Sähkövirta
Sähkövirta tarkoittaa sekä fysikaalista ilmiötä että siihen liittyvää suuretta. Ilmiönä sähkövirta on sähkö­varauk­sel­lis­ten hiukkasten liikettä. Suureena sähkövirta ilmaisee sähköjohtimen poikkileikkauksen läpi kulkevan sähkövarauksen määrää aikayksikössä. SI-järjestelmässä sähkövirta on yksi perussuureista, ja sen yksikkö on ampeeri.
Systeemi, jossa sähkövirta voi kulkea, on virtapiiri, joka muodostuu johtimista. Virtapiirin osana eli johtimena voi olla mikä tahansa väliaine tai tila, jossa sähkövarauksia kulkee. Varauksia voivat kuljettaa elektronit, protonit, atomit, molekyylit, aukot, hiukkaset ja suuret esineet. Tällöin johtimena voi toimia tyhjä tila eli tyhjiö, kaasu, neste eli elektrolyytti tai kiinteä aine (johde, puolijohde tai eriste).
Sähkövirta ilmiönä on yleinen luonnossakin, mutta se tuli tunnetuksi vasta, kun Alessandro Volta 1700-luvun lopulla sai sen keino­tekoisesti aikaan laboratoriossa. Sähkövirta voidaan havaita sen vaikutusten perusteella, joista tärkeimpiä ovat termiset, magneettiset ja kemialliset vaikutukset.
Jos sähkövirran voimakkuus ja suunta pysyvät vakioina, on kyseessä tasavirta. Vaihtovirta on sähkövirtaa, jonka voimakkuus ja suunta vaihtuvat jatkuvasti, käytännön sovelluksissa yleensä sinimuotoisesti. Vaihtovirrassa saattaa myös sähkövirran arvo vaihdella, vaikka sen suunta säilyisikin samana.
Varauksenkuljettajina toimivat metalleissa elektronit, elektro­lyyteissä positiiviset ja negatiiviset ionit, kaasuissa joko ionisoituneet molekyylit tai niistä irroneet vapaat elektronit. Tyhjiössä sähkö­virtaa voivat kuljettaa vapaat varaukselliset hiukkaset, esimerkiksi metallista irrotetut elektronit.
Varauksenkuljettajat voivat siis olla sähkövaraukseltaan positiivisia tai negatiivisia. Alun perin ajateltiin, että sähkövirran aiheutti positiiviset varauksenkuljettajat, jolloin sähkövirran arvo ja suunta määrättiin tämän mukaisesti. Metallijohtimissa varauksia kuljettavat kuitenkin johde-elektronit, joilla on negatiivinen sähkövaraus. Siksi elektronien liikesuunta on vastakkainen sähkövirran suunnan kanssa. Varaukseltaan positiivisten protonien liikesuunta esimerkiksi tyhjiöputkessa on sama kuin niiden aiheuttaman sähkövirran suunta.
Jos elektrolyytti, esimerkiksi ruokasuolaliuos, jossa on positiivisesti varautuneita natriumioneja (Na)ja negatiivisesti varautuneita kloridi-ioneja (Cl) liikkuu, ei kyseessä ole sähkövirta. Tämä ymmärretään niin, että kun positiiviset varaukset aiheuttavat veden liikkeen suuntaisen virran, aiheuttavat negatiiviset saman suuruisen, mutta vastakkaisen virran. Näiden arvot ovat yhtä suuret, mutta suunnat päinvastaiset, joten ne kumoavat toisensa. Kokonaisvirta on siten nolla.
Sähkövirta voidaan saada aikaan mekaanisesti, termisesti tai kemiallisesti. Ensimmäinen tunnettu virtalähde oli galvaaninen pari, jossa kemiallinen reaktio ylläpitää sähkö­virtaa. Nykyäänkin paristoja käytetään virta­lähteenä monissa kannettavissa laitteissa. Akku on sähkö­pari, jossa nämä reaktiot voidaan ulkoisen virran avulla saada tapahtumaan myös käänteiseen suuntaan, joten se voidaan ladata uudestaan.
Teknisesti tärkein sähkövirran lähde on kuitenkin sähkömagneettinen induktio, johon perustuvat kaikki erilaisten voima­laitosten generaattorit.
Sähkövirtaa voidaan saada aikaan myös valon tai muun säteilyn avulla. Tähän perustuvat valokennot. Sähkövirtaa syntyy myös Peltier'n ilmiön vaikutuksesta johdin­silmukassa, jossa jokin osa on eri metallia kuin muu johdin ja jossa liitoskohdilla on eri lämpötila. Tällainen silmukka on lämpöpari.
Suureena sähkövirta (tunnus "I" tai "i" ) ilmaisee johtimen poikkileikkauksen läpi kulkevan sähkö­varauksen määrää aikayksikössä. Se on yksi SI-järjestelmän perussuureista. Perussuureiden ja osin johdannaissuureiden avulla voidaan johtaa kaikki muut suureet, jotka ovat myös näiden johdannaissuureita. Suureen nimi oli aikaisemmin "sähkövirran voimakkuus", mutta nykyisin se on lyhennetty muotoon "sähkövirta", jolla siis voidaan tarkoittaa sekä ilmiötä että sitä kuvaavaa suuretta.
Teoreettisesti sähkö­varaus olisi luonnollisempi valinta sähkö­opin perus­suureeksi kuin sähkö­virta. Sähkö­virta on kuitenkin valittu perus­suureeksi lähinnä mittaus­teknisistä syistä, koska se voidaan sekä magneettisten että kemiallisten vaikutustensa, Ampèren lain ja Faradayn induktiolain perusteella, mitata ja mittaukset myös toistaa paljon täsmällisemmin kuin varauksia voidaan mitata Coulombin lakiin perustuen.
SI-järjestelmässä sähkövirran perusyksiköksi on valittu ampeeri (tunnus A ), jonka suuruus on määritelty erityisellä tavalla. Kahdessa, toisistaan metrin päässä samansuuntaisesti tyhjiössä kulkevassa äärettömän pitkässä ja ohuessa, johtimessa kulkee molemmissa yhden ampeerin sähkövirta, jos niiden välille syntyy 2×10 newtonin suuruinen voima johdinmetriä kohti.
Yhden ampeerin virta vastaa noin 6,2415×10 alkeisvarauksen kulkua poikkileikkauksen läpi sekunnissa. Ampeerissa kulkevien varaustenkuljettajien suuri määrä johtuu yksittäisen sähkövarausten pienuudesta ja niiden suurista määristä. Suuruusluokaltaan ampeeri on varsin lähellä ihmisen arjen tarpeita.
Yksi sähkövirran vaikutuksista on sen synnyttämä magneettikenttä, joka leviää johtimen ympärille. Johtimen magneettisuutta aiheuttava ominaisuutta kutsutaan induktanssiksi. Se voidaan havaita jopa kompassilla, kunhan virta on yli ampeerin suuruinen. Sähkövirran aiheuttama magneettikenttä aiheuttaa muissa magneeteissa tai muissa sähköjohtimissa voimia, jotka pyrkivät siirtämään niitä paikoiltaan. Tähän ilmiöön perustuu sähkömoottorien toiminta.
Sähkövirran kulku ei ole edes metallisissa johteissa vapaata, vaan johde-elektronien kulkua haittaavat metallien atomit. Elektronien törmäillessä atomeihin menettävät ne liike-energiaansa ja luovuttavat sitä atomeille, jotka alkavat värähdellä paikallaan. Tämä värähtely on lämpöliikettä, joka leviää johtimessa ja lämmittää sitä. Tätä sähkövirran kasvua rajoittavaa ominaisuutta kutsutaan resistanssiksi. Sähkövirran lämpövaikutukseen perustuvat esimerkiksi sähkölämmitys, sähköliedet ja myös hehkulamput. Sähköenergian siirrossa lämmön kehittyminen on kuitenkin haitallista, sillä tehoa kuluu sen vuoksi hukkaan. Tämän vuoksi energian siirrossa pyritään käyttämään suurta jännitettä ja pientä virtaa, mikä vaihtovirtaa käytettäessä on saatavissa aikaan muuntajan avulla.
Tyhjiössä varauksenkujettajat saadaan liikkeelle kiihdyttämällä ne vauhtiin sähkökentän avulla. Kun vapaasti liikkuva hiukkanen osuu atomeihin, jarruttuvat ne voimakkaasti aiheuttaen jarrutussäteilyä. Säteilyn aallonpituus voi olla mitä tahansa sähkömagneettisen spektrin aallonpituutta.
Kun sähkövirta kulkee elektrolyytissä eli nesteessä, jossa varuksenkuljettajina voivat liikkua liuenneet ionit, saattaa aiheutua kemiallisia reaktioita. Esimerkiksi hopeanitraattiliuoksessa elektrodeista tulevat elektronit siirtyvät liuoksessa hopea-ionille pelkistäen sen liukenemattomaksi hopeametalliksi. Jos liuenneet aineet ovat toiset, esimerkiksi ruokasuolaa, aiheuttaa sähkövirta natrium-ionin pelkistymisen, mutta natrium taas veden hajoamisen vedyksi ja hapeksi. Kummassakin tapauksessa sähkövirran energia muuttuu kemialliseksi energiaksi.
Elollisen olennon hermosto hyödyntää sähkövirran kuljettamia signaaleja. Jos esimerkiksi ihmiskehon läpi kulkee sähkövirta, jolloin ihminen saa sähköiskun, sekoittaa se hermoston toiminnan ja seurauksena on esimerkiksi lihasten nykimistä tai kramppeja. Suurilla virran arvoilla käynnistyvät kehossa myös kemialliset reaktiot ja se kuumenee. Seurauksena voi olla palovammoja.
Sähkövarausten määrä "Q", joka kulkee poikkileikkauksen läpi aikajaksossa "t" on
kun sähkövirta "I" säilyy samansuuruisena.
Sähkövirta muodostaa johtimen ympärille magneettikentän, jonka kiertää sitä. Syntyneen magneettikentän voimakkuus on suurimmillaan johtimen pinnalla, mutta heikkenee etäisyyden kasvaessa johtimesta. Magneettikentän voimakkuutta kuvataan suureella magneettivuon tiheys ("B"), joka on suoraan verranollinen sähkövirtaan ja kääntäen verrannollinen etäisyyteen ("r") johtimesta:
formula_2
Johteen resistanssi "R" vastustaa sähkövirran kulkua ja aiheuttaa johtimen päiden välille eräänlaisen "vastapaineen" eli sähköteknisesti jännitehäviön "U". Ulkoinen jännite määrää, kuinka suuri virta johteeseen syntyy. Jännitehäviö on suoraan verrannollinen sähkövirran arvoon
Yhden ampeerin virta aiheuttaa yhden ohmin resistanssilla yhden voltin jännitehäviön. Jännitehäviö voitetaan yhtä suurella ulkoisella jännitteellä. Sähkölaitteeseen syntyy sähkövirta vain, jos se kytketään ulkoiseen jännitelähteeseen.
Väliaineen resistanssi muuttaa sähköenergiaa lämmöksi. Kehittyvä lämpömäärä on tällöin verrannollinen resistanssiin, virtaan ja jännitteeseen
missä "E" on lämpöenergia ja "t" kulunut aika. Jos tiedetään vain virta ja resistanssi, muuttu lauseke
eli lämmitystehoksi "P" muutettuna
Yhden ohmin resistanssi lämmittää johdinta yhden joulen verran sekunnissa eli yhden watin lämmitysteholla.
Sähkövirtaa mitataan tavallisimmin ampeerimittarilla. Analogisen ampeerimittarin toiminta perustuu sähkövirran johtimeen synnyttämään magneettikenttään. Sähkövirta voidaan mitata tämän magneettikentän voimakkuudesta: kenttä vääntää mittarin viisaria suhteessa sen aiheuttaneen virran suuruuteen.
Sähkövirtaa voidaan mitata myös johtamalla virta pienen vastuksen (shunttivastuksen) läpi ja sitten mittaamalla jännitemittarilla (tai oskilloskoopilla) vastuksen yli vaikuttava jännite. Kun jännite ja vastus tunnetaan, virta voidaan laskea Ohmin lain avulla. Esimerkiksi milliohmin shuntilla saadaan millivoltin jännite ampeeria kohti (1 mV/A).
Yleismittari on laite, jolla voidaan mitata sähkövirtaa jännitteen ja vastuksen lisäksi. Yleismittarissa virran mittaus perustuu herkkään virta- tai jännitemittariin.
Vaihtovirtaa voidaan mitata virtamuuntajilla. Pihtivirtamittarin toiminta perustuu virtaa kuljettavan johtimen ympärille muodostuvan magneettikentän mittaamiseen: pihti toimii muuntajan sydämenä, pihdin sisällä oleva johdin toimii muuntajan ensiönä ja mittarin sisällä on toisiokäämitys.
On olemassa myös magnetoresistiivisiä virta-antureita.