Voolutugevus
Voolu toimed võivad ilmneda kas tugevamal või nõrgemal kujul. Näiteks valgustab auto kaugtulelamp heledalt, seisutulelamp kiirgab aga nii vähe valgust, et pimedas sõita pole võimalik. Kui tugevasti elektrivoolu toimed ilmnevad, sõltub füüsikalisest suurusest, mida nimetatakse voolutugevuseks.
Oletame, et laseme kraanist vett läbi vooliku ämbrisse. Kui kraan on täielikult avatud, paiskub vesi voolikust tugeva joana ning ämber täitub kiiresti. Kui aga kraan on ainult veidi avatud, täitub ämber aeglaselt. Täielikult avatud kraani korral läbib ajaühikus vooliku otsa või vooliku mistahes ristlõiget suur kogus vett. Pooleldi avatud kraani korral on ajaühikus vooliku suvalist ristlõiget läbiva vee kogus väike. Öeldakse, et esimesel juhul on voolikus vee vool tugev, teisel juhul aga nõrk.
Sarnaselt iseloomustatakse voolutugevuse mõiste abil ka elektrivoolu suurust. Juhis „voolavad” vabad laengukandjad. Kui metalljuhtmes on elektrivool, läbib igas ajaühikus juhtme suvalist ristlõiget teatud hulk suunatult liikuvaid vabu elektrone. Vabade laengukandjate suunatud liikumise tulemusena kandub elektrilaeng juhi ühest piirkonnast teise. Mida suurem on ajaühikus edasikandunud elektrilaeng, seda suurem on voolutugevus juhis. Voolutugevus on arvuliselt võrdne ajaühikus juhi ristlõiget läbinud elektrilaengu suurusega.
1. Millest sõltub voolutugevus juhis?
Voolutugevus on elektrivoolu iseloomustav füüsikaline suurus, mida tähistatakse tähega I. Voolutugevuse seos mingi ajavahemiku t jooksul juhi ristlõiget läbinud elektrilaengu suurusega q avaldub kujul
.
Voolutugevuse ühikuks on 1 amper, selle tähis on 1 A. Voolutugevuse ühiku nimetus on tuletatud prantsuse füüsiku André-Marie Ampère’i nimest. Voolutugevuse ühik avaldatakse laenguühiku ja ajaühiku jagatisena.
,
.
2. Mis on voolutugevuse tähiseks ja ühikuks?
Voolutugevus juhis on 3 A, järelikult juhi ristlõiget läbib jooksul elektrilaeng suurusega .
Kasulik teada!
Elektrilaeng suurusega üks kulon on väga suur laeng, mis arvuliselt on võrdne 6,25 · 1018 elementaarlaenguga. Sellise suurusega elektrilaeng liikumatult kehal ei püsi, sest samaliigilise laenguga osakeste vahel mõjuvad väga suured tõukejõud. 1 C suuruse elektrilaengu liikumine juhis ei ole aga mingi erandlik nähtus. Voolutugevusel 1 A läbibki juhi ristlõiget ühes sekundis just 1 C suurune elektrilaeng ehk 6,25 · 1018 suunatult liikuvat vaba elektroni. Ligilähedaselt 1 A suurune voolutugevus on näiteks töötava elektripliidi kõige väiksema võimsusega küttekehas.
Voolutugevuse ühik
Peale põhiühiku 1 A kasutatakse ka selle osasid ning kordseid ühikuid:
1 nA (nanoamper) | = 0,000 000 001 A | = 1 · 10–9 A |
1 μA (mikroamper) | = 0,000 001 A | = 1 · 10–6 A |
1 mA (milliamper) | = 0,001 A | = 1 · 10–3 A |
1 kA (kiloamper) | = 1000 A | = 1 · 103 A |
Voolutugevuse suurus sõltub vabade laengukandjate suunatud liikumise kiirusest juhis. Mida suurem on vabade laengukandjate suunatud liikumise kiirus, seda suurem hulk vabu laengukandjaid läbib ajaühikus juhi ristlõiget ja seda suurem on ajaühikus juhi ristlõiget läbinud elektrilaeng ehk voolutugevus juhis.
Elektriseadmetes võib voolutugevus olla erineva suurusega. Elektripardlis on voolutugevus tavaliselt umbes 0,07 A ehk 70 mA. Mõnedes taskulambipirnides on voolutugevus ligikaudu 0,26 A. Koduste elektripliitide võimsamates küttekehades võib voolutugevus ületada 9 amprit. Sõiduauto käiviti mähises on auto käivitamisel voolutugevus umbes 100 A – 150 A. Välgus võib voolutugevus küündida isegi 100 000 A ehk 100 kA-ni.
3. Kuidas sõltub voolutugevus vabade laengukandjate suunatud liikumise kiirusest juhis?
Elektrivool on inimese elule ja tervisele ohtlik, sellepärast tuleb elektriseadmete käsitsemisel ja vooluringide koostamisel olla väga ettevaatlik. Kuna inimese keha on elektrijuht, võib eksimise korral selles tekkida elektrivool. On kindlaks tehtud, et elektrivool tugevusega alla 1 mA on inimesele ohutu. Voolutugevus üle 100 mA võib aga inimese jaoks olla surmav.
4. Millise tugevusega elektrivool on inimesele ohutu, milline ohtlik?
Kasulik teada!
Elektrivoolu on kahte liiki: alalisvool ja vahelduvvool.
Alalisvool esineb aku või taskulambipatareiga ühendatud juhtides.
Juhtides, mis on elektrivõrgu kaudu ühendatud elektrijaamades töötavate vahelduvvoolugeneraatoritega, on vahelduvvool. Kuna majade elektrivõrgud on ühendatud ühtsesse elektrivõrku, on meie kodudes kasutusel põhiliselt vahelduvvool.
5. Millised vooluallikad tekitavad juhtides alalisvoolu, millised vahelduvvoolu?
Nii taskulambipirni kui ka lauavalgusti lambi hõõgniidid soojenevad elektrivoolu toimel ja hõõguvad heledalt. Neid vaadeldes ei oska me eristada, milline vool millises lambis on. Alalis- ja vahelduvvoolu erinevus tuleb ilmsiks siis, kui uurime, kas ja kuidas muutub juhtides voolutugevuse väärtus ajas. Voolutugevust tuleb seejuures mõõta väga lühikeste ajavahemike järel, näiteks iga tuhandiksekundi möödudes. Sellisteks mõõtmisteks sobib ostsillograaf, mis esitab mõõtmistulemused kohe graafikuna ekraanil.
Graafikuid võrreldes selgubki alalis- ja vahelduvvoolu erinevus.
Joonisel oleval graafikul on esitatud voolutugevuse sõltuvus ajast taskulambipatareiga ühendatud pirnis. Sõltuvust kujutav sirge on paralleelne graafiku ajateljega. Järelikult on kogu mõõtmisaja jooksul voolutugevus lambis sama suurusega.
Kui voolu suund muuta lambis esialgsele vastupidiseks, on voolutugevuse sõltuvust ajast kujutav sirge allpool ajatelge (katkendlik joon graafikul). Voolutugevuse negatiivne väärtus tähendabki just seda, et voolu suund on esialgsele vastupidine. Voolutugevuse positiivne ja negatiivne väärtus graafikul annavad teavet voolu suuna kohta lambis.
6. Kuidas sõltuvad alalisvoolu suund ja tugevus ajast?
Selgub, et kogu vaatlusaja jooksul ei muutu taskulambipatareiga ühendatud lambis ei voolu suund ega voolutugevus. Voolu, mille suund ja tugevus ajas ei muutu, nimetatakse alalisvooluks.
7. Mida nimetatakse alalisvooluks?
Voolu suund ja -tugevus juhis ei muutu siis, kui kogu vaatlusaja jooksul liiguvad vabad laengukandjad samas suunas ning juhi ristlõiget läbib igas ajaühikus sama suurusega elektrilaeng. See toimub siis, kui vabadele laengukandjatele mõjuvad elektrijõud, mille suurus ja suund kogu vaatlusaja kestel ei muutu. Selline elektrijõud mõjub laetud osakesele ajas muutumatus elektriväljas. Järelikult tekib alalisvool juhis, milles on ajas muutumatu elektriväli.
8. Millisel juhul tekib juhis alalisvool?
Joonisel esitatud graafikul on kujutatud voolutugevuse sõltuvus ajast laualambi elektripirnis. Teatud ajavahemiku jooksul suureneb voolutugevus nullist maksimaalse väärtuseni. Pärast seda hakkab voolutugevus vähenema ning peagi on jälle võrdne nulliga. Edasi hakkab voolutugevus lambis suurenema, kuid voolu suund on nüüd esialgsele vastupidine. Kui voolutugevus on saavutanud oma maksimaalse väärtuse, hakkab see uuesti vähenema. Hetkel, kui voolutugevus saab võrdseks nulliga, muutub voolu suund lambis taas ning kõik kordub otsast peale.
Laualambis muutuvad perioodiliselt nii voolutugevus kui ka voolu suund. Voolu suund muutub lambis iga ühe sajandiku sekundi möödudes. Seega on elektrivool ühe sekundi jooksul 50 korda suunatud ühes ja 50 korda vastupidises suunas.
9. Kuidas sõltuvad vahelduvvoolu suund ja tugevus ajast?
Voolu, mille suund ja tugevus ajas perioodiliselt muutuvad, nimetatakse vahelduvvooluks.
10. Mida nimetatakse vahelduvvooluks?
Voolu suuna ja voolutugevuse muutust valgusti lambis võime vaadelda elektrivoolu võnkumisena, mille sagedus on 50 Hz. Voolu võnkumine tekib sellepärast, et vooluallikana kasutatav vahelduvvoolugeneraator tekitab juhis elektrivälja, mille suund ja tugevus ajas perioodiliselt muutuvad. Sellises elektriväljas muutub perioodiliselt ka igale vabale laengukandjale mõjuva elektrijõu suund ja suurus, mis panebki need laetud osakesed juhis edasi-tagasi liikuma.
11. Millisel juhul tekib juhis vahelduvvool?
Küsimused
- Kahel elektroskoobil olid suuruselt võrdsed elektrilaengud. Õpilane puudutas ühte elektroskoopi metallvardaga, teist puupulgaga. Metallvardaga puudutatud elektroskoobilt kadus laeng hetkeliselt, teise elektroskoobi tühjenemiseks kulus aga mitu sekundit. Kas võib öelda, et nii metallvardas kui ka puupulgas oli elektrivool? Kui jah, siis kummas oli voolutugevus suurem?
- Mõnedes taskulambipirnides on voolutugevus 0,26 A. Kuidas võiks selline taskulambipirn põleda siis, kui voolutugevus selles oleks a) suurem kui 0,26 A; b) väiksem kui 0,26 A?
Näidisülesanne
Töötava elektrimootori mähise ristlõiget läbib 30 minuti jooksul elektrilaeng suurusega 1800 kulonit. Kui suur on voolutugevus elektrimootori mähises?
Andmed | Lahendus | |
q = 1800 C t = 30 min = 1800 s I = ? | Voolutugevus on võrdne ajaühikus juhi ristlõiget läbinud laengu suurusega. | |
Vastus. Voolutugevus elektrimootori mähises on 1 A.
Ülesanded
Aeg | Elektrilaeng | Voolutugevus | ||
Füüsikalise suuruse tähis | ||||
Mõõtühiku tähis | ||||
Kirjuta füüsikaliste suuruste tähiste abil seos voolutugevuse ja mingi ajavahemiku jooksul juhi ristlõiget läbinud elektrilaengu suuruse vahel.
Kirjuta seos voolutugevuse ühiku, aja ühiku ja elektrilaengu ühiku vahel.
0,025 A = mA | 75 μA = mA |
- Kui suur on voolutugevus lauavalgusti juhtmes, kui 10 minuti jooksul läbib juhtme ristlõiget laeng 162 C?
- Auto käivitamisel on voolutugevus käivitis 150 A. Mitme kuloni suurune elektrilaeng läbib käivitit ja akumulaatorit ühendava juhtme ristlõiget, kui käiviti töötab 5 sekundit?
- Mitme kuloni suurune elektrilaeng läbib välgukanali ristlõiget 0,5 ms jooksul, kui voolutugevus selles on 20 000 A?
- Voolutugevus taskulambipirni hõõgniidis on 0,26 A. Kui pika aja jooksul läbib hõõgniidi ristlõiget elektrilaeng 39 C?
- Voolutugevus elektripliidi küttekehas on 5 A. Mitu elektroni läbib 1 s jooksul küttekeha ristlõiget?
Praktiline ülesanne
Vala klaasi umbes 50 ml vett ja lahusta selles 1 supilusikatäis keedusoola. Mõõda võimalusel soolvee temperatuur. Võta kaks suuremat naela ja kinnita kummagi naela ühe otsa külge isoleerkihist puhastatud juhe. Aseta naelad soolveega täidetud klaasi. Naelad ei tohi soolvees omavahel kokku puutuda. Ühenda naelte otste külge kinnitatud juhtmete teised otsad taskulambipatarei klemmidega. Jälgi, mis toimub naelte ümbruses, ja mõõda soolvee temperatuuri iga kahe minuti järel. Tee kokku viis mõõtmist. Pärast katse lõpetamist vaatle naelu. Mida sa oma katsest järeldad?
