Sõna „voolama“ tähendab, et miski liigub pidevalt ja kindlas suunas. Näiteks vesi, mis voolab jões, või rahvamass, mis n-ö voolab lauluväljakult pärast kontserti minema. Kuid mis voolab siis, kui me räägime elektrivoolust?
Elektrivool
Elektrivoolu puhul voolavad elektrijuhtmetes vabad laengukandjad[joonealune: laenguga osakesed, mis saavad kehas vabalt ringi liikuda]. Me juba teame, et vabadeks laengukandjateks saavad olla elektronid, seega võib öelda, et elektrivool on elektronide voolamine ehk suunatud liikumine. Elektrivool esineb elektrijuhtides, näiteks metallides, sest seal on palju vabu laengukandjaid. Isolaatorites[joonealune: kehad, mis ei juhi elektrilaengut], näiteks klaasis, puidus ja plastikus, on vabu laengukandjaid väga vähe ja seal elektrivoolu ei teki.
Kuid mis paneb elektrilaengud juhtmes liikuma? Jões paneb vee voolama raskusjõud: vesi langeb kõrgemalt madalamale. Ka laengutele, mis juhtmes liiguvad, peab mõjuma mingi jõud. See jõud on elektrijõud[mõiste: elektrijõud – jõud, mis mõjub laetud kehale, kui ta asub elektriväljas], mille tekitab elektriväli. Elektrijõu tekitamiseks kasutatakse vooluallikat, mis paneb vabad laengud kindlas suunas liikuma. Vooluallikaks võib olla näiteks taskulambipatarei, autoaku või elektrijaama generaator.
Nüüd teame, mis tingimustel elektrivool tekib:
- on olemas vabad laengukandjad,
- vabadele laengukandjatele mõjub elektrijõud, st on olemas elektriväli.
Mõtle!
- Kas vooluga juhe on elektriliselt laetud? Põhjenda.
Elektrivool on
- laetud osakeste kaootiline liikumine.
- laenguta osakeste kaootiline liikumine.
- laetud osakeste suunatud liikumine.
- laenguta osakeste suunatud liikumine.
Laengute liikumine elektrijuhis
Kuidas elektronid elektrijuhis liiguvad? Kõik juhis olevad vabad elektronid liiguvad pidevalt ja läbisegi ehk kaootiliselt[joonealune: ettearvamatult, kaosele omaselt], seda nimetatakse soojusliikumiseks. Kuid elektriväli, mis mõjutab laenguid elektrijõuga, paneb elektronid ühes kindlas suunas liikuma. Seega liiguvad elektronid juhis elektrivoolu korral korraga kahel moel: 1) ühes kindlas suunas ja 2) läbisegi erinevas suunas. Kuidas seda ette kujutada? Olukord sarnaneb sellega, mis toimub suviti näiteks Emajões. Jões on ujujad, kes liiguvad läbisegi eri suunas, kuid samal ajal liiguvad kõik koos jõevooluga Peipsi poole. Seega võtavad ujujad korraga osa kahest liikumisest, kaootilisest ja suunatust. Kui ujujad asendada elektronidega ja jõgi elektrijuhiga, siis saamegi ettekujutuse elektrivoolust.
Elektrivoolu suund on kokkuleppeliselt positiivse laenguga osakeste suunatud liikumise suund. Järelikult on elektrivoolu suund vastupidine elektronide suunatud liikumise suunale. Selline ebaloogiline olukord on tingitud sellest, et kokkulepe tehti juba ammu enne seda, kui saadi teada, millised osakesed elektrivoolu tekitavad. Ja et vanade uuringute tõlgendamisel ei tekiks segadust, otsustati ka pärast elektronide avastamist jätta voolu suund muutmata. Sellist elektrivoolu, millel suund on kogu aeg sama, nimetatakse alalisvooluks.[mõiste: alalisvool – elektrivool, mille suund on kogu aeg sama]
- suunatud
- ringjooneline
- kaootiline
- pidev
- katkendlik
Mõtle!
- Kas vooluallikas saadab kindlas suunas liikuvad elektronid elektrijuhti või paneb sealsed elektronid kindlas suunas liikuma?
Lisalugemine. Vahelduvvool
On olemas ka selline elektrivool, mille suund muutub teatud aja tagant vastupidiseks. See on vahelduvvool. Vahelduvvoolu tekkimist võime ette kujutada mõttelise katsega[joonealune: katse, mida tegelikult ei tehta, vaid kujutatakse riistu, tegevusi ja tulemusi ette; seda saab kasutada ainult tuntud nähtuste korral]. Kujutleme, et meil on hõõgpirniga taskulamp, milles saab patarei ümber pöörata, nii et kord on vastu pirni patarei pluss- ja teinekord miinuspool. Kas pirn põleb mõlemal juhul? Muidugi põleb, sest oluline on, et vool läbiks pirni hõõgniiti. Kes ei usu, saab seda oma taskulambiga kontrollida. Kas pirn põleb ka siis, kui pöörata patarei ümber korduvalt ja kiiresti? Põleb, kuid kustub nendel hetkedel, kui kumbki patarei ots ei puuduta pirni. Aga kui suudaksime patarei suunda muuta väga kiirest, näiteks sada korda sekundis, siis pirn ei kustuks, sest nii lühikese ajaga ei jõuaks pirni hõõgniit jahtuda. Heledus küll hetkeks väheneks, aga seda poleks palja silmaga näha. Selline ongi vahelduvvool, mille tekitavad generaatorid ja mis elektrijaamast meile koju seinakontakti saadetakse. Vahelduvvoolu suund muutub korda sekundis.
Vahelduvvoolu kasutatakse juhul, kui voolu suund pole oluline. Näiteks kui elektrienergia muudetakse valgusenergiaks (lampides) või soojusenergiaks (küttekehades). Vahelduvvool paneb tööle ka elektrimootorid. Vahelduvvoolu saamiseks on vaja vahelduvpinget, mida annavad kõik hüdro-, tuule- ja soojuselektrijaamade generaatorid.
Vahelduvpinge suurust on lihtne muuta. Seda tehakse transformaatori ehk trafoga. Vahelduvpinget saab muuta ka alalispingeks. Selleks kasutatakse alaldit. Seade, mis lisaks vahelduvpinge muutmisele alalispingeks muudab ka pinge väärtust, on adapter.
Alalispinge suurust on palju keerulisem muuta. Esmalt muudetakse alalispinge vahelduvpingeks, seejärel muudetakse trafoga pinge väärtus ning siis muudetakse vahelduvpinge alaldiga uuesti alalispingeks.
Sagedus ‒ ajaühikus sooritatud võngete arv.
Periood ‒ aeg, mis kulub ühe võnke tegemiseks.
Valem:
- Kui voolu suund muutub korda sekundis, on
vahelduvvoolu sagedus (f) Hz.
- Sellise sagedusega voolu võnkeperiood (T) on s.
Uuri!
- Mille poolest erinevad vahelduvvoolu kasutamine ja toimed alalisvoolu omadest?
Elektrivool ioone sisaldavas lahuses
Peale metallide juhib elektrit ka osa vedelikke. Teeme katse, et uurida, millised vedelikud elektrit juhivad. Selleks koostame pildi järgi vooluringi. Anumasse valame destilleeritud vett[mõiste: destilleeritud vesi – vesi, milles puuduvad lisaained ehk on ainult vee molekulid]. Lamp ei sütti. Lisame vette keedusoola ja lahustame selle. Nüüd lamp põleb. Järelikult, destilleeritud vesi ei ole elektrijuht, kuid soolalahus on. Põhjus on selles, et NaCl molekulid lagunevad vees Na+ ja Cl- ioonideks. Ainet, mis laguneb vees erimärgilisteks ioonideks, nimetatakse elektrolüüdiks[mõiste: elektrolüüt – aine, mis laguneb vees erimärgilisteks ioonideks]. See võib olla alus, hape või sool.
Kui elektrolüüdi vesilahusesse pandud elektroodid[mõiste: elektrood – vooluringi osa, mis on kokkupuutes mittemetalse keskkonnaga; positiivne elektrood ehk anood on ühendatud vooluallika plusspoolusega, negatiivne elektrood ehk katood on ühendatud vooluallika miinuspoolusega] ühendada vooluallika erinevate poolustega, siis hakkavad positiivselt laetud ioonid ehk katioonid[mõiste: katioon – positiivse laenguga ioon, mis liigub katoodi ehk negatiivse elektroodi poole] liikuma negatiivse elektroodi ehk katoodi poole. Negatiivselt laetud ioonid ehk anioonid[mõiste: anioon – negatiivse laenguga ioon, mis liigub anoodi ehk positiivse elektroodi poole] hakkavad aga liikuma positiivse elektroodi ehk anoodi poole. Elektroodini jõudnud katioonid saavad katoodilt elektrone juurde ja muutuvad neutraalseteks aatomiteks. Anioonid annavad anoodile jõudes ära oma liigsed elektronid ja muutuvad samuti neutraalseks. See tähendab, et elektroodidel eraldub ainet. Seda nähtust nimetatakse elektrolüüsiks. Elektrolüüsi kasutatakse ka ainete koostisosade eraldamiseks, näiteks saab nii veest eraldada hapniku ja vesiniku.
- Sinna liiguvad negatiivselt laetud ioonid
- Negatiivselt laetud
- Sinna liiguvad positiivselt laetud ioonid
- Annab elektrone ära
- Positiivselt laetud
- Võtab elektrone juurde
Lisalugemine. Elektrolüüdi molekuli lagunemine
Vaatame, kuidas elektrolüüdi[joonealune: aine, mis laguneb vees erimärgilisteks ioonideks] molekul vees laguneb. Elektrolüüt, näiteks NaCl ehk keedusool koosneb Na+ ja Cl- ioonidest, mida hoiab koos elektriline tõmbejõud. Vee (H2O) molekulid on polaarsed, see tähendab, et nende elektronid on molekulis nihkunud hapniku aatomi poole. Seetõttu on üks molekuli osa negatiivse laenguga ja teine osa positiivse laenguga. Kui NaCl molekul on vees, siis kogunevad vee molekulid ioonide ümber nii, et nende negatiivsed otsad on pööratud Na+ iooni ja positiivsed otsad Cl- iooni poole (vt joonist). Tekkinud tõmbejõud rebivad NaCl molekuli osadeks.
Jätan meelde
- Elektrivool on vabade laengukandjate suunatud liikumine.
- Elektrivool tekib, kui on olemas vabad laengukandjad ja neid liikumapanev elektriväli.
- Elektrivoolu suund on kokkuleppeliselt positiivse laenguga osakeste liikumise suund.
- Alalisvoolul on elektrivool, millel on kogu aeg üks suund.
- Elektrolüüt on aine, mille molekulid lagunevad vees positiivseteks ja negatiivseteks ioonideks.
- Elektrolüüs on protsess, mille käigus eralduvad ained lahusest elektrivoolu toimel.
