Jännite – sähköinen potentiaaliero: voltti, tasajännite ja vaihtojännite
Ymmärrä jännite: sähköinen potentiaaliero, voltin merkitys sekä tasaja- ja vaihtojännitteet käytännössä — perusteet, laskut ja turvallisuus helposti selitetty.
Jännite saa sähkövaraukset liikkumaan. Se on sähköinen potentiaaliero kahden pisteen välillä ja toimittaa "työntövoiman", joka saa varaukset liikkumaan johdossa tai muussa sähköjohtimessa. Jännite ei itsessään ole mekaaninen voima, mutta se voi aiheuttaa voiman vaikutuksesta tapahtuvan liikkeen; varausten liike on sähkövirtaa, joten jännite voi aiheuttaa virran kulun.
Määritelmä ja yksikkö
Sähköinen potentiaaliero on tieteellinen termi, jota yleiskielessä kutsutaan usein jännitteenä tai epävirallisesti "potentiaalieroksi". Tietyissä yhteyksissä käytetään myös käsitettä sähkömotorinen voima (EMF), erityisesti kun puhutaan jännitelähteistä kuten paristoista tai generaattoreista.
Jännitteen yksikkö on voltti (symboli V), nimetty Alessandro Voltan mukaan. Yksi voltti vastaa yhtä joulea per coulomb, eli määritelmällisesti jännite kertoo, kuinka paljon energiaa siirtyy yhtä varausyksikköä kohden. Tämä voidaan esittää myös kaavana:
V = W / q, missä W on työn (energia) määrä jouleina ja q on varaus coulombeina.
Mittaaminen ja symbolit
Teknisesti jännite mitataan aina kahden pisteen välisten potentiaalierona, esimerkiksi pariston positiivisen ja negatiivisen navan välillä, johdon ja maan välillä tai kahden pisteen välillä virtapiirissä. Esimerkiksi kotitalouksissa käytettävä pistorasia antaa usein jännitteen, joka mitataan johdosta maahan. Yhdysvalloissa tavanomainen kotitalousjännitteen arvo on noin 120 V (linjasta maahan).
On tärkeää erottaa yksikkö voltti ja itse jännite. Voltti on mittayksikkö (kirjoitetaan symbolilla V), jännitteen suuruutta merkitään esimerkiksi 9 V tai 230 V. Kun jännite esiintyy kaavoissa, muuttujana voidaan käyttää kursivoitua kirjainta (esim. V tai v). Sähköinsinöörit käyttävät joskus myös symbolia e {\displaystyle e}
kuvaamaan jännitettä tai EMF:ää.
Alkuperäisessä tekstissä esiintyviä esimerkkejä ja symbolikuvauksia:
EMF vs. napajännite ja sisäinen resistanssi
Pariston tai generaattorin antama avoimen piirin jännite kutsutaan usein sähkömotoriseksi voimaksi (EMF). Kun kuorma (vastus) kytketään, lähteen napajännite voi pienentyä sisäisen resistanssin takia. Tästä saadaan käytännössä usein kaava:
U_terminal = EMF − I · r_int, missä r_int on lähteen sisäinen resistanssi ja I on kuormavirta.
Tasajännite (DC) ja vaihtojännite (AC)
Jännitteitä on kahdenlaisia pääosin:
- Tasajännite (DC) pysyy ajan suhteen samansuuntaisena (eli sama napaisuus). Esimerkkejä ovat paristot (1,5 V, 9 V) ja tasasuuntaajat.
- Vaihtojännite (AC) vaihtaa napaisuuttaan säännöllisesti. Kotitalouksien verkkovirta on vaihtojännitettä: taajuus on tyypillisesti 50 Hz Euroopassa ja 60 Hz Yhdysvalloissa, mikä tarkoittaa että jännite vaihtuu napaisuutensa 100 tai 120 kertaa sekunnissa (ylöspalautukset + alaspalautukset huomioiden). AC:ssä käytetään usein RMS‑arvoa kuvamaan tehokasta jännitettä (esim. 230 V RMS Euroopan verkkovirrassa), ja huippuarvo (peak) on RMS‑arvoa suurempi (peak ≈ RMS × √2).
Sähköenergia, teho ja työ
Jännite kertoo, kuinka paljon energiaa siirtyy yhtä varausyksikköä kohden. Jos varauksen q siirtäminen pisteestä A pisteeseen B vaatii työmäärän W, potentiaaliero V = W/q. Sähköteho P saadaan kaavalla P = V × I, missä I on virta. Sekä jännite että virta tarvitaan, jotta voidaan siirtää tehoa tai kuluttaa energiaa kuormassa.
Mittaaminen, referenssi ja potentiaalin absoluuttisuus
Jännitettä mitattaessa käytetään aina kahta napaa: voltmetrin johtoja kytketään kahteen mitattavaan pisteeseen. Sähköpotentiaalia yksittäistä arvoa ei voida mitata absoluuttisesti ilman vertailupistettä — mitataan aina potentiaaliero. Maadoitus toimii usein yhteisenä referenssipisteenä (0 V), mutta jokin piiri voi olla "erillinen" tai "eristetty" ja siten "leijua" maanpotentiaalista.
Turvallisuus ja käytännön huomioita
Vaikka jännite voi olla suuri (esim. 12 kV tai 16 kV sähkölinjat), ei välttämättä tapahdu vahinkoa, ellei virtapiiri saa muodostettua kulkutietä virralle. Linnut voivat istua korkeajännitelinjalla kuolemattomasti, koska niiden ruumis ei muodosta maadoitettua polkua virralle. Silti ihmisten ja eläinten kohdalla jännite voi olla hengenvaarallinen, koska keho johtaa virtaa ja virran suuruus riippuu myös kontaktin ja kehon resistanssista. Turvallisuus perustuu siis sekä jännitteeseen että mahdolliseen virtaan.
Yleisiä käytännön jännitearvoja: paristot 1,5 V (AA), 9 V (pienparisto), autoakun nimellisjännite noin 12 V, kotitalousverkot 230 V RMS (Eurooppa) tai 120 V (USA), tehomuuntajat ja teollisuuslaitteet voivat olla paljon suurempia.
Loppuyhteenveto
Jännite on sähköinen potentiaaliero, joka kuvaa energiaa per varausyksikkö ja mitataan volteissa (V). Jännite on välttämätön, mutta ei yksinään riittävä ehto tehon siirtoon — tarvitaan myös suljettu reitti, jotta virta voi kulkea. Erottelut kuten EMF vs. napajännite, tasajännite vs. vaihtojännite ja sisäisen resistanssin vaikutus ovat tärkeitä ymmärtää käytännön sähkö- ja elektroniikkasovelluksissa.
Suurjännitekaapelin liittäminen
Määritelmä
Jännite on sähköpotentiaalin muutos kahden paikan välillä
tai sähköpotentiaalienergian muutos coulombia kohti kahden paikan
välillä.
V = Δ ( E P E / q ) = ( E P E / q ) 2 - ( E P E / q ) 1 {\displaystyle V=\Delta (EPE/q)=(EPE/q)_{2}-(EPE/q)_{1}}} 
Jossa V=jännite, EPE=sähköpotentiaalienergia, q=lataus, ∆=ero.
Maadoitusjännite
Jännite mitataan aina kahden pisteen välillä, joista toista kutsutaan usein "maadoitukseksi" tai nollavolttipisteeksi (0V). Useimmissa vaihtosähköasennuksissa on yhteys maahan. Yhteys todelliseen maahan tehdään vesijohdon, maahan upotetun tai maahan lyötävän maadoitussauvan tai maan alle upotetun sopivan metallijohtimen (ei kaasuputken) kautta. Tämä yhteys tehdään sähköjärjestelmän sisääntulokohdassa rakennukseen, jokaisessa pylväässä, jossa on muuntaja kadulla (usein sähkötolpassa), ja muissa paikoissa järjestelmässä. Jännitteen mittauksessa käytetään vertailupisteenä koko maapalloa. Rakennuksessa tämä maadoitus viedään jokaiseen sähkölaitteeseen kahdella johdolla. Toinen on "maadoitusjohdin" (vihreä tai paljas johto), ja sitä käytetään suojamaadoituksena laitteiden metalliosien liittämiseksi maahan. Toista johtoa käytetään yhtenä sähköjohtimena järjestelmän virtapiireissä, ja sitä kutsutaan "nollajohtimeksi". Tämä maadoitettu johdin täydentää kaikki virtapiirit johtamalla sähkölaitteista tulevan virran takaisin järjestelmän sisääntulopisteeseen rakennuksiin ja sitten muuntajaan, joka on yleensä kadulla. Monissa paikoissa rakennusten ulkopuolella ei tarvita johtoa, joka täydentäisi virtapiirit ja veisi virran rakennuksista generaattoreihin. Paluupolku, joka kuljettaa kaiken virran takaisin, on itse maa.
Tasavirtapiireissä generaattorin tai akun negatiivista päätä kutsutaan usein "maadoitukseksi" tai nollavolttipisteeksi (0V), vaikka yhteys maahan voi olla tai olla olematta. Samalla piirilevyllä (PCB) voi olla useita maadoituksia, esimerkiksi herkissä analogisissa piireissä piirin osa voi käyttää "analogista maata" ja digitaalisessa osassa on "digitaalinen maa".
Sähkölaitteissa 0 voltin piste voi olla metallialusta, jota kutsutaan alustamaaksi, tai yhteys varsinaiseen maahan, jota kutsutaan maadoitukseksi, ja kummallakin on oma symbolinsa, jota käytetään sähkökaavioissa (piiripiirustuksissa).
Mittaustyökalut
Jännitteen mittaamiseen käytetään muun muassa jännitemittaria ja oskilloskooppia.
Volttimittari mittaa kahden pisteen välistä jännitettä, ja se voidaan asettaa DC- tai AC-tilaan. Volttimittari voi mitata esimerkiksi pariston tasajännitettä (tyypillisesti 1,5 V tai 9 V) tai seinän pistorasiasta tulevaa vaihtojännitettä (tyypillisesti 120 V).
Monimutkaisempia signaaleja varten voidaan käyttää oskilloskooppia tasa- ja/tai vaihtojännitteen mittaamiseen, esimerkiksi kaiuttimen yli tulevan jännitteen mittaamiseen.
Potentiaaliero
Jännite tai potentiaaliero pisteestä a pisteeseen b on jouleina ilmaistu energiamäärä (sähkökentän seurauksena), joka tarvitaan yhden coulombin positiivisen varauksen siirtämiseen pisteestä a pisteeseen b. Negatiivinen jännite pisteiden a ja b välillä on jännite, jossa 1 coulombin energia tarvitaan negatiivisen varauksen siirtämiseen pisteestä a pisteeseen b. Jos varattua kohdetta ympäröi tasainen sähkökenttä, negatiivisesti varatut kohteet vetäytyvät kohti korkeampia jännitteitä ja positiivisesti varatut kohteet vetäytyvät kohti matalampia jännitteitä. Kahden pisteen välinen potentiaaliero/jännite on riippumaton pisteestä a pisteeseen b kuljetun matkan pituudesta. Näin ollen jännite pisteestä a pisteeseen b + jännite pisteestä b pisteeseen c on aina yhtä suuri kuin jännite pisteestä a pisteeseen c. Näin ollen jännite pisteestä a pisteeseen c on aina yhtä suuri kuin jännite pisteestä a pisteeseen c.
Kysymyksiä ja vastauksia
Q: Mitä on jännite?
V: Jännite on sähköinen potentiaaliero, kahden paikan välinen sähköpotentiaaliero. Sitä voidaan pitää voimana, joka saa varaukset liikkumaan johdossa tai muussa sähköjohtimessa.
K: Mitä yksikköä käytetään jännitteen mittaamiseen?
V: Jännitteen mittayksikkö on voltti. Tämän yksikön symboli kirjoitetaan isolla V-kirjaimella (9V).
K: Miten jännite aiheuttaa virtaa?
V: Jännite voi saada varaukset liikkumaan, ja koska liikkuvat varaukset aiheuttavat virran, jännite voi aiheuttaa virran.
K: Kuka oli Alessandro Volta ja miksi voltti nimettiin hänen mukaansa?
V: Alessandro Volta oli italialainen fyysikko, joka keksi ensimmäisen pariston vuonna 1800. Voltti nimettiin hänen mukaansa kunnianosoituksena hänen panoksestaan tieteelle.
K: Ovatko voltti ja jännite kaksi eri asiaa?
V: Kyllä, voltit ovat yksiköitä, joilla mitataan jotakin, kun taas jännite viittaa siihen, mitä näillä yksiköillä mitataan.
K: Minkälaisia jännitteitä on olemassa?
V: Jännitteitä on kahta eri tyyppiä - DC (tasavirta) ja AC (vaihtovirta). Tasajännitteellä on aina sama napaisuus, kun taas vaihtojännite vaihtelee positiivisen ja negatiivisen napaisuuden välillä.
K: Voivatko linnut laskeutua suurjännitelinjoille vahingoittumatta?
V: Kyllä, linnut voivat laskeutua korkeajännitelinjoille, kuten 12 kV:n ja 16 kV:n linjoille, ilman että ne kuolevat, koska niissä on oltava sekä jännite että virta, jotta teho (energia) voi siirtyä niiden läpi - jos vain toinen elementti on läsnä, mitään ei tapahdu.
Etsiä