, siseenergiaHarjutusülesandedLisalugemine
    4. 1.4 SoojuspaisumineHarjutusülesandedLisalugemine
    5. 1.5 Temperatuuri mõõtmine ja temperatuuriskaaladHarjutusülesandedLisalugemine
  3. 2 Soojusülekanne. Kehade soojenemine ja jahtumine
    1. 2.1 Soojus liigubHarjutusülesandedLisalugemine
    2. 2.2 Soojusülekande liigidHarjutusülesandedLisalugemine
    3. 2.3 Kehade soojenemine ja jahtumineHarjutusülesandedLisalugemine
    4. 2.4 Soojus praktikasHarjutusülesandedLisamaterjalid
  4. 3 Aine olekute muutused
    1. 3.1 Sulamine ja tahkumine, sulamissoojusHarjutusülesandedLisamaterjalid
    2. 3.2 Aurumine ja kondenseerumine, keemissoojusHarjutusülesandedLisamaterjalid
    3. 3.3 Ainete olekute muutused praktikas
  5. 4 Elektriline vastastikmõju
    1. 4.1 Mis on elekter?
    2. 4.2 Elektrilaeng ja laetud kehaÜlesandedLisamaterjalid
    3. 4.3 Elektriline vastastikmõjuÜlesandedLisamaterjalid
    4. 4.4 LaengukandjadÜlesandedLisamaterjalid
  6. 5 Elektrivool
    1. 5.1 Elektrivool. VoolutugevusÜlesandedLisamaterjalid
    2. 5.2 Vooluallikad. PingeÜlesandedLisamaterjalid
    3. 5.3 VooluringidÜlesandedLisamaterjalid
    4. 5.4 Ohmi seadus. TakistusÜlesandedLisamaterjalid
  7. 6 Energia
    1. 6.1 Elektrienergia ja elektrivõrkÜlesandedLisamaterjalid
    2. 6.2 Elektrivoolu tööÜlesandedLisamaterjalid
    3. 6.3 OhutusÜlesandedLisamaterjalid
  8. 7 Magnetnähtused
    1. 7.1 MagnetidÜlesandedLisamaterjalid
    2. 7.2 ElektromagnetidÜlesandedLisamaterjalid
  9. 8 Tuumareaktsioonid, radioaktiivsus
    1. 8.1 Aatomi tuumHarjutusülesandedLisamaterjalid
    2. 8.2 Tuumareaktsioonid. Tuuma seoseenergiaHarjutusülesandedLisamaterjalid
    3. 8.3 Ioniseeriv kiirgus. Looduslikud ja tehislikud ioniseeriva kiirguse allikadHarjutusülesandedLisamaterjalid
    4. 8.4 Kergete tuumade ühinemine. PäikeHarjutusülesandedLisamaterjalid
    5. 8.5 Tuumade lõhustumine. AhelreaktsioonHarjutusülesandedLisamaterjalid
    6. 8.6 AatomielektrijaamHarjutusülesandedLisamaterjalid
  10. 9 Lisad
    1. 9.1 Tähtsad tabelid

Eessõna

Seda õpikut oli põnev teha. Sest kui hädavajalikud teemad, nagu soojusjuhtivus või elektrijõud, ära seletatud said, tuli pähe veel terve hulk konksuga küsimusi. Näiteks kuidas „töötab“ liim? Mis juhtub saiaga röstris? Kas kosmoses saab jalutada ka ilma skafandrita või külmub kohe ära? Kas vastab tõele internetist pärit väide, et termokaameraga saab eristada vihmapilvi? Mida mõõdab taevasse suunatud infrapunatermomeeter? Kas oleks ise võimalik udukamber ehitada ja kosmilist kiirgust mõõta? Kuidas ikkagi on võimalik, et elektrijaamas tekitatud elektriväli paneb liikuma Tartus paiknevad elektronid? Kuidas töötab drooni mootor? Kui teha traadist ja magnetist kõlar, siis kas see kõlar töötab ka mikrofonina?

Kui need ja teised sellised küsimused siin õpikus ka vastust ei saa, siis ära märkimist leiavad nii mõnedki, mõnedest on tehtud lisalood. Sest õpiku sisuks olev füüsika annab meile keele, mis lubab neist asjust teaduspõhiselt rääkida.

Õpikus on ka palju viiteid arvutisimulatsioonidele. Mõned neist võivad esmatutvusel segadust tekitada. Aga pigem segadus, kui illusioon loodusest, kus kõik on lihtne ja selge.

Impressum

Autorid: Erkki Tempel, Jaan Paaver
Toimetaja: Kaido Reivelt
Arvutigraafika: Nils Austa
Retsenseerisid Riina Murulaid ja Virgi Roop
Kasse joonistab Urmas Nemvalts

Täname:

TÜ Füüsika Instituut, Kirjastus Maurus, Tõnu Viik, Kristel Uiboupin, Dmitri Horoši, Siiri Suursoo, Madis Kiisk, Taivo Jõgiaas, Aile Tamm, Lauri Hämarik.

1 Aine ehituse mudel. Soojusliikumine

1.1 Mis on aatom?

1.1.1 Kaasaegne ettekujutus aatomist

Üks tähtsamaid asju, mida inimesed universumi kohta on teada saanud, on see, et kõik asjad on tehtud aatomitest.

Selles kursuses õpime lähemalt tundma nähtusi, mis on igapäevakogemusest juba tuttavad. Näiteks on kõik tundnud, et tassi sang läheb tasapisi kuumaks, kui tass täita kuuma teega (sellistest nähtustest räägib soojusõpetus). Tuttav on ka see, et elekter toob tuppa valguse ning paneb käima paljud kodumasinad (kõikvõimalikud elektrinähtused).

Juba 7. klassi loodusõpetuses olete õppinud, et kõik kehad koosnevad aatomitest ja molekulidest. 8. klassi keemias õppisite tundma keemilisi reaktsioone.

Selles füüsikakursuses saate teada, kuidas on kehade siseehitusega seotud nende soojuslikud ja elektrilised omadused. Kuid kõigepealt räägime veel kord aatomistest ja molekulidest, kuna füüsika ja füüsikud tunnevad mikromaailma kõige paremini.

Milline on kaasaegne ettekujutus aatomi ehitusest? Praeguseks on paljud eksperimendid tõestanud, et aatomituum koosneb positiivselt laetud prootonitest ja laenguta neutronitest, nende ühine nimetus on nukleonid. Prootonil ja neutronil on praktiliselt sama mass, mis vesiniku aatomituumal, ning prootonid ja neutronid moodustavad suurema osa aatomi massist.

Aatomituum on kujuteldamatult väike, aga selles on koos peaaegu kogu aatomi mass. Elektronid on väga väikesed ja kerged. Nad asuvad küll aatomis teatud tuuma ümbritsevates piirkondades, aga võivad ka aatomis ja aatomite vahel liikuda. Samas ei luba kvantmehaanika seadused mõõta üheaegselt elektroni asukohta ja kiirust. Järelikult ei ole elektronil olemas ka trajektoori. Parim, mida saab teha, on määrata elektroni asukoht mingil ajahetkel, teadmata samal ajal midagi tema kiirusest. Selliselt tekib kujutlus elektronpilvest.

Loomulikult on aatomites ja molekulides ka elektronid. Aga seda „olemist“ ei tohiks ette kujutada kui elektronide liikumist mööda mistahes trajektoori, olgu see siis ringjoon või siksak – kaasaegne füüsika ütleb, et elektronil ei saa olla trajektoori. Pigem kujuta seda ette pilvena – elektronpilvena.

Elektronpilv on füüsikaline mudel, mis illustreerib seda, et ei ole võimalik teada täpselt, kus asub elektron, aga teada on, et ta asub kusagil selle pilve sees. Suurem tõenäosus on leida elektron sealt, kus on pilve tihedamad piirkonnad. Elektroni trajektoorist ei saa rääkida, sest kvantmehaanika seaduste järgi ei ole võimalik mõõta üheaegselt elektroni asukohta ja kiirust.

Elektronpilve kujutise tekkimist saab uurida arvutisimulatsioonis. Pilve kujutis tekib, kui mõõta palju kordi elektroni asukohta.

Selles simulatsioonis on näha kuidas palju kordi elektroni asukohta mõõtes (punased täpid) tekib elektronpilve kujutis.

Ainult vesiniku aatomi elektronpilv saab olla kerakujuline. Suurema aatommassiga aatomite, samuti molekulide elektronpilved on suuremad ja teistsuguse kujuga. Siiski, aatomite ja molekulide füüsikaliselt korrektne kujutamine tähendab alati aatomituuma või tuumade asukoha tähistamist ja elektronpilve kujutamist.

Teadlaste ettekujutus aatomitest on läbi käinud pika ja õpetliku arengutee.

Teadlaste ettekujutus aatomitest on läbi käinud pika ja õpetliku arengutee. 

1.1.2 Kuidas kujutada aatomeid ja molekule?

Loodusainetes me räägime harva üksikutest aatomitest. Keemias ja bioloogias on olulised ikkagi mitmest aatomist koosnevad molekulid. Mis saab elektronidest molekulides?

Kovalentse sideme tekkimine kahe vesiniku aatomi vahel.

Keemias te olete juba õppinud liitaineid ehk keemilisi ühendeid. Te teate, et kovalentne side on ühiste elektronpaaride abil tekkinud side ja iooniline side on siis, kui vastasmärgilised ioonid tõmbuvad. Loomulikult saab keemiliste sidemete tekkimist ka füüsika keeles selgitada ja just füüsika on teadus, mis tungib sügavamale aine ehituse seaduspärasustesse, andes muuhulgas ka keemiale selle tööriistad. Selles kursuses me puudutame mikromaailma füüsikat vaid riivamisi, jättes seega kõrvale ka kvantarvutid, teleportatsiooni, Universumi tekkimise jms küsimused. Ütleme lihtsalt, et kovalentse sideme moodustab (väliskihi) elektronide elektronpilv, mis haarab mõlemaid sidemes osalevaid aatomeid. Ja rõhutame, et tegelikult ei saa rääkida elektronide liikumisest ümber mõlema aatomi sest elektronidel ei ole trajektoori, neid võib lihtsalt ühest või teisest kohast suurema tõenäosusega leida. Mikromaailma seadused võivad esmatutvusel veidrad tunduda.

Kuidas siis ikkagi joonistada molekuli?

Igasugust pilve, nii ka elektronpilve on keeruline joonistada – kuhu joonistada pilve piir? Sest pilv on erinevates kohtades erineva tihedusega, tihti keskel tihedam, servadelt hõredam. Lahendus on välja valida mingi konkreetne pilve tiheduse väärtus ja joonistada pilve piir mööda seda. Nii tehakse ka elektronpilvedega.

Vaatame seda protsessi ühe keerukama molekuli elektronpilve näitel. Ja võrdleme saadud pilte teada-tuntud molekulide mudelitega.

Joonise on kujutatud tsükloheksüülamiini elektronpilve kuju, kus pilve serv on määratud erinevate elektronpilve tihedustega. Parempoolses veerus on kujutatud sama molekuli erinevaid mudelid. Võrrelge neid kahte veergu!
Müoglobiin on hapnikku siduv valk (füüsikud ütleva selle kohta molekul), mida leidub lihastes. Spiraalsed moodustised on α-heeliksid, mis koosnevad hapniku, lämmastiku, vesiniku ja süsiniku aatomitest. Selliste molekulide elektronpilve joonistamine on päris keeruline ülesanne.

Bioloogilised molekulid on tihti väga mahukad ja keerukad. Nende struktuuri joonistamisel jäetakse üksikud aatomid tähistamata, koos sellega jäetakse tähistamata ka elektronpilved.

Selles õpikus me keskendume aine füüsikalistele omadustele. Aga tuleks endale aru anda, et ehkki füüsika, keemia ja bioloogia räägivad vahel üsna erinevates keeltes, on nende uurimisobjekti, so loodust kirjeldavad seadused universaalsed, erinevad vaid vaatepunktid. Üritame seda järgnevas ka läbi näidete demonstreerida. 

1.1.3 Kaasaegne ettekujutus valgusest

Peame siin ütlema ka mõne sõna ka valguse kohta. 8. klassis oli valgus meie jaoks valgusallika poolt kiiratav elektromagnetlaine, mille levimist saab kirjeldada kiirteoptika seaduspärasustega ja me ei uurinud, mis toimub näiteks siis, kui valgus neeldub ekraanis või valgusfiltris.

Kaasaegses ettekujutuses on valgus kvanditud, st valgus koosneb valguse osakestest. Valguse osakesi (kvante) kutsutakse footoniteks.

Valguse vastastikmõjus ainega antakse energiat ja impulssi üle footonite kaupa.

Igale footonile vastab ka kindel energia. Sagedusega ja lainepikkusega elektromagnetlaine footoni energia on määratud valemitega

kus on Plancki konstant.

Footoni energiast (seega ka valguse lainepikkusest) sõltub, milliseid protsesse selline footon saab esile kutsuda. Footonite energiad mõõdetakse tavaliselt elektronvoltides (eV). 1 eV on väga väike energia, võrdudes 1,6·10-19 džauliga.

Kokkuvõte

Kaasaegne ettekujutus aatomist

Aatomituum koosneb positiivselt laetud prootonites ja laenguta neutronitest, nende ühine nimetus on nukleonid. Aatomituuma ümber on elektron, mida kujutatakse elektronpilvena.

Elektronpilv

Elektronpilv on füüsikaline mudel, mis illustreerib seda, et ei ole võimalik teada täpselt, kus asub elektron, aga teada on, et ta asub kusagil selle pilve sees. Suurem tõenäosus on leida elektron sealt, kus on pilve tihedamad piirkonnad. Elektroni trajektoorist ei saa rääkida, sest kvantmehaanika seaduste järgi ei ole võimalik mõõta üheagselt elektroni asukohta ja kiirust.

Keemiline side

Keemiline side on püsiv tõmbejõud aatomite, ioonide või molekulide vahel ja see teeb võimalikuks keemiliste ühendite moodustumise.

Harjutusülesanded

Aatomite ja molekulide joonistamisel jäetakse enamasti elektronpilv kujutamata. Nimeta kaks põhjust, miks.
Tuumaosakesi nimetatakse nukleonideks. Genfis asub maailma suurim osakeste kiirendi. See kiirendi kannab nimetust LHC (Large Hadron Collider), mis tõlkes tähendab Suur Hadronite Põrguti. Mis osakesed on hadronid ning mille poolest need erinevad nukleonidest? Vastuse otsimiseks kasuta interneti abi.
HarjutusülesandedLisamaterjalid

1.2 Aine olekud: tahke, vedel ja gaasiline

1.2.1 Tuletame meelde

Molekulid, ioonid ja aatomid.

Soojusõpetuses nimetatakse kehadeks kõiki meid ümbritsevaid objekte ehk asju.

Me juba teame, et kõik kehad koosnevad kas ühest ainest või on nad ainete segud. Ained omakorda koosnevad aineosakestest. Aineosakesteks võivad olla nii molekulid, ioonid kui ka aatomid, sõltuvalt sellest, millise ainega on tegemist. Molekulidest koosneb näiteks vesi. Ka õhk koosneb molekulidest, aga see on mitme aine segu. Keedusool ning söögisooda aga koosnevad ioonidest. Tuntumateks aatomitest koosnevateks aineteks on grafiit ja teemant.

Aga mis on näiteks puit?

Komposiitmaterjale ehk komposiite valmistatakse, kombineerides omavahel kaks või enam materjali, millel on sageli väga erinevad omadused. Nii tehes saadakse enamasti uus unikaalsete omadustega materjal.

Ained võivad esineda kolmes olekus: tahke, vedel ja gaasiline.

Järgnevalt uurime lähemalt, kuidas aineosakesed erinevates aine olekutes paiknevad ning teineteist mõjutavad.

1.2.2 Tahkis – aine tahkes olekus

Soolakristalli kuulmudel. Sinisega on tähistatud kloori, punasega naatriumi ioonid.

Tahkes aines paiknevad aineosakesed üksteisele väga lähedal. Kristallilistes ainetes paiknevad aineosakesed ka korrapäraselt. Näiteks soolakristallis on iga naatriumi ioon (Na+) ümbritsetud kuue kloori iooniga (Cl-​) ning iga kloori ioon on ümbritsetud kuue naatriumi iooniga. Samal ajal klaasides ja polümeerides, mis on ju ka tahked ained, ei paikne aatomid korrapäraselt.

Kõik aineosakesed mõjutavad üksteist – aineosakeste vahel esinevad tõmbe- ja tõukejõud. Selliseid jõude aitab mõista see, kui kujutame ette, et aineosakeste vahele on kinnitatud vedrud. Kui lükkame kuule üksteisele lähemale, tekib vedrus tõukejõud, mis lükkab kuulid üksteisest eemale. Kui venitame kuule üksteisest eemale, tekib vedrus tõmbejõud, mis tõmbab kuulid üksteisele lähemale. Aineosakeste vastastikmõju annab aineosakestele potentsiaalse energia üsna samamoodi, nagu kõikidel kehadel on Maa gravitatsioonijõu tõttu potentsiaalne energia.

Aatomitevahelise seose potentsiaalse energia sõltuvus aatomitevahelisest kaugusest. Sideme pikkuse ehk aatomitevahelise kauguse tahkises (r0) määrab ära potentsiaalse energia (Ep) kõvera miinimum.

Milline salapärane jõud aineosakeste vahel mõjub? Soolakristallis ju pisikesi vedrusid ei ole?

Naatriumi ja kloori ioonide vahel mõjuv tõmbejõud on elektrijõud, millest räägime täpsemalt selle õpiku teises osas ja mida keemias nimetame iooniliseks sidemeks.  

Tõukejõu põhjustab keeluprintsiip – kaks aineosakest ei saa korraga ühes ja samas kohas olla. Nii tekib aatomite vahel tõukejõud kohe, kui aatomi kooseisus olevate elektronide elektronpilved kokku puutuvad. 

Tahkes aines võnguvad aineosakesed tõmbe- ja tõukejõudude tasakaalupunkti ümber. Aineosakeste liikumine tähendab, et neil on lisaks tõukumise–tõmbumise potentsiaalsele energiale olemas ka kineetiline energia. Sellist võnkumist saab uurida arvutisimulatsioonide abil.

Tahkes aines on aineosakesed praktiliselt paigal, võnkudes vaid oma asukoha ümber.

Tahkistes on aineosakeste kineetiline energia palju väiksem osakeste vahel mõjuvate tõmbejõudude potentsiaalsest energiast – kui see oleks vastupidi, siis lendaks tahkis laiali.

Tänapäeval suudavad teadlased üksikute aatomite ja molekulide asukohti määrata.

Pildil on kahe materjali, TiO2 ja SrTiO3 lahutuspinna ristlõige nagu seda on võimalik "näha" elektronmikroskoobis (täpsemalt läbivas elektronmikroskoobis, veel täpsemalt on tegemist HAADF-HRSTEM kujutisega). Selgesti on näha üksikud molekulid mõlema materjali koosseisus. Samuti see, kuidas kahe materjali kokkupuutepind on ei ole päris sile ja et mõned SrTiOmolekulid on sisenenud TiO2 kihti.

1.2.3 Vedelik

Vedelikud tunneme ära selle järgi, et nad voolavad. Me ei saa valmistada vedelikest esemeid, kuna nad ei säilita oma kuju. Kallates vedeliku anumasse, võtab vedelik anuma kuju, sest gravitatsioonijõud tõmbab vedelikku maapinna poole.

Kui vedelik seisab liikumatult anumas, siis selle aineosakesed enamasti võnguvad ühe koha peal – samamoodi on see ka tahkes aines. Aga erinevalt tahkest ainest on vedelikes aineosakesed võimelised ka liikuma – aeg-ajalt nad pääsevad naaberosakeste vahelt läbi.

Vedelikes on aineosakeste kineetiline energia ligikaudu sama suur, nagu on osakeste vahel mõjuvate tõmbejõudude potentsiaalne energia.

Aineosakeste liikumist vedelikes saab uurida arvutisimulatsioonide abil.

Umbes sellises ulatuses liiguvad aatomid ja molekulid vedelikes. Võrdle seda tahkistega, jälgides üksiku aatomi liikumist.

Browni liikumine

Kuidas me teame, et aineosakesed tõepoolest liiguvad korrapäratult? Kõigile kättesaadav eksperiment on uurida Browni liikumist.
Kaaliumpermanganaat lahustub ja toimub difusioon.

Vedelike aineosakeste liikumise simulatsioonist (küllap ka igapäevakogemustest) peaks selge olema, et ilma segamata võtab kahe vedeliku segunemine omajagu aega. Siiski segunevad vedelikud ka siis, kui nad on paigal. Näiteks kui paneme vee sisse mõne tera kaaliumpermanganaati (vees lahustuv lilla aine) ja jätame selle mõneks tunniks seisma, siis muutub vesi ühtlaselt lillaks ka siis, kui me seda ei sega. Sellist ainete iseeneslikku segunemist nimetatakse difusiooniks. Vedelikes esinev difusioon on väga oluline taimedele, kuna just difusiooni kaudu saavad taimed omale vajalikke toitaineid.

1.2.4 Gaas

Gaasid erinevad vedelikest ja tahkistest selle poolest, et gaasides on aineosakesed üksteisest väga kaugel – keskmine vahemaa kahe aineosakese vahel gaasis on sadu kordi suurem nende osakeste raadiusest. Seetõttu on ka osakestevahelised jõud väikesed ja nende liikumine vabam. 

Gaasides liiguvad aineosakesed sirgjooneliselt ning korrapäratult. Aineosakesed muudavad oma suunda ainult siis, kui nad teise osakesega kokku põrkavad.

Nii võib endale ette kujutada aineosakeste liikumist gaasis.
Selle katse alguses ühendatakse õhu ja broomi aurudega (pruun gaas) täidetud klaasanumad. Katses on näha, kuidas broomi aurud difundeeruvad õhku.

Gaasides on aineosakeste kineetiline energia palju suurem osakeste vahel mõjuvate tõmbejõudude potentsiaalsest energiast. 

Üllataval kombel on gaaside ja vedelike mehaanilised omadused sarnased. Seetõttu on neil olemas ka ühine nimi – voolised (ingl fluids). Näiteks difusioon ei esine ainult vedelikes, vaid isegi tugevamalt gaasides. Kui avada klassiruumi ühes otsas tugeva lõhnaga aine pudel, siis on mõne aja pärast tunda seda lõhna ka klassi teises otsas. Kui siin alapeatükis esitatud simulatsioone võrrelda, peaks selle põhjus selge olema: kuna gaasides on aineosakeste vaba tee pikkus oluliselt suurem, siis jõuavad nad ka kaugemale.

Simulatsioon näitab, kuidas kahe gaasi molekulid üksteisega segunevad.

Katseliselt saab demonstreerida, et õhust raskemad (st õhust keskmiselt suurema molaarmassiga) gaasid täidavad anumaid samamoodi nagu vedelikud. Raske gaasina võime kasutada näiteks süsinikdioksiidi või eriti rasket gaasi, mille nimi on väävelheksafloriid.

Difusioon vähendab tasapisi raskete gaaside hulka lahtistes anumates.

1.2.5 Teistsugused ained

Kõik ained ei ole ainult kas tahked, vedelad või gaasilised.

Näiteks mõned ained küll voolavad, aga väga aeglaselt. Neid nimetatakse amorfseteks aineteks või tahketeks vedelikeks. Amorfsete ainete voolamise kiirus sõltub temperatuurist, madalal temperatuuril on nende voolavus väga väike. Amorfne aine on näiteks pigi – kui justkui tahke pigi tükk jätta pikaks ajaks lauale, siis see vajub seal laiali nagu vedelik.

On olemas veelgi veidramaid aineid, näiteks mänguasjade kauplustes müügil olev nn tark plastiliin. Tark plastiliin käitub aeglasel deformatsioonil viskoosse vedelikuna, kiirel deformatsioonil elastse tahke kehana. Sellepärast on targast plastiliinist palli võimalik nii põrgatada kui ka plastiliinina vormida.

Pigi

Pigi on amorfne aine, mis koosneb põhiliselt suure molekulkaaluga polütsüklilistest aromaatsetest (mitut benseenituuma sisaldavatest) süsivesinikest.

Silly Putty

Silly Putty (“veider kitt”) on kommertsnimetus materjalile, mille põhiliseks koostisosaks on ränipolümeer polüdimetüülsiloksaan (alumisel joonisel on esitatud polümeerse ahela kaks monomeerset lüli), millele on lisatud boorhapet.

Kokkuvõte

Aineosakeste vastastikmõjuenergia

Aineosakeste vahel esinevad tõmbejõud annavad aineosakesele vastastikmõju potentsiaalse energia.

Tahke aine ehk tahkis

Aine on tahkes olekus, kui aineosakeste kineetiline energia on palju väiksem osakeste vahel mõjuvate tõmbejõudude potentsiaalsest energiast.

Vedelik

Ained on vedelas olekus, kui aineosakeste kineetiline energia on ligikaudu sama suur, kui osakeste vahel mõjuv tõmbejõudude potentsiaalne energia. 

Gaas

Gaas on aine olek, kus aineosakeste kineetiline energia on palju suurem osakeste vahel mõjuvate tõmbejõudude potentsiaalsest energiast. 

Difusioon

Difusioon seisneb ühe aine molekulide tungimises teise aine molekulide vahele. Difusioon esineb, kui aine kontsentratsioon eri ruumipiirkondades on erinev.

Harjutusülesanded

Kui õpilasi kujutada aineosakestena, siis millises olekus ainele sarnaneb klassiruum tunni ajal?
Kujuta ette, et sul on ühes käes tennisepall ning teises käes piljardikuul. Mis juhtub nende kehadega, kui sa mõlemaid pigistad? Miks on nendega toimuvad muutused erinevad?
Õpilane asetas kangkaalule pealt lahtise süsihappegaasiga täidetud anuma ning tasakaalustas kangi. Miks ei ole kaal mõne aja pärast enam tasakaalus? Proovi seda katset ka ise korrata. Süsihappegaasi saad toota keemiliselt paekivi ja happe vahelisel reaktsioonil. Kui ise hakkama ei saa, siis küsi abi oma keemiaõpetajalt.
Kindlasti oled märganud, et kui kevadel plaanid esimest korda jalgrattaga sõitma minna, on jalgratta rehvid talvega tühjaks läinud. Miks jalgrattarehv seistes tühjeneb, kuigi rehv on terve?
Võta kaks klaasplaati (või peeglit) ning tee need veega märjaks. Aseta märjad klaasplaadid üksteise peale ning proovi neid üksteisest eraldada. Mida märkad? Proovi sama ka kuivade klaasplaatidega. Miks kuivad ja märjad klaasplaadid käituvad erinevalt?
Kui mängite kehalise kasvatuse tunnis jalgpalli, kas siis õpilaste liikumine väljakul sarnaneb Browni liikumisele? Põhjenda oma vastust.
HarjutusülesandedLisamaterjalid

1.3 Aineosakesed, temperatuur, siseenergia

1.3.1 Aineosakesed ja temperatuur

Asetades kaaliumpermanganaadi terad sooja ja külma vette, on näha, et soojas vees lahustuvad terad kiiremini. Samuti toimub ka difusioon kiiremini.

Kallame ühte klaasi 80-kraadist vett ning teise 20-kraadist vett. Lisame mõlemasse klaasi paar kristalli kaaliumpermanganaati vaatleme nõusid mõne minuti jooksul.

Märkame, et soojemas vees on aine rohkem lahustunud ning suurem osa veest on värvunud lillakaks. Külmemas anumas on tekkinud lillakas lahus ainult klaasi alumisse ossa, kristallide ümber.

Vaatame nüüd uuesti juba tuttavat simulatsiooni gaaside segunemisest ja muudame sel korral ka temperatuuri. Kuidas sõltub difusiooni kiirus temperatuurist?

Simulatsioonis saab uurida, kuidas sõltub difusiooni kiirus temperatuurist. Kas iga üksik molekul liigub igal ajahetkel ühesuguse kiirusega või see kiirus muutub?

Simulatsioonis näeme, et kõrgema temperatuuri juures liiguvad aineosakesed kiiremini. Seetõttu nimetatakse aineosakeste korrapäratut liikumist ka soojusliikumiseks. Kaudselt kinnitab seda seaduspärasust ka katse kaaliumpermanganaadiga – nii simulatsioon kui ka katse näitavad, et kõrgema temperatuuri juures toimub difusioon kiiremini.

Uurides simulatsiooni, on ka lihtne näha, et aineosakesed liiguvad soojusliikumises erineva kiirusega ja nende kiirus muutub põrgetes. Ühel ajahetkel võivad olla ühed osakesed peaaegu paigal (siis kui põrkavad kokku mõne teise aineosakesega), teised liiguvad aeglasemalt, kolmandad päris kiiresti. Gaasides muutuvad toatemperatuuril osakeste liikumiskiirused väga suurtes piirides, eri osakeste kiirus võib olla 100–1000 m/s, kuid enamiku osakeste liikumiskiirus jääb kuskil 400–500 m/s juurde.

Molekulide (hapniku/lämmastiku) kiiruste jaotus õhus 25 °C juures. Graafikuid tuleb mõista nii, et mida suurem on funktsiooni väärtus mingi konkreetse kiiruse juures, seda suurem osa molekule liigub sellise kiirusega. 

1.3.2 Temperatuur ja siseenergia

Mehaanikast teame, et mida suurem on keha kiirus, seda suurem on selle liikumise energia ehk kineetiline energia. Äsja saime teada, et mida suurem on osakeste liikumiskiirus, seda kõrgem on selle keha temperatuur. Seega võime öelda, et mida kõrgem on keha temperatuur, seda suurem on aineosakeste kineetiline energia.

Aineosakeste kineetilise ja potentsiaalse energia summat nimetatakse keha siseenergiaks. Kui aine olek ei muutu, suureneb keha siseenergia temperatuuri tõustes, st muutub aineosakeste kineetiline energia. Kui aine olek muutub, siis muutub nii aineosakeste potentsiaalne kui ka kineetiline energia.

Osakeste soojusliikumise muutumist temperatuuri kasvades saab uurida arvutisimulatsioonides. 

Kokkuvõte

Soojusliikumine

Aineosakeste korrapäratut liikumist nimetatakse soojusliikumiseks.

Aineosakesed ja temperatuur

Mida soojem on keha, seda suurem on aineosakeste kineetiline energia.

Keha siseenergia

Aineosakeste kineetilise ja potentsiaalse energia summat nimetatakse keha siseenergiaks.

Temperatuur ja siseenergia

Mida soojem on keha, seda suurem on aineosakeste kineetiline energia.

Harjutusülesanded

Hommikul tee sisse suhkrut lisades lahustub see ära palju kiiremini, kui näiteks külma morssi valmistades. Miks?
Ostes automaadist kuuma kakaod, on see enamasti liiga kuum, et kohe juua. Kuidas saaks kakaod jahutada ning põhjenda, miks su tegevus kakaod jahutab?
Sa õppisid, et aineosakesed on pidevas liikumises. Mõtle välja katse, kuidas sa katseliselt tõestad, et aineosakesed on pidevas liikumises?
Lisades tee sisse tükisuhkrut, lahustub see palju aegalsemalt, kui tavaline suhkur. Millest on erinevus tingitud?
Suurde veega täidetud anumasse, milles olevat vett intensiivselt segatakse, asetati kaks kerakujulist suhkrutükki. Üks suhkrutükk oli teisest kaks korda suurema massiga, kuid mõlema massid olid väikesed võrreldes vedeliku kogumassiga. Väiksema tüki lahustumine võttis aega pool minutit. Kui kaua lahustus suurem tükk?
HarjutusülesandedLisalugemine

1.4 Soojuspaisumine

Kui puhume õhupalli soojas toas täis ja läheme sellega talvel õue, märkame, et õhupall muutub väiksemaks. Tagasi tuppa minnes paisub õhupall jälle suureks. Miks?

Me juba teame, et kui temperatuur tõuseb, kiireneb aatomite ja molekulide soojusliikumise kiirus. Mida suurem kiirus, seda tugevama „müksu“ annab aatom või molekul, kui ta vastu gaasi ümbritsevat kesta põrkab. Nii juhtubki, et õhupalli saab suuremaks „puhuda“ nii sinna õhku juurde puhudes (st aineosakesi lisades) kui ka temperatuuri tõstes.

Nähtust, kus kehade suurus muutub temperatuuri muutumisel, nimetatakse füüsikas soojuspaisumiseks. Gaaside soojuspaisumine toimub alati kindla seaduspära järgi – gaasi ruumala muut on võrdeline temperatuuri muuduga.

Ka soojuspaisumise põhjuseid saab uurida arvutisimulatsioonides.

Selles simulatsioonis saab muuta anumas oleva gaasi temperatuuri. Kolvile väljastpoolt mõjuv jõud ei muutu. Kuidas kolb liigub? Miks?
Selles simulatsioonis on kaks ühise liikuva seinaga anumat. Võimalik on muuta mõlemas anumas olevate osakeste arvu, samuti nende temperatuuri. Uuri, kuidas muutuvad anumate ruumalad.
Vedelike paisumist me igapäevaselt ei märka. Aga kui pudel on triiki täis ja selle temperatuur muutub, siis muutub vedelike paisumine nähtavaks.

Kas ka vedelikes toimub soojuspaisumine? Selle uurimiseks tuleks täita pudel ääreni kuuma veega ning jälgida, kuidas veetase muutub, kui vesi jahtub. Selgub, et kui vesi jahtub, siis vedeliku tase alaneb.

Enamiku vedelike soojuspaisumise ja jahtumise korral kehtib seaduspärasus, et vedeliku ruumala muut on võrdeline temperatuuriga muuduga.

Tahkete kehade puhul kehtib sama seaduspärasus, mis vedelike ja gaaside korral: keha ruumala muut on võrdeline temperatuuri muuduga. Tahketel kehadel on mõõtmed, seega saame sõnastada soojuspaisumise seaduspärasuse järgmiselt: keha pikenemine on võrdeline temperatuuri muuduga.

See klaas läks katki, sest sinna valati liiga kiiresti kuuma vett.

Tahkete kehade paisumist ei pruugi alati näha olla, kuid sellega tuleb arvestada. Näiteks kui valada külma klaasi kuuma vett, võib klaas puruneda – kohas, kus klaas puutub kokku kuuma veega, hakkab klaas paisuma ning tekivad sisepinged. Tahke keha soojuspaisumisega tuleb arvestada ka sildade ja raudteede ehitamisel. 

Mehaanikas õppisime, et kui keha tihedus on väiksem kui seda ümbritseval keskkonnal, mõjub talle üleslükkejõud. Sarnaselt tõuseb külmema õhu keskel ülespoole soe õhk ning jahedama vee hulgas soe vesi, sest, vedelikud ja gaasid soojenedes paisuvad.

On olemas ka üks erijuht, millel on looduses erakordselt suur tähtsus. Nimelt ei ole veekogudes talvel kõige külmem vesi mitte veekogu põhjas, vaid hoopis pinna lähedal. Seetõttu ei külmu veekogud talvel põhjani kinni ja jätavad kaladele võimaluse külm aeg üle elada. Miks see nii on?

Selgub, et vee tihedus on kõige suurem mitte vahetult enne külmumist 0 kraadi juures, vaid 4 kraadi juures. Nii kogunebki talvel põhja lähedale 4-kraadine vesi, veepinnale aga 0-kraadine vesi, mis külmub.

Kokkuvõte

Soojuspaisumine

Nähtust, kus kehade suurus muutub temperatuuri muutumisel, nimetatakse füüsikas soojuspaisumiseks.

Aine ruumala sõltuvus temperatuurist

Üldiselt aine ruumala temperatuuri tõustes suureneb. 

Vee tiheduse temperatuurisõltuvus

Vesi on erandlike omadustega aine, mille ruumala võib temperatuuri tõustes väheneda. Jahtudes vee ruumala väheneb kuni 4 °C-ni. Sealt 0 °C-ni vee ruumala temperatuuri langedes suureneb.

Harjutusülesanded

Külmal talvel puhutakse õhupall õues täis. Mis juhtub õhupalliga, kui see tuppa tuua?
Õues jalutades oled vast märganud, et elektriliinide traadid on talvel rohkem pingul, kui nad on suvel. Miks see nii on?
Korralda järgmine katse. Aseta väike kartulitükk külma vette, märkad, et kartul uppus ära. Nüüd lisa veele aeglaselt soola ning sega vett pidevalt nii, et sool ära lahustuks. Mingil hetkel tõuseb kartul pinnale ujuma. Nüüd kuumuta seda vett koos kartuliga ning vaata, mis juhtub ja leia sellele põhjendus.
Otsi internetist infot selle kohta, millised materjalid paisuvad väga vähesel määral. Kus selliseid materjale kasutatakse?
Kui palju on pikkune raudtee soojal suvel () pikem kui külmal talvel ()? On teada, et ühe meetrine raudpulk pikeneb ühe kraadise temperatuuri tõusuga .
HarjutusülesandedLisalugemine

1.5 Temperatuuri mõõtmine ja temperatuuriskaalad

Vedeliktermomeeter

Temperatuuri mõõtmiseks saab kasutada gaaside ja vedelike soojuspaisumist. 

Vedeliktermomeetri alumises osas on väike anum, mis on täidetud vedelikuga ja ühendatud peenikese suletud toruga. Kui vedeliku temperatuur tõuseb, siis vedelik paisub ning veetase torus tõuseb. Kui temperatuur langeb, siis vedeliku ruumala väheneb ja veetase torus langeb. Toru kõrval olevalt skaalalt saame lugeda temperatuuri. Välitermomeetrites kasutatakse vedelikuna enamasti värvitud piiritust. Vett pole seal võimalik kasutada, sest vesi jäätub juures – selle peale termomeeter puruneks. Meditsiinilistes termomeetrites kasutatakse vedelikuna galliumi.

Selles õpikus kasutame temperatuuri ühikuna Celsiuse kraadi (). Celsiuse temperatuuri skaala on paika pandud vee sulamis- ja keemistemperatuuri järgi. -ks on võetud see temperatuur, mille juures puhas vesi jäätub. -ks on võetud temperatuur, mille juures puhas vesi normaalrõhul keeb. Vahemik vee sulamis- ja keemistemperatuuride vahel on jaotatud sajaks osaks.

Celsiuse skaalat kasutatakse igapäevaelus laialdaselt. Füüsikas kasutatakse enamasti Kelvini temperatuuriskaalat (ühiku tähis ), mida nimetatakse ka absoluutseks temperatuuriskaalaks. Kelvini skaalas on ühe kraadi vahemik sama, mis Celsiuse skaalal, erinevus seisneb ainult nullpunktis.

Kelvini skaala () on kõige madalam temperatuur, mida on võimalik saavutada. See on kõige madalam temperatuur seetõttu, et aine temperatuur on seotud aineosakeste liikumiskiirusega ning   juures on aineosakesed paigal ning nende liikumist ei ole enam võimalik rohkem aeglustada.

Paljudes riikides kasutatakse tänapäeval Celsiuse temperatuuriskaalat, kuid näiteks USA-s on levinud Fahrenheiti skaala. Fahrenheiti skaala ja Celsiuse skaala erinevusi saad võrrelda alljärgneval joonisel.

Kokkuvõte

Vedeliktermomeeter

Vedeliktermomeetris kasutatakse temperatuuri mõõtmiseks vedeliku soojuspaisumist. Paisuva vedeliku erinevad ruumalad seatakse skaala abil vastavusse temperatuuri väärtustega.

Celsiuse temperatuuri skaala

Celsiuse temperatuuri skaala on paika pandud vee sulamis- ja keemistemperatuuri järgi. -ks on võetud see temperatuur, mille juures puhas vesi jäätub. -ks on võetud temperatuur, mille juures puhas vesi normaalrõhul keeb.

Harjutusülesanded

Kasuta termomeetrit ning mõõda oma klassiruumi temperatuur Celsiuse kraadides. Milline on klassiruumi temperatuur Kelvini kraadides? Kui palju muutub temperatuur Kelvini kraadides, kui klassiruumi temperatuur tõuseb 3 ºC kraadi võrra?
Korralda oma klassis katse ning mõõda, kui palju muutub klassiruumi temperatuur ühe tunni jooksul.
Tänapäeval kasutatakse enamasti digitaalseid termomeetreid, kuid kodudes võib leiduda ka vedeliktermomeetreid. Põhjenda, kas vedeliktermomeetris on õhutemperatuuri mõõtmiseks mõistlik kasutada värvitud vett? 
Kasutades internetti, uuri, kuidas töötab bimetalltermomeeter.
HarjutusülesandedLisalugemine

2 Soojusülekanne. Kehade soojenemine ja jahtumine

2.1 Soojus liigub

Kuumas kohvis läheb ka lusikas kuumaks.

Suvel päikse käes viibides tunneme, kuidas päike meid soojendab. Kuuma teed juues võime oma keele ära põletada. Toa nurgas olev ahi kütab kogu toa soojaks. Mis toimub, st kuidas füüsika selliseid nähtusi seletab? Mida tuleb tähele panna, et end mitte ära kõrvetada?

Ahi soojendab tuba, sest õhus olevad aineosakesed põrkavad vastu ahju ja osa sooja ahju aineosakeste soojusliikumise kineetilisest energiast kandub põrkes üle õhu molekulidele – õhu siseenergia suureneb ehk temperatuur tõuseb.

Siseenergia levimist ühelt kehale teisele nimetatakse soojusülekandeks.

Kui ahi soojendab tuba, siis ütleme, et ahi andis õhule teatud soojushulga.

Soojushulgaks nimetatakse keha siseenergia hulka, mis kandub ühelt kehalt teisele.

Ahi andis soojushulga toale, seega ahju enda siseenergia vähenes. Tuba sai sama suure soojushulga, kui ahi ära andis, kuna ka soojusülekande korral peab kehtima energia jäävuse seadus: nii suure soojushulga, kui üks keha ära annab, peab teine keha vastu võtma.

Üks ja seesama koht pildistatuna termokaamera ja tavalise kaameraga. Termokaamera pildil olevad jäljed näitavad, et seal on põrand soojem. Kuidas põrand soojaks sai? Ilmselt keegi seisis seal ja jäljed on alles "kuumad". Kuna põrand on soojenenud, siis järelikult jalad jahtusid, sest andsid oma siseenergiat põrandale ära. Kui liiga kaua külmal põrandal seista, hakkavad jalad külmetama - nende temperatuur langeb nii palju, et hakkame seda tajuma. 

Soojusülekanne kehade vahel toimub ainult siis kui kehadel on erinev temperatuur. Kui kehade temperatuur on sama, siis on kehad soojuslikus tasakaalus ning soojusülekannet ei toimu.

Kuna soojushulk on võrdne keha siseenergia muuduga soojusülekandes, siis on ka soojushulga ühikuks energia ühik džaul (lühend J).

Džaulid ja kalorid

Füüsikas kasutame energia ühikuna džauli. Aga tihti kohtame ka kaloreid, näiteks toiduainete pakendite peal. Kas jutt käib ikka ühest ja sellestsamast füüsikalisest suurusest? Kuidas need kaks omavahel seotud on?
Nii tehakse tuld tulevibuga – puidu kiirel hõõrdumisel tekib kuum süsi, millega saab süüdata lõkke.

Keha siseenergiat on võimalik muuta ka tööd tehes. Näiteks saab lõket süüdata, hõõrudes pehmet ja kõvemat puud teineteise vastu – puu temperatuur tõuseb sedavõrd, et võib heina vm kergesti süttiva materjali süüdata. Sarnaselt võivad kaks metalli üksteise vastu hõõrdudes kuumeneda kuni sulamiseni. Kuna hõõrudes kehade temperatuur tõuseb, suureneb järelikult ka nende siseenergia.

Keha siseenergia arvelt on võimalik teha ka mehaanilist tööd.

Aurumasinad teevad söe põlemisel vabanenud energia arvel mehaanilist tööd. Ehkki igapäevaelus me selliseid vedureid enam ei kohta, on nende tööpõhimõtet sellegipoolest põnev uurida. Vaata, kas saad selle joonise abil selgeks. Kuidas liigub energia?
Auruvedur termokaameras. Kohad, mida termokaamera näitab punasemalt on soojemad, sinisemad kohad külmemad. Kas klapib auruveduri tööpõhimõtet selgitava joonisega? 

Kokkuvõte

Soojusülekanne

Siseenergia levimist ühelt kehale teisele nimetatakse soojusülekandeks. Kui kehade temperatuur on ühesugune, siis on kehad soojuslikus tasakaalus ning soojusülekannet ei toimu.

Soojushulk

Soojushulgaks nimetatakse keha siseenergia hulka, mis kandub ühelt kehalt teisele.

Energia jäävuse seadus soojusülekandel

Nii suure soojushulga, kui üks keha ära annab, peab teine keha saama.

Harjutusülesanded

Keskmiselt on õpilase soojusvõimsus 200 W. See tähendab seda, et õpilane eraldab igas sekundis keskkonda 200 J energiat. Kui suure soojushulga annab õpilane klassile 1 tunni (60 minuti) jooksul?
Sügisel on taevas näha palju langevaid tähti. Tegelikult ei ole need tähed, vaid Maa atmosfääri sattunud meteoriidid, mis põlema süttivad. Miks süttivad meteoriidid Maa atmosfääris põlema?
Võta toos tikke ning proovi panna tikku põlema nii, et sa tõmbad seda hästi rahulikult vastu tikutoosi kardat pinda. Tõmba nüüd tikku hästi kiiresti vastu tikutoosi kardat pinda. Miks ühel juhul tikk süttib, aga teisel juhul mitte?
Korraldage klassis katse „Kes on klassi kõige kuumem õpilane?“. Mõõtke õpilaste käte temperatuuri ning uurige, kellel on see kõige kõrgem.
HarjutusülesandedLisalugemine

2.2 Soojusülekande liigid

2.2.1 Soojusjuhtivus

Teeme katse, kus raudvarda külge kinnitame parafiiniga väikesed kirjaklambrid. Soojendades nüüd metallvarrast ühest otsast, kukub kõigepealt maha see kirjaklamber, mis on soojendatavale otsale kõige lähemal. Seejärel hakkavad järjest kukkuma teised kirjaklambrid. Kirjaklambrid kukuvad maha sellepärast, et raudvarda soojenedes parafiin sulab ja ei hoia enam kirjaklambrit kinni. Kirjaklambrite alla kukkumise järjekord näitab, kuidas raudvarda temperatuur soojuse levides muutub.

Kui erineva temperatuuriga kehad on vahetus kontaktis, siis soojema keha suurema soojusliikumise kineetilise energiaga osakesed annavad osa oma energiat põrgete kaudu külmema keha väiksema energiaga osakestele, mistõttu soojem keha jahtub ja (energia jäävuse seadusest tulenevalt) külmem keha soojeneb.

Sama nähtust toimub siis, kui ühe keha erinevad osad on erinevate temperatuuridega – soojema keha osa suurema soojusliikumise kineetilise energiaga osakesed annavad põrgete kaudu osa oma energiat külmemale keha osale ja temperatuur kehas ühtlustub.

Soojusjuhtivus on selline soojusvahetuse liik, kus aine siseenergia kandub ühelt aineosakeselt teisele.

Nii soojeneb meie käsi tulist teetassi katsudes ning ühest otsast soojendatav raudvarras läheb lõpuks ka teisest otsast kuumaks. 

Soojusülekandes aineosakeste tasemel toimuvat saab uurida arvutisimulatsioonis. 

Kuidas toimub soojusülekanne tahkistes ja gaasides.  Soojusülekannet saab uurida erinevate mõõtmetega varrastes, gaasilises keskkonnas, vaakumis ja käsnas.

Siseenergia ei liigu hetkeliselt soojusjuhtivuse kaudu ühelt kehalt teisel või aine sees. See, kui kiiresti aineosakesed siseenergiat edasi kannavad, sõltub ainest. Metallid on üldiselt head soojusjuhid, üks paremaid soojusjuhte on vask. Gaasid on aga halvad soojusjuhid ning kannavad soojust edasi aeglaselt. Näiteks õhk juhib soojust umbes 17 000 korda halvemini kui vask.

Selles simulatsioonis uurime soojusülekannet erinevatest materjalidest valmistatud varrastes. Simulatsioonis on kuum keha (vasakul) ja külm keha(paremal). Simulatsiooni käivitades algab soojusülekanne. Mida märkate?

Erinevates olukordades on vaja erineva soojusjuhtivusega materjale. Näiteks peavad soojusmaterjalid olema õhulised, kuna õhk on halb soojusjuht. Soojustus on eriti efektiivne, kui kehade vahele tekitada vaakum sest soojusülekannet ei saa siis toimuda. Mõnel teisel juhul aga on vaja soojust kiiresti ühelt kehalt teisele juhtida. Siis tuleks kasutada pigem metalle.

2.2.2 Konvektsioon

Lihtsalt jälgitavat konvektsiooni on võimalik tekitada klaasanumas, soojendades seal ühest küljest küünlaga õhku.

Kui paneme köögis vett täis poti kuumale pliidile, siis õige varsti muutub vesi ka pinna lähedalt soojemaks. Kui toa nurgas on radiaator, siis soojeneb tuba tervikuna. See toimub palju kiiremini, kui võiks oodata soojusjuhtivuse teel soojuse levimiselt.

Tuba soojeneb põhiliselt konvektsiooni tõttu. Konvektsioon tekib sellepärast, et soe õhk on hõredam kui jahedam õhk. Järelikult on võrdse ruumala ja rõhu korral soe õhk kergem kui külm õhk ja soe õhk tõuseb ülespoole ning külm õhk langeb allapoole.

Õhuringlus konvektsioonis

Näiteks radiaatori juures õhk soojeneb ja see tõuseb üles lae alla. Siis satub radiaatori juurde külm õhk, mis omakorda soojeneb ja ülespoole tõuseb. Kuna radiaatori juurest voolab pidevalt sooja õhku lae alla juurde, siis hakkab see lae all radiaatorist kaugemale liikuma, samal ajal jahtudes ja lõpuks uuesti allapoole vajudes.  Nii tekib õhu ringlus, mis  toimub seni, kuni toas on õhu temperatuur ühtlustunud radiaatori temperatuuriga.

Koos sooja õhuga liigub ka selle siseenergia, kandudes ühest kohast teise palju kiiremini, kui seda võimaldaks difusioon.

Konvektsioon on siseenergia levimine vedeliku- või gaasivoolude teel.

Konvektsiooni saab uurida ka arvutisimulatsioonides.

Soojuse levimine konvektsiooniga ja soojusjuhtivusega. Simulatsioonis on sooja plaadi ühele poole asetatud tahke aine tahukas, teisele poole gaasiga täidetud anum, mille kuju ja ruumala on samasugune, nagu tahkisel. Sa tead juba üht-teist gaaside ja tahkiste soojusjuhtivuse kohta. Mis sa arvad, kummal juhul jõuab soojus kiiremini tahuka ülemise servani?

2.2.3 Soojuskiirgus

Kuidas jõuab soojus kaminast varvasteni? Kindlasti ei ole see soojusjuhtivus. Ilmaselt ka mitte konvektsioon - soe õhk tõuseb ju kamina kõrvalt otse üles. 

Räägitakse, et kosmoses on väga külm. Jah, temperatuur on seal tõesti madal, aga kas me tunneksime seda külmana? See on õigustatud küsimus, sest kosmoses on vaakum, seal on väga vähe aineosakesi. Aga kui ei ole aineosakesi, siis ei saa olla ka soojusjuhtivust ega konvektsiooni. Kas sellest võib järeldada, et kosmoses hulpiva kosmonaudi siseenergia ei muutu ja tal on hea soe olla?

Päris nii see siiski ei ole. Meil on rääkimata veel viimane soojusülekande liik – soojuskiirgus. Nimelt kõik kehad, sõltumata nende materjalist või temperatuurist, kiirgavad soojuskiirgust. Mida kõrgem on keha temperatuur, seda rohkem soojuskiirgust keha ajaühikus kiirgab.

Soojuskiirgus on üks osa nähtamatust valgusest, mida õppisime 8. klassis – soojuskiirgus on infravalgus.

Soojuskiirgus ja soojusliikumine

Teame, et aineosakesed on pidevas soojusliikumises. Teame ka, et kõik kehad kiirgavad infrapunakiirgust, mida nimetatakse ka soojuskiirguseks. Kuidas need kaks nähtust seotud on?
Kui tahm satub lumele, siis hakkab see seal valgust neelates soojenema, soojendades ühtlasi ka lund. Tulemuseks on lume kiire sulamine tahmakihi all.

Aine ka neelab soojusenergiat soojuskiirgusena. Soojuskiirguse neeldumisel aineosakeste soojusliikumise kiirus suureneb. Just soojuskiirgus on see, mis meie käsi kamina ees istudes soojendab. Loomulikult väheneb sealjuures ka kamina siseenergia – energia on jääv suurus.

Valgusõpetuses rääkisime, et valgus pinnal kas peegeldub, hajub või neeldub. Nüüd teame, et mida suurema osa valgusest (nähtamatust ja nähtavast) keha neelab, seda rohkem see soojeneb. Hästi neelavad pinnad näivad meile tumedad, sest nendelt ei jõua meie silma valgust. Seega on suvel sobilikum kanda heledaid riideid – need neelavad vähem soojuskiirgust ja meil ei hakka nii kergesti palav.

Kui keha ja seda ümbritseva keskkonna temperatuurid on võrdsed, siis on keha poolt kiiratud ja neelatud soojushulgad võrdsed, keha on ümbritseva keskkonnaga soojuslikus tasakaalus.

Kuidas töötab kiirgustermomeeter ja termokaamera?

Infrapunatermomeeteri ja termokaamera kasutamine on petlikult lihtne - vajuta nuppu ja saad tulemuse. Lähemalt uurides on asi palju põnevam.

2.2.4 Soojusülekanne igapäevaelus

Domineerivad soojusülekande liigid põleva küünla läheduses.

Sellised ongi kolm soojusülekande liiki: soojusjuhtivus, konvektsioon ja soojuskiirgus. Reaalses elu esinevad nad tavaliselt koos. Tihti on ka nii, et üks neist liikidest domineerib. Selle illustreerimiseks sobib jälle küünla leek - kui hoida kätt küünla kohal, siis tunneme konvektsioonis käeni jõudvat kuuma õhu voolu, kätt küünla küljel hoides tunneme eelkõige soojuskiirgusena käeni jõudvat soojust, kui pistame lusika leeki, siis jõuab soojus meieni soojusülekande kaudu.

Kokkuvõte

Soojusjuhtivus

Sellist soojusvahetuse liiki, kus aine siseenergia kandub ühelt aineosakeselt teisele, nimetatakse soojusjuhtivuseks.

Konvektsioon

Konvektsiooniks nimetatakse siseenergia levimist vedeliku- või gaasivoolude teel.

Soojuskiirgus

Kõik kehad, sõltumata materjalist või temperatuurist, kiirgavad soojuskiirgust. Mida kõrgem on keha temperatuur, seda rohkem soojuskiirgust keha ajaühikus kiirgab.

Harjutusülesanded

Otsi klassist mõni metallese ning mõni puidust ese. Võta üks ühte ja teine teise kätte. Miks sulle tunduvad nende temperatuurid erinevad? 
Õhk on halb soojusjuht, kuid ometigi jahtuvad õhu kätte seisma jäetud esemed. Miks?
Korralda katse. Lisa veele natuke kaltsiumkarbonaadi (või mõne muu lahustumatu aine) pulbrit. Jäta klaasitäis sellist vett sooja ahju kõrvale seisma. Kuhu serva settib sade?
Korraldage klassis katse „Kelle vesi on kõige kuumem?“. Võtke ühesugused keeduklaasid ning kallake sinna sisse kuuma vett. Kasutades erinevaid võtteid, vähendage soojusvahetust keeduklaasi ja õhu vahel. Mõne aja pärast mõõtke vee temperatuure uuesti. Kelle vee temperatuur oli kõige kõrgem?
Soojal kevadpäeval tekkis koolis idee jahutada klassiruumi radiaatoritega, lastes sealt läbi voolata külma vee. Kas külmaradiaator töötab sama hästi, kui soojaradiaator? Kuidas liigub õhk klassiruumis, kui radiaatorid jahutada?
Tuppa toodi kaks täpselt ühesugust jäätükki. Üks jäätükk jäeti katmata, teine kaeti kasukaga. Kumb jäätükk sulas kiiremini? Miks?
HarjutusülesandedLisalugemine

2.3 Kehade soojenemine ja jahtumine

Uurime olukorda, kus soojusvahetuses keha olek ei muutu. Sel korral siseenergia suurenedes tõuseb ka keha temperatuur. Aga kui palju? Kas saame elektrienergia hinda teades arvutada, kui palju läheb maksma vannivee soojendamine 20 kraadilt 40 kraadini?

Valame ühte keeduklaasi , teise ja kolmandasse toasooja (22 ºC) vett ning soojendame neid kolmel ühesugusel pliidil ühe minuti jooksul, mõõtes samal ajal vee temperatuure kõikides anumates.

Sellises katses on kõigile kolmele keeduklaasile antav soojushuk ühesugune. Katses saime, et vee temperatuur oli ühe minuti möödudes 52,7 kraadi, vee temperatuur oli 35 kraadi ja  vee temperatuur tõusis vaid 28 kraadini. Sellest saame järeldada, et aine temperatuuri muutus sellele mingi soojushulga lisades või ära võttes sõltub aine massist.

Jätkates 100 grammi vee kuumutamist, anname veele järjest suurema soojushulga ja vee temperatuur jätkab tõusmist. Mõõtes aega, mis kulub vee temperatuuri muutmiseks võrra, saame järgmised tulemused.

Vee temperatuur (ºC)

Temperatuuri muutus (ºC)

Aeg (s)

25

 

0

30

5

22

35

5

59

40

5

93

45

5

126

Katsest näeme, et iga viie kraadise temperatuuri muutuse jaoks kulus ligikaudu sama palju aega (34 sekundit). Kuna veele antud soojushulk on võrdeline ajaga, siis võib öelda, et aine temperatuuri muut on võrdeline ainele antava (jahtumise korral sellelt ära võetava) soojushulgaga. Mida kõrgemat temperatuuri soovime saavutada, seda suurema soojushulga peame veele andma.

Ühesuguste koguste vee ja õli soojendamine ühesugustel pliitidel.

Järgmises katses võtame 100 grammi toasooja (22 ºC) vett ning 100 grammi toasooja toiduõli. Soojendame mõlemaid ühe minuti jooksul ühesugustel pliitidel ning mõõdame samal ajal vedelike lõpptemperatuure.

Näeme, et õli temperatuur muutub rohkem kui vee oma. Sellest saame järeldada, et ainele antav soojushulk sõltub ka ainest endast. Aine erisoojus näitab, kui palju energiat on vaja ainele anda või sellelt ära võtta, et ühe kilogrammi aine temperatuuri suurendada või vähendada 1 kraadi võrra. Erisoojust tähistatakse tähega ning selle ühikuks on .

Eelnevate katsete põhjal saame seega öelda, et soojushulk , mis tuleb anda ainele tema temperatuuri tõstmiseks teatud hulga kraadide võrra, sõltub aine erisoojusest , aine massist ning sellest, kui suur on soovitud temperatuurimuutus.

Tähistame temperatuurimuutuse, st  aine lõpp- ja algtemperatuuride vahe . Siin kirjeldatud katsetega analoogiliste katsete tulemuste põhjal saab kirja panna üldise seaduspärasuse:

Erinevate ainete erisoojused on võimalik leida Lisast 9.1.1, samuti usaldusväärsetest allikatest internetis, näiteks Vikipeediast.

Paneme tähele, et keha jahutamisel on temperatuuri muut negatiivne ning arvutamisel saame ka negatiivse soojushulga. Seda tuleb mõista nii, et jahutamisel me mitte ei anna ainele energiat vaid võtame seda.

Vaatame, kuidas neid teadmisi igapäevaelus kasutada.

Näidisülesanne 1

Kui suur soojushulk tuleb anda kahele liitrile 20-kraadisele veele, et tõsta selle temperatuur 80 kraadini?

Lahendus

Andmed






Arvutused

Leiame vee massi :

Leiame vee temperatuuri muudu

Leiame veele antava soojushulga :

Vastus. Kahele liitrile veele tuleb anda soojushulk 500 kJ, et tõsta selle temperatuuri -lt -ni.

Näidisülesanne 2

Vannis on 200 liitrit 20-kraadist vett. Kui palju tuleb maksta vee temperatuuri tõstmise eest 40 kraadini, kui 1 kWh elektrienergia hind on 13 senti kWh eest.

Lahendus

Andmed







Arvutused

Vee mass on

Leiame soojushulga , mis on vajalik veel soojendamiseks:

Elektrilistes küttekehades muundub kogu elektrienergia soojusenergiaks, soojuskadusid peaaegu ei ole. Nii saame vee soojendamiseks vajamineva soojushulga hinna arvutada otse elektrienergia hinnast. Kuna 1 dzaul on siis, kui tehakse tööd võimsusega 1 vatt ühe sekundi jooksul, siis

ehk ühele kilovatt-tunnile vastab 3,6 miljonit džauli. Nii saame energiakuluks .

Et ühe kWh maksumus on , siis:

Vastus. Vannivee soojendamise eest tuleb maksta .

Näidisülesanne 3

Termoses on 500 grammi 20-kraadist vett. Termosesse kallatakse juurde 100 grammi sooja vett, mille tulemusena tõusis vee temperatuur termoses 30 kraadini. Milline oli juurde lisatava sooja vee temperatuur?

Lahendus

Andmed






Arvutused

Termoses olev vesi soojenes selle soojushulga arvelt, mis eraldus 100 grammise sooja vee jahtumisel. Termoses oleva vee ja sooja vee lõpptemperatuurid on samad, 30 kraadi. Seega termoses oleva vee temperatuurimuut .

Leiame soojushulga , mis kulus termoses oleva 500 grammi vee soojenamiseks

Soe vesi andis ära soojushulga , mis on võrdne soojushulgaga , mille arvelt termoses olev vesi soojenes.Teades sooja vee massi , saame leida selle, kui palju muutus sooja vee temperatuur :

seega

Teades, et sooja vee lõpptemperatuur on sama, mis termoses oleva vee lõpptemperatuur – 30 kraadi –, ning sooja vee temperatuur muutus , saame leida sooja vee algtemperatuuri :

Vastus. Juurde lisatava vee temperatuur oli .

Kokkuvõte

Kehade soojenemine ja jahtumine

Soojushulk , mis tuleb anda ainele tema temperatuuri tõstmiseks teatud hulga kraadide võrra, sõltub aine erisoojusest , aine massist ning sellest, kui suur on soovitud temperatuurimuutus :

Seega soojusvahetuses aine temperatuur muutub (kas kasvab või kahaneb). Aine temperatuuri muut on võrdeline ainele antava (jahtumise korral sellelt ära võetava) soojushulgaga ning pöördvõrdeline selle massi ja erisoojusega .

Aine erisoojus

Aine erisoojus näitab, kui palju energiat on vaja ainele anda, et ühe kilogrami aine temperatuuri muuta 1 kraadi võrra.

Harjutusülesanded

Kui palju energiat kulub ühe liitri vee temperatuuri muutmiseks -lt kuni -ni?
Kui palju energiat eraldub, kui kaks liitrit   vett jahtub -ni?
Millise temperatuuriga vesi saadakse, kui omavahel segatakse 0,4 liitrit 20-kraadist vett ning 0,6 liitrit 80-kraadist vett?
Toa kütmiseks on vaja igas tunnis 14 MJ energiat. Toa radiaatorist läbi voolates jahtub vesi -st -ni. Kui palju vett peab radiaatorist ühe päeva jooksul läbi voolama?
Kui palju soojeneb -grammine kummist pall (erisoojusega ), mis kukub lauale meetri kõrguselt ning põrkab tagasi kõrgusele? Eeldada, et pall saab soojushulgast.
Kohvikannu võimsus on 1200W. Kui kaua aega kulub sellega 1 liitri 21 kraadise vee keema ajamiseks? Proovi järele!
Paku välja katseid, kus saaks kontrollida valemi kehtivust.
HarjutusülesandedLisalugemine

2.4 Soojus praktikas

2.4.1 Maa soojenemine

Maa pildistatuna kosmoselaeva Apollo 10 pardalt. Kosmoses on väga külm, miks meil külm ei hakka? 

Kuidas ikkagi juhtub nii, et Maa Päikese kiirguses parasjagu soe püsib? Teame nüüd üht-teist soojusülekandest. Tuletame ka meelde valgusõpetust ja proovime selgitada.

Päike on elektromagnetkiirguse allikas, mille kiirgus katab suure osa elektromagnetlainete spektrist - lisaks nähtavale valgusele ja soojuskiirgusele sisaldab see ka näiteks ultraviolettkiirgus ja röntgenkiirgus. Mis juhtub selle kiirgusega, kui see jõuab Maa atmosfäärini?

Maa atmosfäär toimib kui valgusfilter, mis neelab päikesevalguse teatud spektri osades. Näiteks Päikeselt Maa atmosfäärini jõudev röntgen- ja gammakiirgus neeldub peaaegu täielikult 80–500 km kõrgusel asuvas atmosfäärikihis, mida nimetatakse termosfääriks. Kui aine kiirgust neelab, siis peab selle temperatuur tõusma. Nii võibki õhutemperatuur kõrgustel 200–300 km ulatuda 1000–1500 K.

Atmosfäär kui valgusfilter. Täielikult neelatakse gamma- ja röntgenkiirgus, samuti suurem osa ultraviolettkiirgusest ja osa infrapunakiirgusest. Atmosfäärist pääseb täielikult läbi nähtav valgus. Pange tähele, et oleme siin lisaks lainepikkustele andnud ka valgusosakeste (footonite) energiad elektronvoltides (eV).

Atmosfääris neeldunud päikesekiirgus soojendab tugevalt atmosfääri ülemisi kihte, aga mitte selle alumisi kihte. See osa päikesekiirgusest, mis atmosfäärist läbi pääseb (nähtav valgus, samuti osa infravalgusest), neeldub osaliselt maapinnas, teine osa peegeldub ja jõuab tagasi kosmosesse.

Kõik kehad kiirgavad soojust, sealhulgas ka maapind. Kuna maapinna keskmine temperatuur ei muutu, siis peab maapind kiirgama sama koguse soojust, kui ta neelab (energia jäävuse seadus!). Aga maapinna kiiratud soojuskiirgus kosmosesse tagasi ei jõua.

Kuid miks ei saa valgus maapinnast kiirgudes kosmosesse tagasi, kui see ometi atosfäärist maapinnani pääses? Kasvuhooneefekti mõistmiseks on väga oluline tähele panna, et kogu maapinnas neeldunud valgus (sealhulgas nähtav valgus) kiiratakse sealt välja soojuskiirgusena, mis atmosääris neeldub. Atmosfääris sisalduvaid gaasilisi aineid, mis neelavad maapinna kiiratud infrapunakiirugust, on hakatud nimetama kasvuhoonegaasideks.

Maa atmosfääris on kasvuhoonegaasid (veeaur, metaan, osoon, süsinikdioksiid, lämmastikdioksiid), mis neelavad Maalt väljunud soojuskiirgust ning hoiavad seda kosmosesse tagasi levimast. Sellist nähtust nimetatakse kasvuhooneefektiks.

Siin kirjeldatud protsessi saab uurida ka arvutisimulatsioonis.

Selles simulatsioonis saab samm-sammult uurida, kuidas toimib kasvuhooneefekt.

Kasvuhooneefekt (Maa atmosfäär) tagab selle, et Maal on öised ja päevad temperatuurid üsna ühtlased. Näiteks Marsil, kus atmosfääri kiht on väga õhuke, võivad öised ja päevased temperatuurid kõikuda kuni .

Soojusenergia liikumise Maa atmosfääris võtab kokku alljärgnev joonis.

Maa atmosfääri energiabilanss

2.4.2 Päikesest kaugemal on soojem?

Valgusallikast kaugemal olevale ekraanile langeb vähem valgusenergiat. Valguskiirte teele on asetatud kaks ühesuguse pindalaga ekraani. Ekraanile langeva valguskiirguse energiat on võimalik hinnata lugedes kokku sellele langevad valguskiired.

Kuna Maa saab oma soojusenergia Päikeselt, siis võiks oletada, et Maa on Päiksele suvel lähemal kui talvel.  Tegelikult on vastupidi – suvel on Päike meist kaugemal. Teisel pool maakera on jälle vastupidi – seal on suvel Päike lähemal. Miks siis on suvel soojem?

Valgusõpetusest ja igapäevakogemusest me teame, et mida kaugemal on vaatleja punktvalgusallikas, seda nõrgemaks jääb vaatleja jaoks sellest valgusallikast silma jõudev valgus. Maa-Päike kauguse muutumise tõttu langebki lõunapoolkera atmosfääri ülapiirile suvel kuni 7% intensiivsem päiksekiirgus kui põhjapoolkera suvel. See aga ei ole aastaaegade vaheldumise põhjus.

Aastaaegade vaheldumine on tingitud sellest, et Maa pöörlemistelg on Maa orbiidi tasapinna (ehk tiirlemistasapinna ehk ekliptika) suhtes kaldu. Seetõttu ei tõuse Päike talvel nii kõrgele horisondi kohale kui suvel. Eesti laiuskraadil on päike suvisel keskpäeval 55,06 kraadi kõrgusel horisondi kohal, talvel aga vaid 8,18 kraadi kõrgusel. Miks see oluline on?

Kui päikese kõrgus vähene, langeb igale Maa pindalaühikule vähem päikeseenergiat. Selle mõistmiseks valime Maale langevast päikesekiirgusest välja 1 m2 ristlõikega kimbu, mis langeb keskpäeval Tartu laiuskraadile (58,18 kraadi). Suvel katab selline kimp maapinnal 1,2 m2, talvel aga tervelt 7 m2. Soojusenergiat on ühes sellises kimbus ikka sama palju, seega langeb talvel ühele ruutmeetrile 7/1,2 = 6 korda vähem soojuskiirgust. See on palju suurem erinevus, kui 7%, mis on põhjustatud Maa ja Päikese omavahelise kauguse muutusest.

Miks suvel on soe ja talvel külm? Pange tähele, kuidas päiksekiired langevad keskpäeval maapinnale erinevate nurkade all. Ühe ruutmeetrise ristlõikepindalaga valguskiir katab seetõttu suvel ja talvel märksa erineva pindala maapinnal ja pindalaühiku kohta tähendab see suvel 6 korda rohkem valgust.

2.4.3 Termos

Termose läbilõige

Termos on seade, mille ülesandeks on hoida selle sees oleva aine temperatuuri. Suvel saab termoses hoida jooki jahedana ning talvel jällegi kuuma teed või kohvi ilma, et joogi temperatuur muutuks.

Kuidas termos töötab?

Termos koosneb sisemisest ja välimisest anumast, mille vahel on hõrendatud õhk. Mida vähem õhku on termose kahe anuma vahel, seda vähem toimub soojusülekanne soojusjuhtivuse teel – kui pole aineosakesi, ei saa ka toimuda soojusjuhtivust.

Termose sisemised pinnad on peegeldavad, tavaliselt tehtud metallist. Läikiv pind tagab, et soojuskiirgus ei pääseks termosest välja – läikiv pind peegeldab soojuskiirgust tagasi. Läikivad pinnad kiirgavad ka vähem soojuskiirgust.

2.4.4 Tuule käes on jahedam

Tuisk talvel 

Miks on tuule käes jahedam? Sellepärast, et lisaks soojusjuhtivusele viib soojusenergiat ära ka õhuvoolamine ehk konvektsioon.

Tõepoolest, tuulevaikse ilmaga ümbritseb meid õhukiht, mis meie soojusenergia arvel järjest soojeneb. Tuule käes asendatakse see soojem õhukiht pidevalt külma õhuga. Mida suurem on temperatuuride erinevus, seda kiiremini kaotab keha soojusenergiat ja seda suurem on külmatunne mida tajume.

Tuule mõju kehade jahtumisele saab uurida katses, kui mõõdame jahtuva keha temperatuuri tuule käes ja ilma tuuleta. Sama katse saab läbi viia ka arvutisimulatsioonis.  

Keha jahtumine tuules ja tuulevaikuses. Vaata, kuidas tuule käes olev keha soojendab ümbritsevat õhku. Tuul kannab sooja õhu koos soojusenergiaga kaugemale.

2.4.5 Maja

Kuidas projekteerida katus ja aknad nii, et talvel pääseks tuppa võimalikult palju, suvel jälle võimalikult vähe päikesekiirgust? Kuidas paigutada päikesepaneelid, et nad saaksid neelata aasta läbi maksimaalselt päikesekiirgust? Need on näited paljudest küsimustest, mis tuleb energiatõhusa maja ehitamisel lahendada.

Eesti kliima on suhteliselt ebasõbralik ja viletsas majas kipub olema suvel liiga soe ja talvel liiga külm. Kui proovime sellist maja talvel rohkem kütta ja suvel jahutada, siis saame suuremad elektriarved ja suurema koormuse keskkonnale. Lahendus on energiatõhusate majade ehitamine. Aga milline maja on energiatõhus?

See ei olegi nii lihtne küsimus, kui esmapilgul paista võib. Samas põhimõtted, millest tuleks lähtuda, oleme me juba selgeks saanud – me teame, kuidas soojus majja ja majast välja saab, oskame hinnata päiksevalguse, tuule ja välistemperatuuri mõju.

Kõiki majades esinevaid soojusnähtusi korraga käsitleda on keeruline, väga palju erinevaid nähtuseid ja nendega seotud muutujaid. Teadus annab meile ka võtme, kuidas suurt ülesanneks väiksemateks osaülesanneteks jagada. Saab näiteks võtta ette aknad ja küsida, milline on nende roll ruumide temperatuurile mingisugustes konkreetsetes ilmastikuoludest.

Uurime arvutisimulatsioonis akende mõju toa temperatuurile.

 

Kuidas kuumalaine ajal kodu jahutada?

Mida teha, kui kuumalaine ajal ei ole ka öösel piisvalt jahe, et maja maha jahutada?

2.4.6 Mere ääres soojem?

Läänemeri märtsis

Nüüd saame ka näiteks arutleda teemal, miks on suvel mere ääres enamasti jahedam kui sisemaal, kuid talvel seevastu soojem.

Päiksekiirgus neeldub nii merevees kui ka maapinnas. Aga vee soojusmahtuvus on suurem, kui pinnase oma. Nii kulub vee soojendamiseks kauem aega ja see ka jahtub kauem.

Seetõttu on suvel merevee temperatuur madalam kui kaldapinnasel, mere kohal olev õhk soojusvahetuses jahtub ning tuul toob jahedust ka rannikule. 

Talvel on mere ääres soojem kui sisemaal, kuna jäätumata mere temperatuur on alati kõrgem kui 0 kraadi. Merevesi soojendab õhku ja soe õhk liigub tuulena rannikule, tuues pehmema ilma.

Miks meri ka külma ilma korral kaua soe püsib? Sest vee suure soojusmahtuvuse tõttu salvestub merre suur soojushulk. Palju soojusenergiat eraldub ka jäätumisel.

2.4.7 Tassile kaas peale!

Mõnikord ei ole termost käepärast, aga ikkagi tahaks teed soojas hoida. Siis hoidke vähemalt tassil kaas peal, nii jahtub tee palju aeglasemalt. 

Kuum tee soojendab vahetult enda kohal olevat õhku. Kui tass ei ole kaetud, siis selliselt soojenenud õhk tõuseb üles, asemele tuleb külmem õhk, tekib konvektsioon.

Kui tass on kaetud, siis on kaane ja tee vahel olev õhukiht „lõksus“, see soojeneb, aga ei pääse liikuma. Soojenenud õhk hakkab soojendama kaant, soe kaas omakorda ümbritsevat õhku, aga me juba nägime, et soojusjuhtivus on palju aeglasem protsess.

Kuuma tee jahtumist saab uurida kodustes katsetes, aga ka arvutisimulatsioonis.

Võrdle lahtise ja kaanega kaetud anumas oleva vee jahtumist. Temperatuuri märgitakse värvikoodina - mida punasem seda soojem. Simulatsioonis on ka kolm nihutatavat temperatuuri sensorit, mis näitavad temperatuuri arvväärtust.

2.4.8 Kosmoses ilma skafandrita?

Kas saaks ka ilma skafandrita?

Kas kosmoses on külm? Kerge on leida viiteid, mis ütlevad, et seal valitseb temperatuur ehk .

Aga see on vaid veerand lugu.

Kosmos ei ole päris tühi, aga aatomeid on seal tõesti väga vähe – kuupmeetris vähem kui üks. Sellise tihedusega aine ei saa kehade temperatuuri märgatavalt mõjutada ja energiat saab kosmoses kaotada vaid soojuskiirgusena. Kosmoses saab energiat ka juurde, kui keha neelab päikesekiirgust.

Kui palju energiat me kaotame soojuskiirgusena? Võtame siin teadmiseks ühe valemi, mis meile selle numbri annab:

Siin tähistab soojuskadu džaulides, on aeg sekundites, on keha kiirgavus (inimkehal on see ), on Stefan-Boltzmanni konstant (), on keha pindala.  Kui paneme valemisse arvud asemele, arvestades, et keha temperatuur on 34 kraadi ja kosmoses on temperatuur –270 kraadi (3 K), saame teada, et me kaotaks kosmoses soojust võimsusega 1000 W (23-kraadises toas on see number 133 W). 

Toitumisinfo küpsise pakkepaberil. Kui kauaks jätkub ühest sellisest küpsisest, et meie keha temperatuuri hoida.

Oletame, et inimene kaalub 70 kg. Kuna iga grammi vee soojendamiseks ühe kraadi võrra kulub soojust 4,18 J, jahtuksime sellises keskkonnas kümne minuti jooksul kõige rohkem kaks kraadi. Et sellist soojuskadu kompenseerida, peaksime sööma 60 000 J ehk 14 toidukalorit (kcal) minutis ja kogu see energia peaks ka soojuseks muunduma, st toit tuleb seedida. Aga üks neist küpsistest iga 2–3 minuti järel on täiesti piisav.

Teiste sõnadega, kosmos ei ole nii „külm“  koht, kui võiks arvata. Jah, seal on külm, aga seal on liiga vähe ainet, et midagi kiiresti maha jahutada.

Kokkuvõte

Kasvuhooneefekt

Maa atmosfääris on kasvuhoonegaasid (veeaur, metaan, osoon, CO2, N2O), mis neelavad Maalt väljunud soojuskiirgust ning hoiavad seda kosmosesse tagasi levimast. Sellist nähtust nimetatakse kasvuhooneefektiks.

Soojusõpetus on praktiline

Kehade soojuslike omaduste ja soojusülekande põhiomaduste tundmine annab võimaluse selgitada erinevaid igapäevaelulisi nähtuseid ning ennustada praktiliste ja hüpoteetiliste katsete tulemusi.

Harjutusülesanded

Kas suvel toas madalama temperatuuri hoidmiseks on mõistlik aknakatted paigutada tuppa või välisseina külge?
Anname teile paki väga toitvaid küpsiseid ja hapnikumaski. Kas oleksite valmis kosmosesse hüppama? Põhjendage vastust!
Mis on tuulekülm? Küsimusele vastamiseks kasuta internetimaterjalide abi. Kas ka termomeeter tunneb tuulekülma? Aga kosmonaut? Mida võiks nimetada tuulesoojaks?
Kas kosmoselaeva tuleb kosmoses pigem kütta või jahutada? Uuri internetimaterjale, arutle ja tee järeldusi.
HarjutusülesandedLisamaterjalid

3 Aine olekute muutused

3.1 Sulamine ja tahkumine, sulamissoojus

Jää sulamiseks on vaja energiat. Kui see energia võetakse peopesalt, siis tunneme külma.

Kui paneme vee sügavkülma, see mõne aja pärast jäätub. Kui võtame tekkinud jää sealt välja ja hoiame seda käes, siis tunneme, et käsi muutub külmaks ning tahke jää muutub osaliselt veeks.

Need protsessid on meile hästi tuttavad. Protsessi, kus tahke aine muutub vedelaks, nimetatakse sulamiseks. Vedela aine muutumist tahkeks aineks nimetatakse tahkumiseks.

Kuidas liigub energia nendes protsessides?

Meie käsi tunneb külma, kui see jahtub, ning jahtub siis, kui annab osa oma aineosakeste soojusliikumise energiast, s.o siseenergiast ära. Jää sulamisel tunneme külma. Sellest saame järeldada, et jää sulamiseks on vaja energiat, mis alati võetakse soojusvahetuse kaudu ümbritsevatelt kehadelt.

Simulatsiooni käivitades on kuum vedelik ja külm tahkis vaheseinaga eraldatud. Eemalda vastavat nuppu vajutades vahesein ja vaata, kuidas soojus kandub kuumalt vedelikult tahkese ainesse.

Kuidas vee tahkumist uurida? Selleks saab hästi kasutada jäävett, mida suvel palava ilmaga on mõnus juua. Kas oled kunagi mõõtnud jäävee temperatuuri?

Jäävee temperatuur on alati 0 kraadi. Kui jäävette lisatakse –20 kraadini jahutatud jääkuubikud, siis osa vett külmub, aga jäävee temperatuur ei muutu.

Valame klaasi toasooja vett, lisame sinna sisse jääkuubikuid ja mõõdame siis vee temperatuuri. Temperatuur hakkab langema ning mõne aja pärast on see 0 ºC ning enam allapoole ei lange. Järelikult on meil saavutatud soojuslik tasakaal jäätükkide ja vee vahel – mõlema temperatuur on 0 ºC.

Mis juhtub kui lisada 0 ºC jäävette –20 ºC jääkuubik? Kas jäävee temperatuur langeb nüüd alla 0 ºC? Katseliselt veendume, et ükskõik, kui palju ja kui külma jääd me vette ei paneks, jäävee temperatuur on ikka 0 ºC. Samas aga hakkab lisatud jää temperatuur tõusma. Teame, et keha temperatuuri tõstmiseks on vaja energiat. Kust see energia võetakse?

Märkame, et kui lisame 0 ºC jäävette –20 ºC jääd, siis osa vett jäätub. Vesi jäätub seetõttu, et jää temperatuur hakkab tõusma ning temperatuuri tõusmiseks vajalik soojushulk saadakse vee jäätumisel ehk tahkumisel.

Aine sulamiseks on vaja energiat. Tahkumise käigus energiat alati eraldub.

Katsest saame järeldada veel seda, et sulamine/tahkumine toimub ühel kindlal temperatuuril, mida nimetatakse aine sulamistemperatuuriks. Sulamise ja tahkumise käigus aine temperatuur ei muutu, seetõttu on ka jäävee temperatuur alati 0 ºC.

Kuna jäävee temperatuur sulamise/jäätumise käigus ei muutu, siis järelikult ei muutu ka osakeste liikumiskiirus (kineetiline energia). Samas aine siseenergia peab sulades muutuma, kuna sulatamiseks antakse ainele energiat juurde. Seega muutub sulamise ja tahkumise käigus osakeste potentsiaalne energia: kui temperatuuri tõuseb, siis osakesed nihkuvad üksteisest kaugemale ja väheneb vastastikmõju potentsiaalne energia.

Mõnedele ainetele on sulamiseks vaja rohkem energiat, teistele vähem. Seda, kui palju energiat on vaja aine sulamiseks, iseloomustab aine sulamissoojus.

Sulamissoojus näitab, kui palju energiat on vaja anda 1 kg sulamistemperatuuril olevale ainele, et see täielikult sulatada.

Sulamissoojust tähistatakse kreeka tähega (loe: lambda) ning ühikuks on . Jää sulamissoojus on , mis tähendab seda, et 1 kilogrammi jää sulamiseks kulub 330 000 J energiat. Kuna sulamine ja tahkumine on pöördprotsessid, siis 1 kilogrammi vee jäätumisel eraldub 330 000 J.

Aine sulamiseks vajaminevat soojushulka saab järelikult arvutada valemiga

kus tähistab sulamissoojust ja aine massi. Levinumate ainete sulamissoojused leiad Lisast 9.1.2 või näiteks Vikipeediast.

Enamikul ainetel on tahke olek tihedam kui vedel olek. Taas on üks erandlikke aineid vesi: jää tihedus on väiksem kui vee oma. Sel põhjusel tõuseb jää vees pinnale ja järved saavad endale talvel jääkaane. Kuid samas kahjustab vee selline omadus paljusid ehitisi. Näiteks lõhub jää asfaltteid: vesi tungib asfalttee kivide vahele, külmaga jäätub ning paisub ja teele tekivad praod.

Jää ja vee struktuur

Jäätuva vee paisumine on kõigile teada-tuntud fakt. Aga miks vesi niimoodi käitub? Kõigepealt tuleb meeles pidada, et temperatuur on seotud molekulide kineetilise energiaga.

Miks me tunneme külma?

Me juba teame, kuidas töötab vedeliktermomeeter. Aga kuidas saab meie aju teada, kui meid ähvardab tugev põletus või külmetus?

Näidisülesanne

Mitu grammi 0-kraadist jääd tuleb lisada 200 grammi 20-kraadisesse vette, et vesi 0-kraadini jahutada?

Lahendus

Andmed






Arvutused

Leiame soojushulga, mis eraldub vee jahtumisel -ni. Temperatuurimuutus .

Vesi annab jahtumisel oma soojushulga jää sulamiseks . Teades jää sulamiseks minevat soojushulka, saame leida vajamineva jää massi . Et

siis

 

Vastus. Selleks, et jahutada 200 grammi vett -ni, on vaja vette lisada 50 grammi jääd.

Kokkuvõte

Tahkumine

Vedela aine muutumist tahkeks aineks nimetatakse tahkumiseks.

Sulamine

Protsessi, kus tahke aine muutub vedelaks, nimetatakse sulamiseks.

Sulamise ja tahkumise energeetika

Aine sulamiseks on vaja energiat. Tahkumise käigus eraldub alati energiat.

Sulamistemperatuur

Sulamine ja tahkumine toimub ühel kindlal temperatuuril, mida nimetatakse aine sulamistemperatuuriks.

Sulamissoojus

Sulamissoojus näitab, kui palju energiat on vaja anda 1 kg sulamistemperatuuril olevale ainele, et see täielikult sulatada. Aine sulamiseks vajaminevat soojushulka saab arvutada valemiga 

kus tähistab sulamissoojust ja  aine massi.

Harjutusülesanded

Ilmateadet jälgides oled kindlasti märganud, et talve on mereääres soojem, kui sisemaal, kevadel külmem kui sisemaal? Millest on see erinevus tingitud?
Kui palju energiat sa pead kulutama, kui tahad sulatada suus 50 grammi 0 °C jääd?
Kui palju energiat eraldub 5 kg sulamistemperatuuril oleva vee jäätumisel?
200-grammisesse 20-kraadisesse vette asetatakse 50 grammi –20-kraadist jääd. Milline on vee temperatuur pärast soojusliku tasakaalu saabumist?
Jääst klaasi massiga ning temperatuuriga kallatakse vedelikku A temperatuuriga . Mitme protsendiline vedeliku A vesilahus tekib klaasis pärast soojusvahetuse lõppemist? Jää sulamissoojus on , vedeliku A erisoojus on .
HarjutusülesandedLisamaterjalid

3.2 Aurumine ja kondenseerumine, keemissoojus

Veeaur ehk gaasilises olekus vesi on läbipaistev nähtamatu gaas. Nähtavad on imepisikesed veepiisad, mis on tekkinud veeauru kondenseerumisel vedelaks veeks.

Meid ümbritseb igal pool õhk, mis koosneb gaasidest, peamiselt lämmastikust ja hapnikust. Keetes vett, muutub ka vesi gaasiliseks – vesi aurustub. 

Protsessi, kus vedel aine muutub gaasiliseks, nimetatakse aurumiseks. Protsessi, kus gaasiline aine muutub vedelaks, nimetatakse kondenseerumiseks.

Kas vesi aurustub ainult keemise ajal? Kui peseme tahvli märja lapiga puhtaks, siis on tahvel märg, kuid varsti kuivab ära. Sarnaselt kuivab ära pesu nööril või veeplekk põrandal. Võime öelda, et  vedelikud aurustuvad kõikide temperatuuride juures.

Klaasid 20- ja 80-kraadise veega. Soojema veega klaasi siseküljel on näha veeauru kondenseerumisel tekkinud veepiisku.

Kallame ühe klaasi poolenisti täis 20 ºC vett ning teise klaasi 80 ºC vett. Kuuma veega täidetud klaasi sisepind muutub niiskeks, kuid toatemperatuuril oleva vee klaasiga seda ei juhtu. Kuuma veega klaas muutub niiskeks, sest kuum vesi aurustub kiiresti ning aurustunud vesi kondenseerub klaasi jahedale pinnale. 20 ºC klaasi pinnale nähtavat niiskust ei teki, kuna madalama temperatuuri juures toimub aurustumine aeglaselt.  Seega sõltub aurustumise kiirus vedeliku temperatuurist – mida kõrgem temperatuur, seda kiirem aurustumine.

Mõtleme nüüd aurustumisest aineosakeste soojusliikumise keeles. Me teame, et vedelikus on aineosakeste liikumiskiirused erinevad. Vedelik aurustub siis, kui mõnede aineosakeste liikumiskiirus on nii suur, et nad suudavad ületada osakestevahelised vastastikmõjud ja vedelikust välja liikuda. Katseliselt on teada, et selleks peab vee molekuli liikumiskiirus olema suurem kui 2200 m/s. Ilmselt on kõrgema temperatuuri juures selliseid aineosakesi rohkem ja aurustumine järelikult kiirem.

Suurenda simulatsioonis aine temperatuuri ja vaata, kuidas vedelik molekulaarsel tasemel aurustub. Ühtlasi on see hea sissejuhatus elektriõpetusse. Parempoolses simulatsioonis mõjub aine molekulide vahel ka elektrijõud (polaarsed molekulid), vasakpoolsel pildil elektrijõud puudub (mittepolaarsed molekulid). Mittepolaarsete molekulidega on näiteks õlid. Polaarsete molekulide tuntumaiks näiteks on vesi. Simulatsioonis kujutatud molekulidega sarnane struktuur on vesinikfluoriidil (HF).

Aurustumise käigus vedelik ise jahtub, kuna suurema kiirusega aineosakesed tungivad vedelikust välja ning vedelikku jäävad aeglasemalt liikuvad osakesed. Osakeste liikumiskiirus aga määrab aine temperatuuri. Selleks et aurustumine saaks samal temperatuuril toimuda, tuleb ainele pidevalt energiat juurde anda. Energiat, mida on vaja, et 1 kg ainet aurustuks, nimetatakse aurustumissoojuseks.

Aurustumissoojus sõltub aurustatava vedeliku algtemperatuurist – jääkülma vee aurustumiseks tuleb see kõigepealt keemistemperatuurini soojendada ja ka selleks kulub energiat. Sellepärast kasutatakse ainete iseloomustamiseks veel üht füüsikalist suurust, mille nimi on keemissoojus (tähistatakse tähega ). Keemissoojus näitab, kui palju energiat on vaja anda 1 kg keemistemperatuuril olevale ainele, et see täielikult aurustada.

Keemissoojuse ühikuks on . Vee keemissoojus on , mis tähendab seda, et 1 kilogrammi 100 ºC vee aurustumiseks kulub 2,3 MJ energiat.

Aurustumiseks vajaminevat soojushulka saab leida valemiga

Erinevate ainete keemistemperatuure ja aurustumissoojuseid saab vaadata õpiku lisades olevast tabelist või usaldusväärsetest allikatest internetis, näiteks Vikipeediast.

Kasutame neid teadmisi reaaleluliste ülesannete lahendamiseks.

Näidisülesanne

Kui palju on energiat vaja, et aurustada 200 grammi 20 ºC vett?

Lahendus

Andmed





Arvutused

Enne kui saame leida aurustumiseks vajamineva soojushulga, peame leidma energia, mis on vajalik vee temperatuuri tõstmiseks -kraadini. Vastav temperatuurimuutus on .

Nüüd leiame soojushulga, mis kulub 100-kraadise vee aurustumiseks.

Kogu energia, mis kulub 200 grammi vee aurustamiseks, on seega nende summa:

Vastus. 200 grammi 20-kraadise vee aurustamiseks kulub 530 kJ.

Kokkuvõte

Aurumine

Protsessi, kus vedel aine muutub gaasiliseks, nimetatakse aurumiseks.

Kondenseerumine

Protsessi, kus gaasiline aine muutub vedelaks, nimetatakse kondenseerumiseks.

Vedelike aurustumine

Vedelikud aurustuvad kõikide temperatuuride juures. Aurustumise kiirus sõltub vedeliku temperatuurist.

Keemissoojus

Keemissoojus näitab, kui palju energiat on vaja anda 1 kg keemistemperatuuril olevale ainele, et see täielikult aurustada.

Aurustumissoojus

Energiat, mida on vaja, et 1 kg ainet aurustuks, nimetatakse aurustumissoojuseks. Aurustumiseks vajaminevat soojushulka saab leida valemiga

kus on keemissoojus ja soojendatava aine mass.

Harjutusülesanded

Šokolaadi soovitatakse sulatada nii, et asetad šokolaadiga väiksema nõu suuremasse keeva veega nõusse. Miks ei ole hea šokolaadi otsi pliidil kuumutada, vaid seda tehakse vesivannis?
Keevasse vette pannakse väike anum veega. Kas selles anumas hakkab vesi keema?
Õpilane tahab omale teed keeta, kuid unustab 200 grammi vett pliidile keema. Kui kaua võtab aega alates keema hakkamisest, et vesi täielikult aurustada? Pliidi võimsus on 800 W.
Kui palju energiat kulub 200 grammi 20-kraadise vee täielikuks aurustumiseks?
Avatud termoses on vesi temperatuuril . Sellest aurustub. Hinda, kui palju muutub termosesse jäänud vee emperatuur . Vee erisoojus on , veeauru erisoojus on ning vee aurustumissoojus temperatuuril on . Eelda, et termose seinte kaudu soojuskadusid ei ole.
HarjutusülesandedLisamaterjalid

3.3 Ainete olekute muutused praktikas

3.3.1 Märjad küttepuud

Niimoodi mõõdetakse puidu niiskust. Mida niiskem, seda vähem soojusenergiat puidu põlemisel eraldub. Elektriõpetuses räägime, kuidas selline seade töötab.

Küttepuid ostes on võimalik valida väga erinevate puude vahel. Müüakse kaske, leppa, mändi, kuuske jm. Kas on vahet, millist küttepuitu osta?

Internetist leiad kindlasti, et erinevatel küttepuudel on erinev kütteväärtus. Kütteväärtus näitab, kui palju energiat eraldub 1 kg kütuse põletamisel. Aga lisaks puidu kütteväärtusele tuleb küttepuude ostmisel jälgida, kas tegemist on kuivade või märgade puudega. Märgade puude kütteväärtus on väiksem, kuna osa puidu põlemisel eraldunud energiast kulub küttepuudes oleva vee aurustamiseks.

Erinevate puude kütteväärtuseid saad vaadata Lisast 9.1.4.

3.3.2 Kuidas töötab destillaator?

Laboratoorne destilleerimisseade.

Destilleerimine on protsess, kus vedelik aurustatakse ning seejärel uuesti kondenseeritakse. Kuna ainete keemistemperatuurid on erinevad, saab destilleerimisega eraldada üksteises lahustunud aineid.

Näiteks piirituse keemistemperatuur on 78 ºC, vee oma 100 ºC. Kui aurustame vee ja piirituse segu ja jahutame seda 85 ºC-ni, siis vesi kondenseerub, aga piiritus mitte. Joonisel kujutatud seadmega (destillaator) on võimalik vesi ja piiritus teineteisest eraldada.

3.3.3 Kuidas töötab külmkapp?

Külmiku tööskeem

Külmkapi jahutussüsteemi kõige märgatavamaks osaks on kinnine toru. Selles torus liigub kergesti aurustuv vedelik, mida me siin nimetame jahutusseguks.

Külmkapi sees olevas toru osas on jahutussegu gaasilises olekus, auruna, kusjuures auru rõhk on madal ning auru temperatuur on veidi madalam külmkapi sees olevast temperatuurist.

Kondenseerija külmkapi taga. Selles torus ülekuumenenud aur jahtub, st külmikust välja kantud soojusenergia antakse ära ümbritseva õhu soojendamiseks. 

Külmkapist toru kaudu väljuv jahutussegu aur satub kompressorisse, mis surub selle kõrge rõhu all olevaks ülekuumenenud auruks. Ülekuumenenud aur liigub jahtudes külmkapist väljas olevas toru osas ehk kondensaatoris ehk kondenseerijas (vanematel külmkappidel on seda võimalik näha külmkapi taha piiludes) ning kondenseerub. Selles protsessis eraldub ka soojus, mis antakse ära ümbritsevasse õhku.

Kondenseerijast väljudes on jahutussegu endiselt kõrge rõhu all, aga selle temperatuur on vaid veidi toatemperatuurist kõrgem. Nüüd surutakse jahutussegu läbi paisumisventiili, mis on tavaliselt lihtsalt väike ava. Ventiili taga olev keskkond on palju väiksema rõhu all ning seal toimub jahutussegu kiire paisumine ja aurustumine, aurustub umbes pool jahutussegust. Aurustumiseks vajalik soojus võetakse suuremalt jaolt sellelt jahutussegu osalt, mis jäi vedelasse olekusse.

Tekkinud külm ja osaliselt aurustunud jahutussegu liigub mööda torusid külmikus ja jahutab külmikut. Külmiku soe õhk soojendab torusid, mille tulemusena jahutussegu aurustub täielikult ja külmik jahtub veelgi. Täielikult aurustunud jahutussegu satub siis kompressorisse ja kogu tsükkel algab uuesti.

3.3.4 Miks läheb õhupall pudelisse?

Pudelis on põlev paberileht. Pudeli suule on asetatud veega täidetud õhupall, mis lihtsalt surudes pudelisse ei mahuks.

Tuntud katse teadusteatritest. Võtame suurema suuga pudeli, viskame sellesse (ettevaatlikult) põleva paberi ning asetame siis pudeli suule veega täidetud õhupalli. Õhupall imetakse pudelisse. Miks?

Katse tulemusel imetakse õhupall pudelisse. Miks?

Selge on see, et õhupall läheb pudelisse siis, kui õhupallile ülalt ja alt mõjuv rõhk on erinevad (neid asju õppisime mehaanika kursuses). Et õhurõhk katse käigus ei muutu, siis saab rõhu erinevuse põhjuseks olla vaid rõhu vähenemine pudelis. 

Tihti seletatakse seda katset nii, et pudelis olev õhk paberi põlemisel tekkiva soojuseneriga toel soojeneb ja paisub, pärast paberi kustumist jälle jahtub ja tõmbub kokku. Kuna muna katab terve pudeli suu nii, et õhk pudelist välja pääseb, aga välisõhk pudelisse ei pääse, siis rõhk pudelis väheneb ja muna "imetakse" pudelisse. See on füüsikaline seletus.

Vahel ka räägitakse et küünal "kulutab põledes kogu hapniku ära" ja alarõhk tekib just sellest. Põlemine on keemiline protsess.

Milline seletus on õige? 

Küünal põleb kummuli pööratud pudelis.

Teeme kontrollkatse. Paneme põleva küünla veeanumasse püsti ning asetame kummuli selle peale pudeli. Põleva paberi rolli täidab nüüd küünal ja õhupalli rolli anumas olev vesi.

Kui õhupalli pudelisse minek oleks põhjustatud õhu soojenemisest ja jahtumisest, siis peaks vesi sellises katses pudelisse tõusma pärast küünla kustumist. Hapniku "ära põlemise" teooria ennustab, et vesi tõuseb pudelisse nii kaua, kui küünal põleb, pärast seda tõus lõpeb.

Katses näeme, et vedeliku tase tõuseb ka siis, kui küünal põleb ning taseme tõus jätkub pärast küünla kustumist. Sellist tulemust ei ennustanud kumbki teooria. 

Võtame appi keemia. Põlemine on keemiline protsess ja keemia annab selle teooria arendamiseks tööriistad. Eeldame, et küünlas põleb parafiin. Siis saame kirjutada 

C31 H64 + 47O2 → 31CO2 + 32H2O

Seega tekivad küünla põlemisel süsinikdioksiid ja veeaur. Aga kui suur on reaktsioonisaaduste ruumala? Keemiast teame, et ühe mooli ükskõik millise gaasi ruumala standardtingimustel on alati ühesugune. Parafiini põlemisel reageerib 94 mooli gaasi ja tekib 126 mooli gaasi, nii et gaasi ruumala reaktsioonis hoopis suureneb.

Paberiga on samamoodi. Siis põleb tselluloos:  

C6H10O5 + 3O2 → 6CO2 + 5H2

või mittetäielikul põlemisel

2C6H10O5 + 5O2 → 5CO + CO2 + 5H20

Gaasilise aine moolide arv kasvab, järelikult põlemisel gaasi ruumala hoopis kasvab?

Pudeli siseküljel on veepiisad. Tilgad tekivad põlemisel eraldunud veeauru kondenseerumisel.

Kui teise katse videot tähelepanelikult uurida, siis võib märgata, et pudeli siseküljele tekivad veepiisad. Reaktsioonis eraldunud veeaur kondenseerub pudeli seinale, mistõttu põlemise käigus gaasi normaaltingimustele vastav ruumala väheneb ja veetase pudelis tõuseb.

Pärast küünla kustumist gaas jahtub ja see on põhjus, miks veetase pudelis tõuseb ka mõnda aega pärast küünla kustumist.

On ka teada, et süsinikdioksiid lahustub üsna hästi vees ja osa gaasi võib niimoodi kaotsi minna. Aga see on pigem väiksem efekt.

Seega on vee kondenseerumine ning gaasi kokkutõmbumine jahtumisel kaks peamist põhjust, miks õhupall pudelisse läheb. Lisaks füüsikale tuleb appi võtta ka keemia.

3.3.5 Mis on udukamber?

Udukambri tööpõhimõte

Kondenseerumisel töötab seade, mida nimetatakse udukambriks ja mille abil saab „näha“ kosmilist kiirgust. Seadme aluse keskosas asuvat metallplaati jahutatakse kuiva jääga (tahkes olekus süsinikdioksiid), mille temperatuur on alati –76 °C. Aluse servadel on soojem piirkond, kuhu valatakse isopropanool (külmumistemperatuur -89 ºC). Isopropanool aurustub ja levib kogu seadme kaanega suletud ruumis. Seadme külgedele on kinnitatud valgusallikad, mis võimaldavad seadmes toimuvat hästi näha.

Skeemil kujutatud udukambri pealtvaade tavalises ja infrapunakaameras. Selgesti on näha udukambri aluse külm ja soe piirkond.
Tähelepanelik vaatleja näeb udukambri alumises vasakus pooles kaare kujulist pilve, mille on põhjustanud müüon või antimüüon. 

Aluse külma osa kohal aur jahtub ja saavutab nn üleküllastunud oleku, kus ka kõige väiksem häiritus põhjustab selle kondenseerumise. Kui gaasiline isopropanool (aur) on läbipaistev, siis tilgakesteks kondenseerunud isopropanool on piimjas ja läbipaistmatu, moodustades aurus erineva kujuga udupilvi.

Kuna seade on sellistele häiritustele väga tundlik, siis saab udukambrit kasutada osakeste detekteerimiseks. 

Et seade on üsna lihtsa ehitusega, saab seda ise teha ning kasutada näiteks kosmilise kiirguse uurimiseks. Kosmilisest kiirgusest räägime lähemalt õpiku viimases peatükis.

Harjutusülesanded

Miks on destillaatoris termomeeter paigutatud aurustatava vedeliku kohale, mitte selle sisse.
Kui teha külmkapi uks lahti ja lülitada see sisse, kas siis köök jahtub, soojeneb või ei mõjuta külmkapi töö köögi temperatuuri üldse?
Külmkapp, mis tarbis võimsust , muutis aja jooksul jääks veehulga ruumalaga ja algtemperatuuriga . Jää temperatuur . Kui suure soojushulga eraldas külmkapp tuppa selle aja jooksul? Vee erisoojus on ja tihedus ning jää sulamissoojus on . Külmkapi soojusmahtuvust mitte arvestada.
Kas oskad pakkuda mõnd praktilist nippi, kuidas vett täis õhupall pudelist jälle kätte saada? Lihtsalt tõmmates on see raske, kuna välisõhk ei pääse pudelisse, rõhk seal väheneb ja atmosfäärirõhk takistab siis õhupalli liikumist.

4 Elektriline vastastikmõju

4.1 Mis on elekter?

Äike on üks ägedamaid elektrinähtuseid, mida me jälgida saame.

Sõnaga elekter võetakse kokku suur hulk igapäevaelu, tehnika ja looduse nähtusi, mis kõik on seotud ühe aineosakeste omadusega, elektrilaenguga. Laenguga osakesed, kui neid on mõnes kehas suuremal hulgal, annavad ka sellele kehale laengu. Täpsemalt, keha laeng ongi osakeste laengute summa. Tavaliselt nimetakse seda staatiliseks elektriks või öeldakse, et asjad on elektrit täis. Laetud osakeste liikumisega seonduvad elektrivool ja elektrienergia, mida igapäevaselt nimetatakse lihtsalt elektriks. Magnetnähtused tulenevad samuti elektrilaengust ja selle liikumisest, kuigi see ei ole lihtsalt peale vaadates päris ilmne. Elekter on seega suur hulk mikroosakeste omadustest tulenevaid nähtusi, mille toime avaldub nii aatomites ja nendevahelistes sidemetes kui ka meie igapäevaste asjade maailmas.

Elekter paneb tööle kogu olmeelektroonika. Elektri- ja magnetnähtustel põhineb suurem osa info töötlusest, samuti selle salvestamisest. 

Aatomiosakestel võib olla kahesugune elektrilaeng. Et neil vahet teha, nimetame neid positiivse ja negatiivse laenguga osakesteks. Tuumas on positiivse laenguga prootonid ja ilma laenguta ehk neutraalsed neutronid. Elektronidel on negatiivne laeng. Kui aatom kaotab mõned elektronid, jääb tuuma positiivne laeng ülekaalu. Ja vastupidi, kui aatomiga liitub elektron, annavad lisaelektronid aatomile negatiivse laengu. Selliseid laetud aatomeid nimetatakse ioonideks. Elektronid ja ioonid võivad liikuda (ioonid vedelikes ja gaasides, elektronid põhiliselt tahketes ainetes) ja kanda oma laengu teise kohta, seepärast nimetame neid vabadeks laengukandjateks.

Elektrinähtusi märgati ja uuriti juba ammu enne, kui aatomite olemusolu kindlaks tehti. Loomulikult ei teatud tol ajal midagi ka aatomite siseehitust. Ometi ei seganud see tõsist uurimistööd ega laengu mõiste kasutamist elektrinähtuste kirjeldamisel või seletamisel. Aatomiehituse tänapäevane mudel aitab siiski palju paremini elektrit mõista ja kasutada. Kuigi elektrinähtusi osatakse tänapäeval väga hästi seletada ja kasulikult rakendada, ei ole ometi teada, miks mõnedel osakestel on elektrilaeng. Ei ole ka teada, miks on prootoni ja elektroni vastasnimelised laengud võrdsed. Kui osakestel poleks laengut või isegi kui neil oleks teistsugused laengud, oleks maailm ilmselt hoopis teistsugune paik ja siin ei pruugiks olla meid neid küsimusi esitamas.

Kokkuvõte

Elekter

Elekter on kogum nähtusi, mille põhjus on üks aatomiosakeste omadus, elektrilaeng.

Aatomiosakeste laeng

Osakesed võivad olla laenguga või ilma. Sellel põhinevad elektrinähtused. Osakeste laengud on kahte liiki ehk elektrilaeng on kahenimeline. Aatomites on laenguta neutronid, positiivse (+) laenguga prootonid ja negatiivse (–) laenguga elektronid.

Ioon

Aatomid on prootonite ja elektronide võrdse arvu korral tervikuna neutraalsed ehk laenguta. Elektronide liitmise või loovutamisega saavad aatomitest negatiivsed või positiivsed ioonid.

Vabad laengukandjad

Elektrone ja ioone, mis saavad liikuda ja elektrilaengut edasi kanda, nimetatakse vabadeks laengukandjateks.

4.2 Elektrilaeng ja laetud keha

4.2.1 Staatiline elekter

Küllap on peaaegu igaüks märganud, et kokkupuutel võivad kehad elektriseeruda, st saada elektrilaengu.  Me ütleme laetud kehade kohta, et need on elektrit täis ja nimetame kõike sellega seonduvat staatiliseks elektriks. Staatiliste ehk paigalseisvate laengutega seotud elektrinähtused on elektrivoolu nähtustest veidi erinevad. Järgnevates peatükkides tuleb juttu ka sellest, mis toimub elektrijuhtmetes, elektrijaamades, elektrivõrgus ja paljudes elektriseadmetes. Seal on tegu põhiliselt elektrilaengu liikumisega.

Seda, kas keha on laetud või mitte, ei saa lihtsalt peale vaadates kuidagi määrata. Laengu olemasolu tuleb välja alles siis, kui laeng midagi teeb, st kui elektrijõud toimib. Näiteks võib juhtuda, et juuksed on elektrit täis (teaduskeeles: juustel on elektrilaeng) ja nad seisavad peas püsti. Juuksed peaksid raskusjõu tõttu alla vajuma, aga elektrijõud hoiab neid üleval – sellest võime järeldada, et need on laetud. Tihti märkame kehade laetust siis, kui laeng liigub, näiteks kehalt ära. Laengu liikumisega võivad kaasneda mitmed nähtused. Võib näha sädet, tunda kerget elektrilööki (särtsu), kuulda praksuvat heli, tunda lõhna. Kuigi ka neid nähtusi seostatakse staatilise elektriga, ei ole see päris täpne. Liikuv laeng ei ole ju enam staatiline.

4.2.2 Elektriuuringute ajaloost

Hõõrdelekter on vanim inimestele tuntud elektrinähtus. Sõna elekter pärineb ladina või vanakreeka keelest ja seostub hästi elektriseeruva merevaiguga. Ladina keeles on see electrum, kreeka keeles ηλεκτρον (elektron). Alates 20. sajandist tormiliselt arenenud plastitööstus on loonud palju materjale, mis koguvad ja säilitavad hõõrdumisel hästi laengut, vanal ajal neid aga ei tuntud üldse. Siiski oli teada, et lisaks kallile ja haruldasele merevaigule kogub laengut ka näiteks klaas, väävel ja karusnahk. 17. sajandil katsetas laetud kehadega saksa teadlane, leiutaja ja poliitik Otto von Guericke, kes on tuntud ka vaakumi, õhurõhu ja teadusliku mõtte üldküsimuste uurijana. Guericke elektrimasinas laadub tugevalt käsitsi ringiaetav väävlist kera, kui selle vastu panna näiteks kuivad käed või villane lapp. Üheks uurimise põhiküsimuseks oli, kuidas suured laetud kehad tõmbavad enda külge väiksemaid.

4.2.3 Teeme ise elektroskoobi

Elektroskoop on seade, mis näitab, kas keha on laetud. Enamasti näitab elektroskoop enda laengut. Kui mingi laetud keha ühendada elektroskoobiga, läheb osa laengust sinna üle ja sellele üle tulnud laengule elektroskoop reageeribki. Võimalik on laetud keha elektroskoobile lähendada, aga vältida laengu üleminekut. Ka siis näitab elektroskoop laengut, kui aga viia teine keha eemale, kaob elektroskoobi näit jälle.

Kokkuvõte

Staatiline elekter

Elektrilnähtusi, mis on seotud laengute kogunemisega kehadele ja laengute ümberpaiknemisega keha sees või pinnal, nimetatakse staatiliseks elektriks. Laengud kanduvad ühelt kehalt teisele või keha ühest osast teise laengukandjate liikumisega.

Laetud ja laadimata kehad

Lihtsalt peale vaadates ei saa kuidagi määrata, kas keha on laetud või mitte. Laengu olemasolu tuleb välja alles siis, kui laeng midagi teeb, st kui elektrijõud toimib.

Elektroskoop

Elektrilaengu olemasolu näitavat seadet nimetakse elektroskoobiks. Elektroskoobis kasutatakse laengut näitava osuti, metall-lehekeste vms liigutamiseks samanimeliste laengute vahelist tõukejõudu. Võimalik on määrata elektroskoopi ülekantud laengut, aga ka lähedalasuva laetud keha mõju. 

Ülesanded

Mõtle välja, kuidas näidata, et kahe keha hõõrumisel elektriseeruvad mõlemad.
Väga lihtne on puhta karusnaha või villase lapiga hõõrudes elektriseerida plastjoonlaud, metallist või puidust joonlauaga ei taha see kuidagi õnnestuda. Miks?
Kuiva ilmaga võib pimedas näha, et töötavate masinate kummeeritud rihmadest (näiteks rihmast, mis kannab liikumise üle traktori rihmarattalt viljapeksumasina rihmarattale) hüppavad välja pikad sinakad sädemed. Seleta seda nähtust.
Suurte laengute kogumiseks on leiutatud huvitavaid seadmeid. Vaata internetist, kuidas töötavad Wimshursti masin ja Van de Graaffi generaator. Milleks on Wimshursti masinal fooliumiga kaetud purgid? Kuidas aitab laengut koguda Van de Graaffi generaatori suur õõnes metallkera?
ÜlesandedLisamaterjalid

4.3 Elektriline vastastikmõju

4.3.1 Elektrijõud

Kui riputada keha niidi otsa, siis raskusjõu ja niidi elastsuse tõttu ripub see otse alla, aga võib ka tasakaaluasendi ümber võnkuda. Riputatud keha võib laadida ja mõjutada seda teise laetud kehaga. Pendel kaldub kõrvale ja seekaudu saab elektrijõud nähtavaks ja isegi mõõdetavaks. Elektripendli võib panna ka päriselt pendeldama ja laengut ühest kohast teise kandma.

Elektriseeritud kehad mõjutavad üksteist. Laetud kehade, sh laenguga osakeste vahelist vastastikmõju kirjeldatakse elektrijõuna. See on sarnane gravitatsioonilise vastastikmõju kirjeldamisega raskusjõuna, kui üksteist mõjutavad Maa ja meie igapäevased kehad.

Erinevalt raskusjõust, mis on alati tõmbejõud, võib elektrijõud olla nii tõmbe- kui ka tõukuejõud. Kui näiteks kampsunit üle pea seljast võttes lähevad juuksed elektrit täis, võime näha samanimeliste laengute tõukumist. Igal juuksekarval on sama laeng, seepärast tõukuvad need üksteisest ja hoiavad võimalikult harali, st seisavad peas püsti. Erinimeliselt laetud kehad tõmbuvad. Õhupalli vastu juukseid elektriseerides võib näiteks märgata, et kui elektriseerunud palli enda lähedal hoida, tõmbuvad juuksed selle külge.

Samanimeliselt laetud kehad tõukuvad, erinimeliselt laetud kehad tõmbuvad. 

4.3.2 Millega laetud kehad üksteist tõmbavad või tõukavad?

Tõepoolest, oleme harjunud mõtlema, et millegi liigutamiseks peab sellest kinni võtma, vahetult lükkama või tõmbama. Elektrijõud toimib aga teisiti, mõjudes kaugelt, ilma otsese kokkupuuteta. Sellist ilmselgelt nähtava vahendajata mõju ülekannet kirjeldatakse välja mõiste abil. Kõiki laetud kehi ümbritseb elektriväli. Veidi lihtsustatult võib siis öelda, et laetud kehad tõukavad ja tõmbavad üksteist elektriväljaga või elektrivälja kaudu. Välja otseselt näha ei ole, aga võttes appi jõu mõiste, saab seda siiski jõujoonete ehk väljajoontena paberile joonistada või arvutiekraanil esitada.

4.3.3 Tõmbejõud laetud ja laadimata keha vahel

Kraanist jooksev vesi ei ole elektriliselt laetud. Kui veejoal oleks oma laeng, peaks olema võimalik seda laetud kehadega nii tõmmata kui ka tõugata, olenevalt laengu märgist. Seda ei juhtu, veejuga tõmbub alati laetud kehade poole.

Samanimeliselt laetud kehad tõukuvad, erinimeliselt laetud tõmbuvad, kuid elektrijõud võib end ilmutada veel ühel juhul. Laenguta kehad paistavad alati tõmbuvat laetud kehade poole. Tegelikult on ka siin tegemist erinimeliste laengute tõmbumisega. Keha mõjutamisel välise, st teise keha laenguga jaotuvad laengud ümber. Välisega samanimeline laeng tõukub keha kaugemale osale, vastasnimeline koguneb tõmbumise tõttu lähemale. Tõmbumine võidab kokkuvõttes tõukumise, sest elektrijõud sõltub kaugusest. Mida suurem kaugus, seda väiksem jõud. Vastasnimeline laeng on lähemal, samanimeline kaugemal. Laengute liikumist kehades välise mõju toimel nimetatakse mõjuelektriks ehk indutseeritud laenguks ja see on väga tavaline elektrinähtus.

Nüüd oskame ka seletada seda, miks laadumata kehad laetud kehade külge kinni jääma kipuvad.

4.3.4 Elektrijõud on väga tugev

Mõtleme korraks, milline oleks maailm, kui seda valitseks ainult üks tugev tõmbejõud. Arvatavasti tõmbuks kogu aine pööraselt suure tiheduseni kokku ja rohkem midagi huvitavat toimuda ei saaks. Ainuüksi tõukejõu toimel aga paiskuks kõik laiali, lahjeneks ja hõreneks lõputult. Ainult tõmbumisena toimiv jõud on tegelikult olemas – gravitatsioon. Õnneks on gravitatsioonijõud väga nõrk ja ilmutab end ainult suurte masside korral ehk siis, kui vähemalt üks kehadest on väga raske.

Tundub iseenesestmõistetav, et kui toetuda kuhugi või seista maas, siis me ei vaju kehadest läbi. Kehad punnitavad meile alati vastu elastsusjõuga, mis pärineb laetud osakeste vahelisest elektrijõust. Seesama aatomite vaheline elektriline mõju takistab gravitatsioonil Maad pisikeseks pallikeseks kokku pigistamast.

Osakeste maailmas, kus massid on väikesed, ei tõuse gravitatsioon üldse teemaks. Peaaegu kõik, mis meie ümber igapäevaselt toimub, käib elektrijõu kaudu. Kehad püsivad ühes tükis keemilistele sidemete tõttu, mis põhineb elektrijõul. Ainete tekkimine ja lagunemine ehk keemilised reaktsioonid toimuvad samuti elektrijõu kaudu. Elektrijõust tulevad mitmed loodusest ja tehnikast tuttavad jõud, näiteks elastsus- ja hõõrdejõud (aga mitte raskusjõud). See kõik on võimalik, sest elektrilaeng on kahenimeline ja elektrijõud võib olla nii tõmbumine kui ka tõukumine.

Ainete koos püsimist on võimalik uurida arvutisimulatsioonides.

Vaatame võrdluseks ka plasti ja kummi deformatsiooni.

Miks liim liimib?

4.3.5 Miks küll peaks kellelgi olema vaja laetud keha?

Insenerid, kes panevad kokku kosmosetehnikat (näiteks järgmist ESTCube satelliiti), järgivad hoolega elektrostaatilise „puhtuse” reegleid nii töötamisel kui ka lihtsalt uksest käimisel.

Staatiline elekter – see kõlab halvasti. Enamasti püütakse elektriseerumist vähendada ja staatilistest laengutest lahti saada. Laengud kipuvad halvasti mõjuma arvutitele ja üldse elektroonikale. Ebamugav on olla, kui oled ise laetud ja saada igast asjast ootamatult särtsu. Sädemed, mis laaduvate materjalidega kaasnevad, võivad isegi tulekahju põhjustada, kui need kohtuvad gaasi või kütuseaurudega.

Kehade laadumise vältimiseks nähakse kõvasti vaeva elektroonikatööstuses ja lennunduses. Paljud kunstkiust riided elektriseeruvad eriti hästi pärast pesemist. Selle vältimiseks loputatakse või pritsitakse riideid nn antistaatikuga.

Seega võib staatiline elekter olla tõeline nuhtlus, aga elektrilaengud ja elektrijõud võivad osutuda ka kasulikuks.

Paljundusmasinad ja printerid jagavad tahma, värvi või tindi paberile õigetesse kohtadesse elektrijõududega. Tehaste korstendes korjavad elektrifiltrid suitsu- ja tolmuosakesi, et linnaõhku puhtamana hoida. Paljud igapäevased masinad ja seadmed on värvitud tehases – nende värvikihi kvaliteedi garanteerib elektrostaatiline värvimine. Ka kriminalistidel on näpu- ja jalajälgede otsimisel abiks elektrijõud. Kosmosetehnikas on elektrijõul mitu rakendust, arendamisel on isegi elektrijõuga läbi kosmose purjetamine.

4.3.6 Uurime elektrijõudu

Kokkuvõte

Elektrijõud tõukab ja tõmbab

Laenguga osakeste ja laetud kehade vaheline mõju võib ilmneda nii tõmbe- kui ka tõukejõuna. Samanimelised laengud tõukuvad, erinimelised tõmbuvad.

Elektrijõu roll igapäevases elus

Elektrilise tõmbumise ja tõukumise koosmõjus toimivad paljud looduse ja tehnika nähtused: keemilised reaktsioonid, elastsus, hõõrdumine, rõhk jpm. Elektrijõudu kasutatakse mitmetes tehnilistes rakendustes, aga tihti võib see olla ka ebamugav ja isegi ohtlik.

Mõjuelekter ehk indutseeritud laeng

Laetud keha lähendamisel laenguta kehale jaotuvad viimases laengud ümber. See võib toimuda nii vabade laengukandjate liikumise kui ka aatomite polariseerumisega. Nii saab tervikuna neutraalne keha ühelt küljelt positiivse, teiselt negatiivse laengu.

Ülesanded

Kui saagida käsisaega mingit polümeerplaati (polüetüleen, polüstürool, vinüül, pleksiklaas jt.), siis jääb tekkiv saepuru, laua või mõne teise eseme külge, mis on plaadiga kokkupuutes. Kuidas seda seletada?
Kui elektriliselt laetud õhupall vastu laenguta seina panna, jääb ta sinna kinni. Kuidas saavad omavahel tõmbuda ilma laenguta sein ning laetud õhupall?
Korraldage katse, kus proovite panna väikese paberitüki laetud plastjoonlaua kohale hõljuma. Kes suudab klassis kõige kauem paberitükki joonlaua kohal õhus hoida?
ÜlesandedLisamaterjalid

4.4 Laengukandjad

4.4.1 Laengukandjad liiguvad

Toetudes teadmistele aine ehitusest (vt „Mis on elekter?“) võib öelda, et kui aatomitel, millest keha koosneb, on elektronide arv võrdne tuumas olevate prootonite arvuga, on keha laenguta. Laetud osakesed on küll olemas, aga kui negatiivsete ja positiivsete laengukandjate arv on võrdne, siis võib öelda, et summaarselt on laeng null või et laeng puudub. Võib ka öelda, et selline keha on elektriliselt neutraalne, aga kindlasti ei tohi öelda, et kehal on neutraalne laeng. Neutraalset laengut pole olemas.

Eesti ja Soome vahelise merekaabli Estlink läbilõige. Tervikuna on see kaabel elektriliselt neutraalne, nagu ka kõik teised elektrijuhtmed. Seda on lihtne kontrollida – laetud kehad tõmbavad enda külge näiteks väikseid paberitükikesi. Samas on metallides palju vabu laengukandjaid (elektrone) ja need saavad elektrijõu mõjul liikuda. 

Laenguta kehast saab laetud keha, kui lisada või eemaldada laetud osakesi. Aatomis on nii positiivse laenguga prootoneid kui ka negatiivse laenguga elektrone. Prootonid siiski ei sobi laengut ühelt kehalt teisele kandma. Aatomituumas, kus on prootonid koos neutronitega, on lisaks positiivsele laengule ka põhiosa aine ja seega ka põhiosa kehade massist. Prootonid on liiga tugevalt aatomituumadesse seotud ja neid ei ole võimalik ilma keha lõhkumata kuhugi üle kanda. Elektronid on aga kerged ja tihtipeale on osa neist aatomiga nõrgalt seotud. Need vabad elektronid võivad kehas teise kohta liikuda ja ka ühelt kehalt teisele üle minna. Nimetame nad vabadeks laengukandjateks. Elektronid kannavad seejuures muidugi kaasa oma laengu ja ka massi, aga kuna nad on väga kerged, siis kehad elektronide lisamisest või kaotamisest märgatavalt kergemaks või raskemaks ei muutu. Vedelikes ja gaasides pääsevad liikuma ka aatomid ise. Sel juhul on vabadeks laengukandjateks ioonid, elektronide liitmise või kaotamise teel laengu omandanud aatomid.

4.4.2 Laengu jäävus

Kehad saavad laengu tihti erinevate materjalide hõõrdumisel, siis räägitakse hõõrdelektrist või triboelektrilisest efektist. Vahel võivad kokkupuutes olevad kehad laaduda ka lihtsalt lahutamisel, ilma hõõrumiseta. Hõõrdelektri laengud jaotuvad kehadele alati paariti, kui üks saab positiivse, siis teine negatiivse laengu. Seepärast pole õige öelda, et hõõrdumisel tekib laeng, tegu on ikka ainult laengute ümberjagamisega.

4.4.3 Jäävusseadustel on teaduses tähtis koht

Energia ei saa tekkida ega hävida, võib vaid muutuda ühest liigist teiseks või kanduda ühelt kehalt teisele. Nii see on, energia jäävuse seadus on hästi tuntud. Kuid jääv pole mitte ainult energia. 18. sajandil sai üha selgemaks, et keemilistes reaktsioonides muutuvad küll ühed ained teisteks, aga kogumass seejuures ei muutu. See teadmine sõnastati massi jäävuse seadusena ja see oli oluline eeskätt keemiateaduse arengule. Massi kannavad aatomid. Kui miski kaotab massi, siis ta kaotab aatomeid, aga aatomid ei kao päriselt, vaid lähevad lihtsalt teise kohta ja seal mass kasvab saabunud aatomite võrra. Nagu mass, nii on ka laeng jääv. Ka laeng ei saa tekkida ega kaduda, võib vaid liikuda ühest kohast teise ja jaotuda kehade vahel. Kuid laeng on osakeste omadus, ilma osakeste ehk laengukandjateta ta liikuda ei saa.

Massi ja laengu jäävuse vahel on siiski erinevus. Mass on ühenimeline ehk nimeta suurus, sellele ei saa panna plussi ega miinust. Elektrilaeng on kahenimeline, kokkuleppeliselt nimetatud positiivne ja negatiivne. Kui kaks massi kokku saavad, saame alati suurema massi. Nii juhtub ka samanimeliste laengute kohtumisel, tulemuseks on suurem laeng. Kui aga positiivne ja negatiivne laeng näiteks ühel kehal kohtuvad, võib jääda ekslik mulje, et laengud on hävinud. Tegelikult jäävad laengud ikka alles, lihtsalt nad tasakaalustavad teineteist ja keha on laenguta ehk neutraalne. Sobival juhul võivad laengud jälle eralduda.

4.4.4 Kui suurt laengut laengukandjad kannavad?

Laeng on mikroosakeste omadus, aga kui osakesi on palju, saab laengust ka keha omadus. See on sarnane massiga. Keha mass koosneb kõigi aatomiosakeste massidest. Nii nagu massi saab mõõta, saab mõõta ka elektrilaengut, aga enne tuleb muidugi kokku leppida ühikud. Massi ühik on kilogramm (kg), laengu ühik on kulon (C).

Äikesepilve laeng on vahemikus 15 – 350 kulonit (keskmiselt 260 kulonit). 

Kulon on saanud nime prantsuse teadlase ja sõjaväeinseneri Charles-Augustin de Coulomb’i (1736–1806) järgi, kellel õnnestus juba 1785. aastaks mõõta laetud kehade vahelisi jõude erinevatelt kaugustelt. Coulomb’i ajal ei tuntud veel piisavalt aine ehitust ega teatud laengukandjatest, aga tänapäevaks on teada nii aatomite massid kui ka elektroni ja prootoni laeng. Elektroni ja prootoni laeng on vastasnimelised, aga võrdsed, mõlemad 1,6·10-19 C. Kuna väiksemat eraldiseisval osakesel olevat laengut pole teada, siis nimetatakse seda elementaarlaenguks. Just nii väikese laengu kannab iga elektron endaga kaasa kõigis elektrinähtustes.

4.4.5 Millised kehad elektriseeruvad?

Üldiselt võivad elektriseeruda kõik kehad. Me teame, et igapäevaelus on asju, mis lähevad kergesti elektrit täis. Näiteks õhupall, kilekott või plastjoonlaud elektriseeruvad tihti nagu iseenesest, aga lusikas, puuoks või märg pesu sugugi mitte. Laengute kehadele kogunemine ja püsimine sõltub aine omadustest, aga ka sellest, kuidas laengukandjad aines voolama pääsevad. Laengute püsimisel on üsna oluline õhuniiskus. Kui katsetate staatilise elektriga, valige kuiv päev ja soojendage katseriistu.

Kokkuvõte

Vabad laengukandjad

Elektrone ja ioone, mis saavad liikuda ja elektrilaengut edasi kanda, nimetatakse vabadeks laengukandjateks.

Laenguta ehk elektriliselt neutraalne keha

Keha on tervikuna laenguta ehk elektriliselt neutraalne, kui aatomituumade positiivne laeng on võrdne kõigi elektronide negatiivse laenguga. 

Laengu jäävus

Elektrilaeng ei saa tekkida ega kaduda. Laeng võib liikuda ühest kohast teise ja jaotuda kehade vahel. Laengu ülekanne toimub laengukandjate liikumisega.

Laengu ühik

Laengu ühik on kulon (C). Vähim võimalik laeng ehk elementaarlaeng on ühe elektroni laeng e=1,6·10-19 C.

Ülesanded

Vaata enda ümber erinevaid asju ning püüa välja selgitada, kas need on laetud või neutraalsed.
Laengu jäävuse seadusel on teaduses looduse kirjeldamisel väga tähtis koht. Meenuta, milliseid jäävusseadusi sa veel tead?
ÜlesandedLisamaterjalid

5 Elektrivool

5.1 Elektrivool. Voolutugevus

5.1.1 Laengu ülekanne

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.

5.1.2 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.

5.1.3 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.

5.1.4 Voolutugevus

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

Tarbija

Voolutugevus

Vähim voolutugevus, mis või olla surmav, kui vool läbib südant

10µA

Käekell, kuuldeaparaat, taskuarvuti vms

100 kuni 800µA

Tavaline väike LED

20mA

Eluohtlik elektrilöök kodusest elektriseadmest

20mA

Hõõglamp

~300mA

Auto esituli

~5A

Röster või keedukann

~7A

Sõiduauto starter

100 kuni 150A

Suurest alajaamast väljuv elektriliin, st kõik ühendatud tarbijad

2kA

Välgulöök

~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 495-kuloniline laeng.

Röstrid töötavad tavaliselt vahelduvvoolu võrgus. Elektrivoolu laialdase rakendamise algusaastatel selgus, et laengu edasi-tagasi võngutamine on paljudel juhtudel otstarbekam, kui laengukandjate piki juhet ühes suunas liigutamine. Arvutatud 495 kuloni suurune elektrilaeng ei kandu küttekehadest ühes suunas läbi, vaid liigub edasi-tagasi, vahetades suunda 100 korda sekundis.

5.1.5 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.

5.1.6 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.

5.1.7 Voolu suund

Elektrivool soolalahuses. Laengukandjad liiguvad kahes suunas, aga voolu suund on positiivsete laengute liikumise suund.

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.

5.1.8 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.

Kokkuvõte

Elektrivool

Elektrivool on füüsikaline nähtus, mille sisuks on laengu ülekanne.

Elektrivoolu tekkimise tingimused

Elektrivool saab tekkida, kui on olemas vabad laengukandjad, elektronid või ioonid ja kui neile on rakendatud elektrijõud. Vool saab toimida püsivalt, kui on loodud vooluring.

Elektrivoolu toimed

Elektrivoolu saab märgata ja ka mõõta toime järgi. Eristatakse elektrivoolu soojuslikku, magnetilist ning keemilist ja ioniseerivat toimet.

Voolutugevus ja selle ühik

Elektrivoolu ehk laengu ülekandmist kirjeldav füüsikaline suurus on voolutugevus, selle tähis on I ja ühik amper (A).

Elektrijuhid ja isolaatorid

Elektrivoolu tekkimise ja püsimise seisukohalt on ained ja kehad erinevad. Kui aines on vabu laengukandjaid, on tegu elektrijuhi ehk lihtsalt juhiga. Kui pole laengukandjaid, mida saaks liikuma panna, on tegu isolaatoriga.

Elektrivoolu suund

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.

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 45 minutit?
ÜlesandedLisamaterjalid

5.2 Vooluallikad. Pinge

5.2.1 Vooluallikad

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).

5.2.2 Pinge

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:

kus  on pinge, on töö, mida tehakse elektrilaengu ülekandmiseks.

Pinge ühik on volt (). 

Pinge kahe vooluringi punkti vahel on üks volt (), kui ühe kuloni suuruse laengu () ülekandmiseks ühest punktist teise tehakse tööd üks džaul ().

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

Erinevate vooluallikate pinge

Vooluallikas

Pinge

Rakk kui biovoolu allikas

~7 kuni 90mV

Elektrokeemilised ehk Galvani elemendid, laiatarbe „patareid”

~1,5 V

USB

5V

Autoaku, 6 elementi ehk purki (täielikult laetud)

~12,6 V

Elektriauto aku (täielikult laetud)

200 kuni 400V

Kodune elektrivarustus, madalpinge (pistikupesa augud)

Euroopas 230V, erinevates riikides 100V, 110V, 127V, 220V ja 240V. Igal pingel on oma pistikud.

Elektritrammid ja -rongid

600 kuni 25000V

Kõrgepinge, ülekandeliinid

Vähemalt 110kV

Välgulöök

Tavaliselt umbes 100MV, aga sõltub oludest.

Näidisülesanne

Kui suur on pinge, kui 400 C suuruse laengu ülekandeks tehakse 92 kJ tööd?

Lahendus

Andmed



Arvutused

Et 

siis

Vastus. Pinge on siis 230 V.

5.2.3 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.

5.2.4 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.

Kokkuvõte

Elektrijõud

Laengukandjaid liigutab elektrijõud ja vooluringis tekitab elektrijõu vooluallikas.

Pinge

Elektrivoolu tekitamiseks, st laengukandjate liigutamiseks tehtavat tööd kirjeldab füüsikaline suurus pinge. Pinge kahe vooluringi punkti vahel on üks volt (), kui ühe kuloni suuruse laengu () ülekandmiseks ühest punktist teise tehakse tööd üks džaul ().

Elektriväli

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

Ülesanded

Millise voltmeetri mõõtepiirkonna sa valid, et mõõta: (a) pinget sülearvuti aku klemmidel, (b) pinget kolme patareiga taskulambi LED-il, (c) pinget autoaku klemmidel?
ÜlesandedLisamaterjalid

5.3 Vooluringid

5.3.1 Kuidas tekib vooluring

Püsiv elektrivool saab toimida vooluringides, mis üldiselt koosnevad alati samadest osadest:

  • vooluallikas või -allikad;
  • tarbijad, kus avalduvad elektrivoolu toimed, st saame soojuse, mehaanilise liikumise või keemilised muutused;
  • juhtmed, ühendused, lülitid, pistikud, jms.
Kõige lihtsamas vooluringis on vähemalt vooluallikas ja tarbija. Ühendusjuhtmed on ka olemas, kuigi lihtsaimas vooluringis võivad nad olla väga lühikesed. Näiteks valgusdioodi (LED-i) ühendamisel ongi dioodi jalad juhtmeteks. Pikem jalg ühendub plussklemmiga. Diood juhib voolu ainult ühes suunas ja teistpidi ühendamisel vooluringi ei teki. Lüliti asemel võib juhtmeotsa lihtsalt suruda vastu vooluallika klemmi – just nii lülitid toimivadki.

5.3.2 Vooluallikad pingutavad elektrivoolu tekkimise nimel

Keemilised vooluallikad on umbes kahesaja aastaga teinud läbi suure arengu. Toodetakse suuri ja väikeseid vooluallikaid ning ka keemiline tehnoloogia on erinev. Näiteks tähisega C (erinevates riikides ka U11 või HP11, MN1400, MX1400, 343, UM 2, Baby) vooluallika mõõdud on 26,2 × 50 mm. Keemilistest koostistest on levinumad tsink-süsinik (Leclanché); Zn-MnO2 (alkaline); NiMH (nikkel-metallhüdriid). Toodetakse nii ühekordse kasutusega kui ka korduvat laadimist võimaldavaid C-tüüpi vooluallikaid.

5.3.3 Ühendused tagavad elektrivoolu jõudmise sihtkohta

Paljudel elektriseadmetel on vooluallikas sees: telefon, taskulamp, akutrell, auto. Võib-olla rohkemgi on neid seadmeid, mis ühedatakse vooluvõrku. Sel juhul on vooluallikaks elektrijaamad, mida skeemile joonistada ei saa, siis jäävad nö otsad lahti.

5.3.4 Tarbijates avaldab elektrivool oma toimeid

2014. aasta füüsika Nobeli preemia anti jaapani teadlastele, kes olid umbes 20 aastat varem leiutanud sinise valgusdioodi, mis võimaldas välja töötada LED-lambid (light emitting diode). Preemia väljakuulutamisel öeldi esmakordselt lause, mis sai hiljem üsna tuntuks: „Hõõglambid valgustasid 20. sajandi, 21. sajandi valgustavad LED-lambid“. See ei juhtunud muidugi kohe, aga praeguseks on paljudest kohtadest, näiteks tänavavalgustusest, luminofoorlambid ja LED-id hõõglambid tõesti välja tõrjunud.
Mis imevigur see on?

5.3.5 Ühendusviisid

Väga harva on vooluringis ainult üks tarbija, enamasti on neid palju. Näiteks tavalises köögis leidub palju kodumasinaid ja valgusteid, mis on kõik korraga või kordamööda ühendatud ühe vooluallikaga. Peaaegu kõigis on omakorda tarbijaid, mis on omavahel mitmel viisil ühendatud. Koduses majapidamises loeme vooluallikaks juhtmeotsi, mis on elektrikappi ühendatud. Näiteks röstri vooluallikas on seinas olev pistikupesa, kus need juhtmeotsad peituvad. Kuid selle pistikupesa taga on tegelikult keeruline süsteem, terve elektrivõrk, kus omavahel ühendub palju vooluallikaid mitmetes elektrijaamades, ülekandeliine, reguleerimis- ja ohutusseadmeid.

Vooluringide koostamist saab väga hästi harjutada arvutisimulatsioonides. Seda simulatsiooni saab kasutada siin ja edaspidi joonistel kujutatud vooluringidega katsetamiseks.

Enamik seadmeid ühendatakse võrku paralleelselt ehk rööbiti. Elektrivool saab rööpühenduses jaguneda tarbijate vahel ja läbida neid kõiki korraga. Igast rööpuhenduse harust kandub läbi ainult osa laengut.  Voolutugevus rööpühenduse osades on väiksem kui enne jagunemist (vt ptk „Voolutugevus“).

Järjestikku ehk jadamisi ühendamisel läbiks vool tarbijaid üksteise järel – see on aga väga harva vajalik. Kõigis jadamisi ühendatud tarbijates on sama voolutugevus, sest mingit hargnemist ei ole ja sama laeng kandub neist kõigist läbi üksteise järel. 

Rösteris on mitu omavahel rööbiti või jadamisi ühendatud küttekeha, mis kõik lültatakse vooluringi ühe lülitiga. Lisaks võib rösteris olla veel lüliteid, reguleerimisseadmeid ja tulukesi, mis teevad röstimise mugavamaks ja ohutumaks. Kui üks küttekeha on katki, siis rööpühenduses jääb teine tööle, jadaühenduses mitte.

Kokkuvõte

Vooluringide peamised osad

Püsiv elektrivool saab toimida vooluringides. Lihtsa vooluringi saab kokku panna ühendades vooluallika elektrivoolu tarbijaga. Praktilised vooluringid koosnevad paljudest vooluallikatest, ühendustest ja tarbijatest.

Jada- ja rööpühendus

Vooluallikaid ja tarbijaid saab vooluringi ühendada jadamisi (üksteise järel ehk järjestikku) või rööbiti (üksteise kõrvale ehk paralleelselt). Kõiki jadamisi ühendatud tarbijaid läbib vool järjest. Rööbiti ühendatud tarbijateni jõudes jaguneb vool mitmeks ja läbib neid korraga.

Ülesanded

Vaata lihtsa vooluringi skeemi. Joonista ise sarnase vooluringi skeem, kus LED-i asemel on hõõglamp. Joonista ka skeem, kus vooluallika asemel on pistik elektrivõrguga ühendamiseks.
Joonista vooluringi skeem, kus ühe lülitiga saab korraga põlema panna kaks lampi.
Joonista vooluringi skeem, kus kahte lampi saab sisse ja välja lülitada eraldi lülititest.
Joonista vooluringi skeem, kus ühte lampi saab sisse ja välja lülitada kahest üksteisest kaugel asuvast lülitist.
Kiipides on ühele pooljuhtplaadikesle paigutatud väga palju elektroonikakomponente. Hinda, kui suur oleks sinu mobiiltelefon, kui selle kõige keerukam kiip – protsessor – oleks kokku pandud elektriskeemina üksikutest 5x5x5 mm suurusega transistoritest. Info transistorite arvu (ingl transistor count) kohta erinevates protsessorites on leitav internetist. 
ÜlesandedLisamaterjalid

5.4 Ohmi seadus. Takistus

5.4.1 Ohmi seadus

Vooluringide põhiseadus on nime saanud saksa teadlase Georg Simon Ohmi (1789–1854) järgi. Ohmi seadus ütleb, et voolutugevus ühes vooluringi osas sõltub võrdeliselt pingest sellel osal ja pöördvõrdeliselt selle osa takistusest. Lausena kõlab see keeruliselt, aga tegelikult on Ohmi seadus hästi seletatav ja selle mõtet on kerge tabada.

5.4.2 Ohmi seaduse valem ja takistuse ühik

Ohmi seaduse saab valemina üles kirjutada nii:

kus on takistus ja on voolutugevus ja on pinge.

Voolutugevuse ühik on amper (A), pinge ühik on volt (V). Takistuse ühikuks on Ohmi järgi oom, aga ühiku lühendiks on  (oomega kreeka tähestikust). Kui pinge voolringi osal, näiteks mingil tarbijal, on üks volt ja selle osa takistus on üks oom, siis on voolutugevus seal üks amper:

Hõõglamp põleb, sest elektrivool ilmutab soojuslikku toimet sel määral, et lisaks soojusele saab ka veidi valgust. Ampermeeter näitab, et voolutugevus lambis on 0,28 amprit (I = 0,28 A). Voltmeeter näitab, et pinge lambil on 2,55 volti (U = 2,55 V). Ohmi seadus võimaldab arvutada, et lambi takistus on 9,1 oomi (R = U/I = 9,1 Ω).

Ohmi seaduse valemi võib kirjutada veel kahel moel, pinge arvutamiseks ja takistuse arvutamiseks:

 ja

Valemeid võib teisendada, see jääb ikka Ohmi seaduseks. Tuleb siiski arvestada, et voolutugevus sõltub pingest ja takistusest, mitte vastupidi. Pinget on võimalik vooluringis muuta, näiteks lisades vooluallikaid või keerates toiteploki nuppu päripäeva. Siis kasvab ka voolutugevus. Ka takistust on võimalik muuta reguleeritava takistiga ja seegi muudab voolutugevust. Vooltugevust aga ei saa muuta ilma pinge või takistuse kallale minemata.

Näidisülesanne

Kui suur peab olema lambi takistus, et 4,5-voldise vooluallikaga ühendamisel ei oleks voolutugevus üle 0,4 ampri? 

Lahendus

Andmed



Arvutused

Et 

siis

Saame

Vastus. Takistus peab olema vähemalt 11,25 Ω. Kui takistus on väiksem, on voolutugevus lubatust suurem. Suurema takistuse ja muutumatu pinge korral on voolutugevus väiksem. 

5.4.3 Millest sõltub juhtmete ja tarbijate takistus?

Kõige üldisemalt võib öelda, et juhtmete ja tarbijate takistus sõltub kahest asjast: materjalist ja mõõtmetest.

  • Ainete, materjalide ja keskkondade võimet laengut edasi kanda kirjeldatakse eritakistusega. Aineid iseloomustavad mitmed konstandid, mis määratakse katseliselt ja mida saab vaadata tabelitest. Hästi tuntud on tihedus, sulamis- ja keemistemperatuur, aga on veel palju mehaanilisi, optilisi, soojuslikke ja elektrilisi omadusi, mida saab arvuliselt kirjeldada. Nende hulgas on ka eritakistus, selle tähis on ρ ja ühik on Ω·mm2/m või Ω·m.
  • Takistus sõltub ka juhi mõõtmetest. Üldiselt on nii, et pikk juhe on suurema takistusega, jäme juhe on väiksema takistusega. Pikkust mõõdetakse tavaliselt meetrites. Jämedus, mis ümmargustel asjadel on enamasti läbimõõt või ümbermõõt, mõõdetakse juhtmetel ristlõike pindalana ruutmillimeetrites. Ristlõike pindala paistab meile siis, kui lõigatud juhet otsast vaadata.

Valem võtab selle lühidalt kokku:

kus on takistus, on eritakistus, on juhi pikkus ja on juhi ristlõike pindala.

5.4.4 Võrdle elektrivoolu vee voolamisega jões

Ohmi seadus käib vooluringi kohta, aga sarnane seos ilmneb päris tihti ka mujal, kui tulemust (vool) mõjutavad, kaks põhjust. Üks neist kiirendab (pinge), teine takistab (takistus). Takistus on iseseletuv sõna. Ka sõnaraamatud ütlevad, takistus on see, mis takistab, segab, häirib, pidurdab.

 

Elekter

Jõgi

Mis voolab?

Laeng

Vabad laengukandjad

Vesi

Vee molekulid

Millega kirjeldame voolamise intensiivsust?

Voolutugevus (A)

Vooluhulk (m3/h)

Mis tekitab voolu?

Elektrijõud

Raskusjõud, gravitatsioon

Millega kirjeldame voolamise põhjust?

Pinge (V)

Kõrguste vahe (m), voolusängi langus (%)

Mis takistab voolamist?

Laengukandjate vastastikmõju ainega

Vee vastastikmõju voolusängiga ja molekulidevahelised mõjud

Millega kirjeldame takistust?

Takistus (Ω),

Hüdrauliline takistus

Mis tagab vooluringi?

Vooluallikas tehtav töö, mehaaniline liikumine, keemiline reaktsioon või valguse neeldumine.

Päikesekiirguse neeldumine põhjustab vee aurustumise ja jõudmise pilvedesse, kust see sajuga uuele ringile läheb

Kas oskad võrdlusesse lisada vee voolamise torustikus, tuule, mudavoolu, inimvoolu pikas koridoris, autode voolu tunnelis või linnuparve liikumise rändel?

5.4.5 Kolme takisti jada- ja rööpühendus

Järgnev tabel annab reeglid, kuidas arvutada kolme ühendatud takisti takistust. Pane tähele, et kolm takistit on ainult näide, arvutusreeglid kehtivad kõigi tarbijate ühendamisel. Üksikud takistid ja kogu vooluahela suurused on tähistatud nii:  – pinge, – voolutugevus, – takistus. Indeksitega on tähistatud üksiktakistite suurused, ilma indeksita kogu ahela suurus. – esimese takisti takistus, – kolme takisti takistus kokku.

 

Jadaühendus

Rööpühendus

 

Skeem

Pinge

Vool

Takistus

Näidisülesanne

Elektripliidil on kaks küttekeha, takistustega 105 Ω ja 55 Ω. Elektrivõrgu pinge on 230 V. Kui suur on voolutugevus pliidi toitejuhtmes, kui mõlemad küttekehad on sisse lülitatud?

Lahendus

Andmed




Arvutused

Kaheraudne elektripliit

Tarbijad ühendatakse rööbiti, st mõlemal küttekehal on sama pinge 230 V (), aga voolutugevused erinevad (). Voolutugevused küttekehades võib arvutada Ohmi seaduse järgi ja kokku liita. Teine võimalus on arvutada kahe küttekeha rööpühenduse kogutakistus ja kasutada seejärel Ohmi seadust.

Kogutakistus

Seega

Voolutugevus

Vastus: Voolutugevus pliidi juhtmes, on 6 A.

Tavaliselt küttekehi küll jadamisi ei ühendata, aga võimatu see ei ole. Kui suur oleks voolutugevus toitejuhtmes, kui need küttekehad ühendada jadamisi? Joonista ka jadaühenduses küttekehade skeem.

5.4.6 Ohm uurib vooluringi

Georg Simon Ohm uuris vooluringi 1826. aastal. Juba järgmisel aastal ilmus tema raamat vooluahela matemaatilisest kirjeldusest. Ohmi töid ei võetud esialgu kuigi hästi vastu. Raamat algas elektivoolu kirjeldamiseks vajaliku matemaatika seletusega, sest Ohmil oli põhjust arvata, et loodusnähtuste kirjeldamise matemaatiline viis ei ole isegi kõigile professoritele üheselt selge. Kuid ajad muutusid kiiresti. Viisteist aastat hiljem tunnustas Londoni Kuninglik Ühing Ohmi tööd medaliga, ta sai peagi ka Seltsi ning Baieri Akadeemia liikmeks. Tänapäeval peetakse normaalseks, et igaüks, kes kasvõi paar aastat füüsikat õppinud, teab Ohmi seadust nö une pealt.

Ohmi katseseade oli parasjagu keerukas, sest meile tuttavad isoleeritud juhtmed, klemmide ja pistikutega ühendamine ning elektrimõõteriistad olid veel leiutamata. Ka elektrisuurused ja ühikud olid veel kokku leppimata. Kõrge ümar osa on mõõteriist, tänapäeva keeles ampermeeter, selle näitu vaadatakse luubiga l. Kausikesed elavhõbedaga m ja m' on vooluringi osade ühendamiseks ja vahetamiseks. Meie kasutaksime siin ilmselt pistikuid. Suureks probleemiks oli muutumatu pingega vooluallika leidmine. Lõpuks kasutas Ohm termoelementi ba-a'b', üht eriti lihtsat vooluallikat, mille pinget saab kindlalt muutumatuna hoida.

Kokkuvõte

Ohmi seadus

Ohmi seadus ütleb, et voolutugevus ühes vooluringi osas sõltub võrdeliselt pingest sellel osal ja pöördvõrdeliselt selle osa takistusest:

Eritakistus

Ainete, materjalide ja keskkondade võimet laengut edasi kanda kirjeldatakse eritakistusega. Üldiselt on nii, et pikk juhe on suurema taksitusega, jäme juhe on väiksema takistusega.

Pinge, voolutugevus ja takistus jada- ja rööpühenduses

Takistuste jada- ja rööpühendusel kasutatakse pinge, voolutugevuse ja vooluringi kogutakistuse arvutamiseks spetsiaalseid valemeid, mis tuleb kas meelde jätta või tabelist järele vaadata.

Ülesanded

Erineva takistusega tarbijaid ühendatakse kindla pingega vooluallikaga (U = 4,5 V). Mõõdetud voolutugevus takistustes on vastavalt Ohmi seadusele igal erineval juhul erinev. Kujuta saadud andmetega Ohmi seadust graafikul.

R

2 Ω

3,7 Ω

2,4 Ω

9,4 Ω

12 Ω

I

2,2 A

1,2 A

1,9 A

0,5 A

0,4 A

 

Otsi internetist metallide ja sulamite (raud, alumiinium, kuld, hõbe, tina, plii, elavhõbe, vask, nikroom...) eritakistused (ingl specific electrical resistance, electric resistivity) ja tee tulpdiagramm. Võta jupp traati ja mõõda selle pikkus ning diameeter. Selgita välja, mis materjalist on traat tehtud. Arvuta traadijupi takistus. Võimalusel mõõda takistus ka oommeetriga ning võrdle tulemusi.
Patarei külge rööbiti ühendatud hõõglambid põlevad palju eredamalt, kui sellega jadamisi ühendatud hõõglambid (vt fotosid tabelis). Selgita seda nähtust.
ÜlesandedLisamaterjalid

6 Energia

6.1 Elektrienergia ja elektrivõrk

6.1.1 Laengu ülekandmiseks tuleb teha tööd

Kui tegu pole just ülijuhtidega, tuleb laengu ülekandeks vooluringis teha tööd ehk kulutada energiat. Meenutame veelkord energia jäävust (ptk „Jäävusseadustel on teaduses tähtis koht“): Energia ei saa tekkida ega hävida, võib vaid muutuda ühest liigist teiseks või kanduda ühelt kehalt teisele. Teiste energialiikide muutmist elektrienergiaks nimetakse tavaliselt elektri saamiseks või tootmiseks. Elektrienergia muutumist teisteks energialiikideks nimetatakse ka elektri kasutamiseks, tarbimiseks või kulutamiseks. Laengu ülekandel mööda juhtmeid ja läbi elektriseadmete muutub elektrienergia soojuseks, valguseks, mehaaniliseks liikumiseks või põhjustab keemilisi reaktsioone (ptk „Kuidas elektrivoolu ära tunda?“).

Vooluallikates käib kõik vastupidi. Vooluringi välist energiat muundatakse elektrienergiaks, st tekitatakse elektriväli, mis juhtmetes laengukandjaid liigutab. Energialiigid, mida elektrivoolu saamiseks vooluallikates muundatakse, on seotud näiteks keemiliste reaktsioonidega patareides, mehaanilise liikumisega generaatorites või valguse neeldumisega päikesepaneelides.

6.1.2 Energeetika ja elektrijaamad

Tuulik ja päikesepaneelid Mohni saarel. Võimalik on ehitada ja paigaldada väga väikeseid ja kohalikke elektrijaamu, näiteks üksikule saarele või ühele majale. Enamasti toodetakse energiat siiski suurtes jaamades ja selle jaotamiseks laiub ülekandevõrk üle riigi, enamasti ka üle riigipiiride.

Igal inimesel kulub bioloogiliselt elus püsimiseks erinevas koguses energiat, kuid laias laastus on igal inimesel meie kliimavööndis vaja muundada toidu keemilist energiat soojuseks ja mehaaniliseks tööks umbes 10 MJ (2400 kcal) jagu päevas. Meestel kulub energiat rohkem kui naistel, suurt kasvu inimestel rohkem kui väikestel, külma ilmaga rohkem kui soojaga, rasket tööd tehes rohkem kui lesides. Lisaks toidust saadavale energiale oleme harjunud energiat ka teistel eesmärkidel muundama. Me kütame, valgustame, veame kaupa, reisime, suhtleme ja tahame, et see kõik toimuks kiiresti ning mugavalt. Nii ongi inimkond loonud täiendava energiavajaduse rahuldamiseks uue majandusharu energeetika. Energeetika tegeleb energiaressursside hankimisega (sh kütuste kaevandamisega) ja energia muundamise ning ülekandmisega. Suur osa energeetikast keskendub elektrienergia saamisele ja ülekandele. Mitu varemalt ilma elektrivooluta toiminud energiatarvet on viimase sajandiga suuresti elektrile üle läinud. Kütta saab nii elektriga kui ka elektrita, aga jahutamine (külmkapid, konditsioneerid) käib valdavalt elektrienergia abil. Mehaanilist energiat on võimalik saada vesi- või tuuleveskitest ja inimeste või loomade lihasjõust, aga elektrimootorid võidavad neid juba ammu tõhususes ja täpsuses.

6.1.3 Kuidas elekter koju jõuab?

Elektri põhivõrk koosneb ligikaudu 5500 km elektriliinidest ja 150 alajaamast. Sisemaise elektrivõrguga on ühendatud piiriülesed vahelduvvooluühendused Läti ja Venemaaga ning alalisvooluühendused Soomega.

Kõikjale, kuhu elektrivoolu vaja läheb, jõuab see kohale mööda juhtmeid. See ei ole nii lihtne, kui ühe vooluallika ühendamine tarbijaga, näiteks patarei ühendamine lambiga. Elektrienergia toodetakse korraga paljudes jaamades ja kantakse mööda liine korraga väga paljude erinevate tarbijateni. Tarbijaks nimetame siin elektriseadmeid, mis elektrienergia teisteks energialiikideks muundavad. Energeetikaettevõtted nimetavad tarbijateks ka inimesi või ettevõtteid, kes nendega lepingu sõlmivad ja elektri- või soojusenergia eest maksavad. Kogu elektrienergia tootmine, ülekanne ja tarbimine moodustab keeruka võrgustiku, aga kõige alus on ikkagi see, et vooluallikast tarbijani tuleb juhtmed vedada (ptk „Vooluring“).

Elektrienergia ülekanne algab elektrijaamast mööda kõrgepingeliine. Pikal teel kodudesse läbib elektrivool alajaamu, kus toimub jagamine ja pinge muutmine. Madalpinge liinid jõuavad majadeni ja lõppevad liitumispunktide elektrikappides. Sealt edasi on juba majaomanike ülesanne vaadata, kuidas elekter ohutult tuppa viia ja tööle panna.
Alajaam.
Elektrienergiat on võimalik üle kanda ka ilma juhtmeteta. Mõnel juhul, kui energiat on vaja vähe ja selle ülekandmiseks on palju aega, tasub juhtmetest loobuda. Näiteks kasutatakse elektrilist hambaharja vaid paar minutit ja väike aku saab end kogu ülejäänud päeva jooksul laadida. Sel juhul on mõistlik loobuda pistiku ühendamisest ja panna hari juhtmeta laadimise alusele. Samuti saab telefone ja arvuteid laadida öösiti. Elektrijaamast kodude ja tehasteni sellist ühendust siiski teha ei saa.

6.1.4 Mis saab elektrienergiast, mida keegi ei kasuta?

Lühike ja selge (kuigi mitte väga täpne ja põhjalik) vastus on, et elektrienergiat toodetakse nii palju, kui seda tarbitakse. See küsimus kerkib tavaliselt seoses elektrienergia säästmise teemaga. Kodus laelampi kustutades või elektripliiti välja lülitades võib kerkida küsimus, kas selle elektrivoolu, millest me just loobusime, saab raiskamise vältimiseks tagasi saata ja mujal kasutada?

Elektrijaama midagi tagasi saata ei ole vaja ja polegi võimalik. Energia, millest loobume tarbijaid välja lülitades, jagatakse jaotusvõrgus ümber ja seda kasutavad teised. Võrk on väga suur, seal on miljoneid tarbijaid ja mõne koduse seadme, isegi terve maja väljalülitamine ei muuda liinides, alajaamades ja tootmises midagi.

Tavaliselt muudavad elektrijaamad tootmist vastavalt tarbimisele, mis on laias laastus ennustatav. Ohtlikuks võib olukord minna siis, kui äkki lülitub välja näiteks terve linnaosa või mõni väga suur tehas. See võib juhtuda äikesetabamuse, maavärina, üleujutuse või inimeste põhjustatud õnnetuse tõttu. Äkilistele muutustele on elektrijaama automaatikal raske kiiresti reageerida ja see võib põhjustada laialdasi elektrikatkestusi.

6.1.5 Elektrienergia salvestamine

Elektrienergiat ei saa suures mahus ette valmis toota ja lattu ootele panna. Kuid elektrienergiat on võimalik muuta mõneks teiseks energialiigiks. Tuulikute ja soojuselektrijaamade toodangut ei saa uuesti tuuleks ja soojuseks muuta, aga näiteks hüdroelektrijaamade juures on vee tagasi paisjärve pumpamine täiesti võimalik ja mõistlik.

Mõnikord öeldakse, et elektrit saab laadida akudesse. Akude laadimisel toimuvad elektrokeemilised reaktsioonid. Tekivad uued keemilised sidemed ja seega on elektrienergia salvestatud keemilise energiana. Sel moel salvestatud energia on meile väga oluline arvutite, telefonide ja tööriistade juhtmest ajuti vabastamiseks. Väiksema üksikmajapidamise elektrivarustus võib samuti vajada akude abi. Päikesepaneelide ja tuulikuga võib selgel tuulisel päeval laadida akud, mis toidavad tarbijaid öösel ja tuulevaikuses. Kuna keemiline side toimib samuti elektrilise mõju kaudu, siis võib tõepoolest öelda, et akusse on salvestatud elekter. Selleks, et akusse salvestatud energia saaks vooluringis tööd teha, on vaja jälle lasta ainetel reageerida ja elektriväljal laengukandjaid liigutada.

6.1.6 Ajaloost

Niagara Fallsi hüdroelektrijaam.

1880ndate aastate algul jõudsid elektriuuringud nii kaugele, et asuti looma elektrijaamu, mis varustasid elektrienergiaga suuri maju ja peagi ka terveid linnaosi. Algul olid elektrijaamad tööstusettevõtete lähedal, aga samal ajal arendati ka elektrivõrkude tehnoloogiat ja peagi kanti energiat juba kümnete ja isegi sadade kilomeetrite kaugusele. 20. sajandi algul jõuti suurte, riike katvate ja ühendavate võrkude loomiseni. Maamajadesse jõudsid elektriliinid valdavalt 20. sajandi teisel poolel.

Pildil on Niagara Fallsi hüdroelektrijaam, mida peetakse tihti maailma esimeseks suurt piirkonda varustavaks ettevõtteks, kust olevat hoo sisse saanud maailma elektrifitseerimine. 1895. aastal avatud jõujaam oli küll oma aja suurim ja tehniliselt eesrindlik, aga kaugeltki mitte esimene. Suurte linnade elektrifitseerimine oli selleks ajaks toimunud juba üle kümne aasta. Ajakirjanduses tuntuks ja populaarseks kirjutatud uut tüüpi Tesla-Westinghouse generaatoritega elektrijaam ei olnud isegi samas kohas esimene. Juba 1882. aastal töötas Niagara kosel väiksem dünamo, mis andis valgustusvoolu lähematele hoonetele.

Kokkuvõte

Laengu ülekanne mööda juhtmeid

Laengu ülekandel mööda juhtmeid ja läbi elektriseadmete muutub elektrienergia soojuseks, valguseks, mehaaniliseks liikumiseks või põhjustab keemilisi reaktsioone.

Energeetika

Energeetika tegeleb energiaressursside hankimisega (sh kütuste kaevandamisega) ja energia muundamise ning ülekandmisega. Suur osa energeetikast keskendub elektrienergia saamisele ja ülekandele.

Elektrienergia tee tarbijani

Elektrivool jõuab tarbijateni, kus seda vaja läheb, mööda juhtmeid. Tarbijaks nimetame nii elektriseadmeid, mis elektrienergia teisteks energialiikideks muundavad, kui ka energeetikaettevõtete kliente.

Elektrienergia tootmise ja tarbimise tasakaal

Elektrienergiat toodetakse nii palju, kui seda tarbitakse. Energia, millest me loobume oma tarbijaid välja lülitades, jagatakse jaotusvõrgus ümber ja seda kasutavad teised.

Elektrienergia salvestamine

Elektrienergiat ei ole võimalik suures koguses varuks hoida. Võimalik on elektrienergia muuta mõneks teiseks energialiigiks. Akude laadimisel toimuvad elektrokeemilised reaktsioonid. Tekivad uued keemilised sidemed ja seega on elektrienergia salvestatud keemilise energiana.

Ülesanded

Mis saab elektrienergiast, millega laed oma mobiiltelefoni?
Leiutajad on pakkunud välja toreda seadme matkainimestele oma telefoni laadimiseks. Ühe saapa talla sisse pannakse mehhanism, mis toimib amortisaatorina. Iga kord kui kannale toetutakse, muundatakse mehaaniline töö väikese elektrigeneraatori abil elektrienergiaks. Oletame, et matkaja mass ja Ühe sammu ajal vajub tald kokku võrra. Antud seadme kasutegur . Matkaja keskmiseks sammupaari pikkuseks ehk kahe järjestikuse samale kannale astumise vahemaaks võtame . Nüüd tuleb vaid ühendada telefon juhtmega saapa külge ja aku laadimine võib alata. Ülesande lahendamisel arvestage, et tüüpilises nutitelefonis on liitium-polümeer aku, mis töötab pingel . Samuti arvestage, et kui telefon töötaks keskmisel voolutugevusel , suudaks aku vastu pidada tundi. Arvutage, kui pika maa peab matkaja maha kõndima, et tühi telefoni aku uuesti täis laadida.
ÜlesandedLisamaterjalid

6.2 Elektrivoolu töö

6.2.1 Elektriseadmete võimsus

Kõigis elektrivoolu tarbijates muutub elektrienergia mingiks teiseks energialiigiks. Energia muutust kirjeldab füüsikaline suurus töö. Töö on võrdne energia muuduga:

Töö tähis on või . Energia tähis on , energia muut on . Tööl ja energial on sama ühik, J (džaul). Energeetikas ja koduses elektritarbimises on energia ühikuna tarvitusel kW·h (kilovatt-tund). 1 kW·h = 3,6 MJ, üks kilovatt-tund on 3,6 megadžauli.

Töö ehk energia muundamine võib toimuda pikkamööda, aga võib käia ka väga kiiresti. Töö tegemise kiirust kirjeldab füüsikaline suurus võimsus:

Võimsuse tähis on või , töö on , aeg on . Tihtipeale on kombeks, et tähistab mehaanilist, elektrilist võimust. Mõningad erinevused suuruste tähistamisel on teaduses ja tehnikas tavalised ning paratamatud. Inglise keeles tähistatakse töö alati (work) ja võimsus (power).

Seade võimsusega üks vatt () muudab igas sekundis () ühe džauli elektrienergiat muudeks energialiikideks (). Nii on kõigi energiamuundurite, masinate, seadmete jms korral. See käib ka elektrimasinate kohta, aga nende puhul saab arvutada võimsust ka elektriliste suuruste kaudu:

on pinge ja voolutugevuse tähis. 1500-vatise () võimsusega elektriboileris, elektrivõrgu pingel 230 volti () on voolutugevus 6,5 amprit ().

Viies elektrilise võimsuse kokku Ohmi seadusega (ptk „Ohmi seaduse valem ja takistuse ühik“), saab elektrilise võimsuse valemeisse tuua ka takistuse ():

Mis toimub röstris, kui see sisse lülitada?

Paljud kasutavad röstrit igapäevaselt. Sest kergelt pruunistatud saiaviilud on head. Aga olete te mõelnud, mis täpselt röstris toimub? Justkui lihtne küsimus, aga vastamiseks on jällegi vaja appi võtta keemia.

Näidisülesanne 1

Tolmuimeja töötab pingel 230 V ja tema võimsus on 1,65 kW. Kui suur on voolutugevus? Kui palju elektrienergiat tarbib tolmuimeja poole tunniga? Mis saab tarbitud elektrienergiast?

Lahendus

Andmed





Arvutused

Teame, et vooltugevuse saab avaldada võimsuse kaudu

ja

Elektrienergia muutub mehaaniliseks energiaks ja soojusenergiaks. Mehaaniline energia on näiteks mootori pöörlemine, õhu, tolmu ja mõne vedelemajäetud asja liikumine ning heli. Soojusenergia eraldub siis, kui juhtmed soojenevad ja mootorist kantakse soojust õhuga välja. Kui tolmuimejal on tuled ja wifi, muutub veidi elektrienergiat ka valguseks ja raadiolaineteks.

Tarbitud energia arvutamiseks

Seega

Niimoodi arvutame SI ühikutes (1J = 1 W·s). Praktilistes ühikutes arvutame nii:

Vastus. 1,65 kW tolmuimeja töötamisel on voolutugevus 7,2 A ja poole tunni jooksul tarvitab see umbes 2 MJ (0,825 kWh) elektrienergiat.

Kui palju maksab elektrienergia, mis kulutatakse pooletunnise tolmuimejaga töötamise ajal?

Näidisülesanne 2

Kas 1,65 kW võimsusega tolmuimejaga saab töötada toas, mida köetakse 2 kW elektripuhuriga? Kõik kaitsmed elektrikapis on 6–amprised.

Lahendus

Andmed



Arvutused

Voolutugevus tolmuimejas ja elektripuhuris:

 

 

Kuna vooluvõrgus on tarbijad ühendatud paralleelselt, siis need voolutugevused liituvad:

Vastus. Selliste võimsustega tarbijaid 6-amprise kaitsmega vooluvõrku korraga ühendada ei saa.

Näidisülesanne 3

Kui palju elektrienergiat kulub 100 liitri vee temperatuuri tõstmiseks 2 tunni ja 45 minutiga 40-ne kraadi võrra?

Lahendus

Andmed




Arvutused

Vee soojendamiseks vajalik soojushulk (vt ptk „Kehade soojenemine ja jahtumine“)

Elektriseadmetega vee soojendamisel on soojuskadu erakordselt väike, tavaliselt võib selle arvestamata jätta. Et kogu küttekehast (ptk „Tarbijates avaldab elektrivool oma toimeid”) veele ülekantud soojus hulk pärineb elektrienergiast, siis võib kirjutada

Vastus. Kahe tunni ja 45 minutiga muutub 16,8 MJ ehk 4,7 kW·h elektrienergiat soojuseks.

Soojuseks muudetava elektrienergia hulka ei mõjuta kuidagi see, et kütmine kestis kolm tundi. Küll aga annab see võimaluse elektrilise veesoojendaja kohta veel midagi teada saada.

Kui suur on seadme võimsus ja küttekeha takistus ?



Arvutused

Kui arvestame, et töö, energia ja soojushulk on võrdväärsed suurused, saame võimsuse definitsioonist

siis

Võimsuse definitsioonist saame avaldada 

Arvestades, et võrgupinge U = 230 V saame

Kasutades Ohmi seadust

saame kirjutada

Vastus. 1,7 kW võimsusega boileris muutub kolme tunniga soojuseks 4,7 kW·h ehk 16.8 MJ elektrienergiat. 33 Ω takistusega küttekehas on kütmise ajal voolutugevus 7 A.

6.2.2 Lühis ja Ohmi seadus