tutkielma.pdf, 350 kB - Helsinki.fi

suunnattu ilmiö. Sähkövirran suunta on kaikkialla virtapiirissä sama. Sähkövirran vaikutuksetosoittavat myös, että sähkövirta syttyy ja sammuu kaikkialla piirissä samanaikaisestija että sähkövirran suuruus on haarautumattomassa piirissä kaikkialla sama.5I4I3I2IIKuva 4.1.1Sähkövirran suuruuden ilmaiseva suure on sähkövirta. Sähkövirran kvantifioiminenperustuu sähkövirran magneettisiin vaikutuksiin. Koulussa on yksinkertaisinta tarkastellavirtapiirejä, jotka koostuvat keskenään samanlaisista paristoista ja hehkulampuista.Rakentamalla kuvan 4.1.1. kaltaisia kytkentöjä saadaan aikaan saman sähkövirran monikertoja[3]. Kun tutkitaan virtajohtimen ja sauvamagneetin välistä vuorovaikutusta,havaitaan magneettiin kohdistuvan voiman olevan verrannollinen sähkövirtaan. VerrannollisuusF ~ I kvantifioi sähkövirran suureena. Verrannollisuuskertoimen arvo riippuuyksikönvalinnasta.Vastaavasti virtajohtimen ja magneettineulan välistä vuorovaikutusta tutkittaessahavaitaan magneettineulaan kohdistuvan momentin olevan verrannollinen sähkövirtaan:M ~ I. Tähän lainalaisuuteen perustuu mm. kiertokäämigalvanometrin toiminta.SI-järjestelmässä sähkövirran määrittely perustuu Amperen lakiin: kahden suoranjohtimen välinen magneettinen vuorovaikutus kohdistaa johtimeen voiman, joka on verrannollinenjohtimen sähkövirtaan: F ~ I. SI-järjestelmässä sähkövirran yksikkö on ampeeri,1A. Standardin mukaan ”ampeeri on sellainen ajallisesti muuttumattoman sähkövirta,joka kulkiessaan kahdessa yhdensuuntaisessa äärettömän pitkässä ja ohuessa johtimessa,joiden poikkileikkaus on ympyrä ja jotka ovat yhden metrin etäisyydellä toisistaantyhjiössä, aikaansaa johtimien välille 2 . 10 -7 newtonin voiman johtimen metriäkohti.” (9. yleinen paino- ja mittakonferenssi, CGPM, 1948).Haarautuvassa virtapiirissä sähkövirrat noudattavat Kirchhoffin 1. lakia: virtapiirinkuhunkin pisteeseen tulevien sähkövirtojen summa on yhtä suuri kuin siitä lähteviensähkövirtojen summa.Vastuksessa on Joulen lain mukaan tehon kulutus verrannollinen sähkövirran neliöön:P ~ I 2 . Siksi sähkövirran voimakkuus voitaisiin kvantifioida myös sen lämmitysvaikutuksenperusteella. Faradayn lakien mukaan elektrolyysissä kohtioilla erottuvienaineiden erottumisnopeudet ovat verrannolliset sähkövirtaan. Tämä mahdollistaa sähkövirransuuruuden kvantifioimisen elektrolyysin perusteella.Sähkövirta selitetään aineen atomirakenteen pohjalta. Klassisen mallin mukaan sähkövirtaaiheutuu varauksellisten hiukkasten – metallijohtimessa elektronien, elektrolyytissäionien ja tyhjiössä erilaisten hiukkassuihkujen – liikkeestä. Sähkövirran ja varauksenvälinen yhteys voidaan varmentaa kokeellisesti. Kondensaattori saadaan varattua,kun sen levyt kytketään suljetun virtapiirin kahteen eri pisteeseen. Kun kondensaattorinannetaan purkautua johtimen kautta, saadaan aikaan sähkövirran havaittavat vaikutukset.Kvantitatiivisesti voidaan todentaa, että sähkövirta I tuo kondensaattoriin ajassa tvarauksen Q ~ It. Kun verrannollisuus kirjoitetaan yhtälöksi Q = It, varauksen yksikkötulee määritellyksi sähkövirran yksikön avulla. Yleisemmin voidaan todeta, että johti-12