Sähköstatiikka on sähköopin osa-alue, jossa tarkastellaan liikkumattomia sähköisiä ilmiöitä. Ukkosen synty on tyypillinen luonnossa esiintyvä sähköstatiikan ilmiö. Esimerkkinä sähköstatiikan teknisestä sovelluksesta on kondensaattori.
Tietolaatikko
Opetussuunnitelman mukaiset kurssin tavoitteet ovat, että opiskelija
- ymmärtää sähköön liittyviä peruskäsitteitä, tutustuu mittaustekniikkaan
- osaa tehdä sähköopin perusmittauksia sekä rakentaa ja tutkia yksinkertaisia virtapiirejä.
Miksi taskulampun kytkintä painettaessa lamppu syttyy? Sähkölamppu muodostaa tasavirtapiirin, joka on johtimien ja sähkölaitteiden muodostama sähkövirran kulkureitti. Tasavirtapiirejä tarkasteltaessa on hyvä ymmärtää suureet sähkövirta, jännite ja resistanssi.
Jännite
Tutkitaan jännitettä sarjaankytkennässä ja rinnankytkennässä ja selitetään miten se toimii.
Virtapiiriin kytkeminen
Virtapiirejä on erilaisia. Lamppuja voidaan kytkeä yksi toisensa perään, jolloin ne muodostavat silmukan. Puhutaan sarjaankytkennästä. Lamput voidaan myös kytkeä virtapiiriin yksitellen, jolloin puhutaan rinnankytkennästä. Tällöin sähkövirralla on monta.
Ohmin laki
Virran ja jännitteen suhde kasvaa suhteessa toisiinsa. Jos virta kaksinkertaistuu, myös jännite kaksinkertaistuu. Ne ovat siis suoraan verrannollisia toistensa kanssa. Tämä havainnollistetaan taulukon ja kaavan sekä käytännön kokeen avulla.
Miten salamat syntyvät?
Ukkonen syntyy kun voimakkaiden ilmavirtausten nousujen ja laskujen johdosta jääkiteet ja -rakeet törmäävät toisiinsa ja hankaavat toisiaan. Silloin syntyy sähkövarauksia aivan kuten kampaan tai ilmapalloon niitä hangattaessa. Pilvien yläosaan muodostuu positiivinen ja pilven keskiosaan negatiivinen sähkövaraus. Pilven alapuolelle muodostuu puolestaan vastakkaismerkkinen sähkövaraus. Näiden erilaisten sähkövarausten kamppailu purkautuu kipinöintinä, joka näkyy taivaalla salamoina.
Ukkonen ja salamointi
Sähkövirta
Sähkölaitteita yhdistää kolme yhteistä piirrettä. Kaikilla sähkölaitteilla on sähköenergian lähde, väylä sähkövirtaa varten ja komponentti, joka tekee työtä sähkön avulla. Kun virtapiiri suljetaan, sähkö virtaa ja laite toimii. Sähkövirta on elektronien virtausta. Elektroneilla on negatiivinen varaus, joten ne pyrkivät aina liikkumaan kohti positiivisesti varautunutta napaa.
Resistanssi
Mitä pidempi metallilanka on, sitä suurempi sen resistanssi on. Lankapotentiometrin avulla voidaan tarkastella resistanssin muutosta. Kun lampun virtapiirin langan pituus vähenee, myös resistanssi pienenee. Lamppu loistaa kirkkaampana. Mitä paksumpaa metallilanka on, sitä pienempi on resistanssi. Ohuessa ja paksussa metallilangassa liikkuu yhtä nopeasti elektroneja. Paksummassa langassa liikkuu kuitenkin enemmän elektroneja, jolloin virta on suurempi ja resistanssi pienempi.
Myös metallilangan lämpötila vaikuttaa resistanssiin. Kun lankaa viilennetään, resistanssi pienenee. Lämpimässä langassa atomit värähtelevät, jolloin elektronien liike vaikeutuu. Resistanssi on suuri. Viileässä langassa taas atomit värähtelevät vain vähän, jolloin elektronien liike on vapaampaa. Resistanssi pienenee.
Resistanssi eri metalleissa
Eri metalleilla on erisuuruinen resistanssi. Resistanssista johtuu, että vaikka virtalähteestä saatu energia on vakio, niin toinen lamppu säteilee toista lamppua kirkaammin.
Resistanssin yksikkö on ohmi
Se kertoo, miten vaikea elektronien on liikkua aineessa. Ohmin lain mukaan jännite ja virta ovat vakiolämpötilassa suoraan verrannolliset.
Suprajohteet
Kylmässä eräät aineet toimivat suprajohteina, jolloin niiden atomit värähtelevät tuskin lainkaan. Suprajohde laitetaan kylmään nestetyppeen. Hyvin alhaisessa lämpötilassa joillakin aineilla ei ole virran vastustuskykyä juuri lainkaan. Suprajohteen päälle laitetaan magneetti, joka synnyttää pienen virran. Magneetti kohoaa ilmaan, koska suprajohteen virta synnyttää magneettikentän, joka on niin voimakas, että se hylkii magneettia.
