Pinge. Pingeühik

Põlevas taskulambi- ja lauavalgustipirnis on voolutugevus küll ligilähedaselt sama suurusega, aga laualambipirn annab palju rohkem valgust kui taskulambipirn. Miks? Et sellele küsimusele vastata, tuleb tutvuda pinge mõistega.

Kui ühendada juht vooluallikaga, tekib juhis elektriväli ja vabad laengukandjad hakkavad elektrijõudude mõjul suunatult liikuma. Laetud osakeste ümberpaigutamisel teeb elektriväli tööd. Elektrivälja võimet teha tööd laetud osakeste ümber­paigutamisel juhis kirjeldab elektrivälja pinge ehk lühemalt pinge.

Oletame, et juht on ühendatud vooluallika poolustega. Juhis on elektriväli ja elektrijõudude mõjul liigub teatud hulk laetud osakesi kogulaenguga q juhi punktist B punkti D.

Elektriväli teeb tööd laenguga osakeste ümber­paigutamisel juhi ühest punktist teise.

Tähistame töö, mida elektriväli peab tegema laetud osakeste ümberpaigutamisel juhis, tähega A.

Kui laetud osakesi oleks kaks korda rohkem, oleks ka nende kogulaeng kaks korda suurem ehk 2q. Nende ümberpaigutamiseks punktist B punkti D peaks elektri­väli tegema kaks korda rohkem tööd ehk 2A, sest elektriväli mõjutab neid osakesi kaks korda suurema jõuga. Tuletame meelde, et töö on võrdne kehale mõjuva jõu ja keha poolt läbitud teepikkuse korrutisega A = Fs.

Kui laetud osakesi oleks aga kümme korda rohkem, oleks ka nende kogulaeng suurusega 10q ning elektrivälja töö nende ümberpaigutamisel juhi punktist B punkti D oleks 10A.

Mida suurem on juhis ümberpaigutatavate laetud osakeste kogulaeng, seda suurem on ka töö, mida elektriväli nende ümberpaigutamisel peab tegema. Töö ja laengu suuruse jagatis on aga kõigil vaadeldud juhtudel sama väärtusega ning ei sõltu ei elektrilaengu ega tehtud töö suurusest:

$\[ \frac{A}{q}=\frac{2A}{2q}=\frac{10A}{10q} \]$

See jagatis iseloomustab elektrivälja ja seda nimetatakse elektrivälja pingeks. Elektrivälja pingeks nimetatakse elektrivälja poolt laetud osakeste ümberpaigutamisel tehtud töö ja osakeste kogulaengu jagatist:

$\[ \text{pinge}=\frac{\text{elektrivälja}\text{töö}}{\text{elektrilaeng}}\text{.} \]$

Pinge on füüsikaline suurus, mida tähistatakse tähega U. Seos elektrivälja pinge, elektrivälja poolt tehtud töö ja juhis ümberpaigutatud elektrilaengu suuruse vahel avaldub kujul:

$\[ U=\frac{A}{q}\text{.} \]$

Elektrivälja pinge juhi kahe punkti vahel on arvuliselt võrdne elektrivälja tööga ühikulise elektrilaengu ümberpaigutamisel juhi ühest punktist teise.

Pinge juhi kahe punkti vahel sõltub nende punktide kaugusest teineteisest.

Oletame, et punkt E asub punktist B kaugemal kui punkt D (vt joonis). Et paigutada laetud osakesi punktist B punkti E, peab elektriväli tegema rohkem tööd kui nende ümberpaigutamisel punktist B punkti D, sest laetud osakeste poolt läbitud tee­pikkus on suurem. Järelikult U_BE > U_BD.

Punkt E asub punktist B kaugemal kui punkt D. Pinge U_BE > U_BD.

Kõige kaugemal teineteisest on punktid, mis asuvad juhi otstes. Seega: pinge on suurim vooluallikaga ühendatud juhi otstel ehk vooluallika poolustel. Pinge on vooluallika poolustel ka siis, kui vooluallikas pole juhiga ühendatud. Kui ühendada sama juht kord ühe, kord teise vooluallikaga, võib pinge juhi otstel olla erinev.

Pinge mõõtühiku saame, kui asendame pinge valemis füüsikalised suurused nende mõõtühikutega:

$\[ \text{1}\text{pingeühik}=\frac{\text{1}\text{tööühik}}{\text{1}\text{laenguühik}}\text{.} \]$

Pingeühik on võrdne tööühiku ja laenguühiku jagatisega. Pingeühikuks on 1 volt, ühiku tähiseks on 1 V. Pingeühiku nimetus on tuletatud itaalia füüsiku Alessandro Volta nimest.

Pinge juhi kahe punkti vahel on 1 volt, kui 1 kuloni suuruse elektrilaengu ümberpaigutamisel juhi ühest punktist teise teeb elektriväli tööd 1 džaul:

$\[ \text{1}\text{V=}\frac{\text{1}\text{J}}{\text{1}\text{C}} \]$

Elektrivoolu võrreldakse sageli veevooluga. Voolav vesi võib teha tööd, panna hüdroelektrijaamas tööle turbiinid või vesiveskis pöörlema veskikivid. Jõele, kuhu ehitatakse hüdroelektrijaam, kuhjatakse tavaliselt tamm, et vee tase enne elektrijaama turbiine oleks võimalikult kõrge. Kõrgelt tammilt langev vesi võib teha palju rohkem tööd kui tasandikujões voolav vesi.

Pinget võib võrrelda veetasemete erinevusega jões enne ja pärast tammi. Mida kõrgem on tamm, seda suurem on veetasemete erinevus ning seda rohkem tööd võib langev vesi teha. Mida suurem on pinge juhi otstel, seda rohkem tööd võib elektriväli teha sama kogulaenguga osakeste ümberpaigutamisel juhis.

Kuna pinget võib võrrelda kose või tammi kõrgusega, kasutatakse väljendi suur pinge asemel sageli ka väljendit kõrge pinge, väljendi väike pinge asemel aga väljendit madal pinge.

Nagarjuna Sagari (India) hüdroelektrijaama tammi kõrgus on 124 m jõe tasemest ja pikkus umbes 1500 m.

1. Kui suur on pinge lambi hõõgniidi otstel, kui elektri­väli teeb 3,5 C suuruse elektri­laengu ümber­paigutamisel lambis tööd 42 J?
2. Pinge juhi otstel on 12 V. Kui suure elektri­laengu ümber­paigutamisel juhis teeb elektri­väli tööd 18 J?
3. Pinge lambi hõõgniidi otstel on 230 V. Kui palju tööd teeb elektri­väli 0,26 C suuruse elektri­laengu ümber­paigutamisel lambis?
4. Juhis on elektriväli. Pinge punktide A ja B vahel on 6 V. Pinge punktide B ja C vahel on 12 V (vt joonis). Kui suur on pinge elektri­välja punktide A ja C vahel?

1. Voolu soojuslik toime sõltub voolutugevusest juhis. Mida suurem on voolu­tugevus, seda rohkem juht soojeneb. Kuidas seletada, et elektrivõrku ühendatud laualamp valgustab tuba palju rohkem kui patareiga ühendatud taskulambipirn, olgugi et voolutugevus kummaski lambis on ligikaudu sama suurusega (0,26 A)? Näpunäide: tuleta meelde, millistel pingetel need lambid töötavad.
2. Esikus on laevalgusti, elektrikõlisti koos lambiga ja pistikupesa. Esikusse tulevad pingestatud juhtmed vooluallikalt. Vali sobiv arv lüliteid ja joonista elektri­skeem, kus pistikupesa oleks pidevalt pingestatud, laevalgustit saab põlema panna ja kustutada ning elektrikõlisti töötaks koos selle juures oleva lambiga.
3. Lapiku patareiga ühendatud taskulambipirn põleb heledalt. Miks põlevad tuhmilt kaks lapiku patareiga jadamisi ühendatud taskulambipirni?