Füüsikatunni meeldetuletus31. Oct '13

Sissejuhatus

Käesolevas artiklis tuletame meelde füüsikatunnist tuttavad mõisted: laeng, takistus, pinge, vool, võimsus ning energia.

Elektrilaeng

Elektrilaeng (electric charge) on keha omadus osaleda elektromagnetilises vastastikmõjus (electromagnetic interaction). Elektrilaengu elementaarkandjateks on elektronid ning prootonid. Elektroni ning prootoni laengud on võrdsed kuid erimärgilised, öeldakse ka et elektroni ning prootoni laengud on elementaarlaengud ehk et tegu on kõige väiksema võimaliku laenguga. Tinglikult nimetatakse elektroni negatiivseks laengukandjaks ning prootonit positiivseks laengukandjaks. Elektrilaengu ühikuks on kulon (C), kuid kasutatakse ka elementaarlaengut (e):

\begin{equation*} e \approx 1.6 \times 10^{-19} C \end{equation*}

Vesinik ehk kõige väiksem võimalik aatom koosneb ühest prootonist ning ühest elektronist on elektrilaengu poolest neutraalne, mis tähendab et vesinikul kokkuvõttes laengut pole. Ilmselgelt nii väikeste mõõtühikutega pole igapäevases hobielektrooniku elus palju peale hakata. Punktlaeng on idealiseeritud laengukandja mudel, makroskoopiliste objektide puhul moodustavad elementaarlaengud suurema laengu. Negatiivselt laetud kehal on elektrone ülearu ning positiivselt laetud kehal on elektrone puudu.

Elektriline takistus ning juhtivus

Elektriline takistus (electrical resistance) on füüsikaline suurus, mis iseloomustab keha omadust avaldada elektrilaengute liikumisele takistavat mõju. Mida väiksem elektriline takistus, seda paremini keha elektrit juhib ning vastupidi, mida suurem takistus seda halvemini keha elektrit juhib. Takistuse mõõtühikuks on oom (Ω).

Eristatakse põhiliselt kolme kategooriat:

  • Juhi takistus läheneb 0Ω, nt vaskjuhe

  • Pooljuhi takistus on muudetav

  • Isolaatori takistus on praktiliselt ∞Ω, nt õhk, plastik, keraamika, klaas

Elektriline juhtivus (electrical conductance) on termin mida kasutatakse läbisegi takistusega ning see on oma olemuselt takistusele vastupidine. Elektrijuhtivus on takistusega seotud pöördvõrdeliselt ning selle mõõtühikuks on siimens (S).

Elektripinge

Pinge (voltage) on elektriliste potensiaalide vahe (electric potential difference) kahe elektriväljas asuva punkti vahel. Tuletame meelde, et elektron on negatiivne laengukandja ning prooton on positiivne. Tihtipeale kasutatakse ka elektroni puudumise ülestähendamiseks positiivse laenguga "auku" (electron hole), mis tähendab et elektrijuhis elektronide liikumine ühes suunas on ekvivalentne aukude liikumisega teises suunas. Erimärgilised laengukandjad tõmbuvad ning samamärgilised tõukuvad.

Pinge kirjeldab vajalikku töö hulka, et liigutada elektrilaenguid nende punktide vahel. Nii nagu raamatu maast üles võtmisel ning riiulile asetamisel on tarvis tööd teha, on tarvis tööd teha et elektrone ühelt pingenivoolt teisele liigutada.

Oomi seadus

Oomi seadus kõneleb juhis tekkiva voolu seosest pinge ning juhi takistusega.

\begin{equation*} I = \frac{U}{R} \Longleftrightarrow U = I \times R \Longleftrightarrow R = \frac{U}{I} \end{equation*}

Kõige lihtsam skeem koosneb vooluallikast, elektritarbijast ning juhtmetest millega nad jadamisi vooluringiks on ühendatud:

1221ResistorPower supply

Vooluallikas (power supply) ning takisti (resistor) vooluringis

Ütleme, et tegu on raadio teel juhitava helikopteri skeemiga ning VCC1 on näiteks aku ning R1 on helikopteri mootor.

Elektrivool

Elektripinge toiteallika klemmidel näitab toiteallika potensiaali teha tööd elektronide liigutamise näol. Takistid vooluringis töötavad selle vastu. Vool (electrical current) väljendab kaudselt elektronide hulka, mis reaalselt tööd teevad. Võib öelda ka et pinge on põhjus siis vool on tagajärg mis sõltub takistusest. Voolu mõõtühikuks on amper (A). Mida rohkem ampreid seda suurema läbilõikega juhtmeid on tarvis. Vool juhtmes osaleb ka vastastikmõjus magnetväljaga.

Teades vooluallika pinget ning tarbija takistust, saab arvutada ahelas tekkiva voolu. Võtame näiteks raadioteel juhitava helikopteri, millel on 7.4V LiPo aku. Helikopteri mootoriga teeme siinkohal lihtsustuse ja ütleme, et sellel on 0.37Ω takistus:

\begin{equation*} I = \frac{7.4V}{0.37\Omega } = 20A \end{equation*}

Internetiavarustest leiab erinevaid tabeleid kaabli ristlõike pindala soovitustega. Käesoleva võimsuse 20A tarbeks kuluvad ära umbkaudu vähemalt 1.3mm läbimõõduga kaablid. Tähele tuleks panna seda, et enamus sääraseid tabeleid on lihtsalt orientiiriks. Reaalsuses tuleb ikkagi läbi proovida, et ega kaablid liiga tuliseks ei lähe või koguni isolatsiooni pealt maha sulata. Suvaline juhe ei ole ideaalne, ka juhtmel on takistus ning mõnes skeemis võib liiga peene juhtme takistus hakata segama ülejäänud skeemi tööd.

Elektrivõimsus

Elektrivõimsus (electric power) väljendab ajaühikus tehtud tööd, sõltumata toitepingest ega tarbija takistusest. Võimsuse mõõtühikuks SI-süsteemis on vatt (W). Mõõtühikuna kasutatakse ka hobujõudu 1 hp = 746 W.

\begin{equation*} P = U \times I = \frac {U^2}{R} = I^2 \times R \end{equation*}

Ülalnäidatud helikopteri näite jaoks saab tuletada ka võimsuse:

\begin{equation*} P = 7.4V \times 20A = 148W \end{equation*}

Energia, töö

Füüsikas kasutatakse termineid töö ning energia läbisegi, kuna mõlemad tähendavad sama asja. Inimese tehtud töö muruniitja lükkamisel on täpselt samamoodi mõõdetav ja numbriliselt väljendatav kui robotniiduki kulutatud elektrienergia.

Energia mõõtühikuks SI-süsteemis on džaul (J). Elektroonikas kasutatakse tihtipeale terminit kilovattund (kWh). Toidutööstuses ning soojusõpetuses räägitakse ka kilokaloritest (kcal). Kõik need on energia ning töö mõõtmiseks sobilikud mõõtühikud, mis on omavahel seotud järgnevalt:

\begin{equation*} 1 J = 2.78 \times 10^{-7} kWh = 2.39 \times 10^{-4} kcal \end{equation*}

Elektroonikas saame tuletada energia tarbija võimsuse ning sellel võimsusel käitatud aja järgi:

\begin{equation*} E = P \times t \end{equation*}

Mängides näiteks 30 minutit helikopteriga:

\begin{equation*} E = 148W \times 30min = 148W * 0.5h = 74Wh = 0.074kWh \end{equation*}

Eesti Energia hinnakirja järgi on hetkel rohelise 1kWh elektrienergia hinnaks 6.60 senti, mis teeb selle lõbusõidu hinnaks pea pool senti:

\begin{equation*} 0.074kWh \times 0.066\frac{€}{kWh} = 0.00488399€ \approx 0.005 € \end{equation*}

Mahutavus

Pea kõigis kaasaskantavates elektroonikaseadmetes on toiteallikaks aku. Aku mahutavust mõõdetakse tavaliselt milliampertundides (mAh), mõnel juhul ka vattundides (Wh).

Important

Aku mahutavus ning kondensaatori mahtuvus on kaks erinevat asja!

Teades aku nimipinget, võime arvutada kui palju energiat saab salvestada akusse, näiteks eelnimetatud 7.4V aku puhul eeldame, et mahutavus on 2200mAh:

\begin{equation*} E = 7.4V \times 2200mAh = 16280mWh \approx 16.3Wh \end{equation*}

See tähendab, et ühe laadimisega saab mängida umbkaudu 6 minutit:

\begin{equation*} E = P \times t \to t = \frac{16.3Wh}{148W} \approx 0.11h \approx 6.6min \end{equation*}

Viited

Arduino Tiigriülikool Estonian IT College