Töö nr. 4. Alalis- ja vahelduvvool. Elekter igapäevaelus. Mõõtmine universaalmõõturiga (testriga). Versioon 2015 Elektrivooluks nimetatakse elektrilaengute suunatud (korrapärast) liikumist juhis. Et elektrivool saaks tekkida, peab juhi keskkonnas leiduma piisavalt rohkem või vähem vabu laengukandjaid (nt. elektrone, ioone). Head juhid on näiteks metallid, kus elektrilaengute kandjaks on kristallvõre ioonide vahel asetsevad vabad elektronid. Elektrivoolu iseloomustavad pinge ehk potentsiaalide vahe juhi otstel (U mõõtühik volt (V)) ja voolutugevus (I mõõtühik amper (A)) ehk laengu liikumise kiirus (ajaühikus mingit juhi ristlõiget läbinud laeng). Kui pinge kahe punkti vahel (nt. patarei klemmide vahel) võib olemas olla ka ilma elektrivooluta, siis voolutugevus juhis saab nullist erineda mõistagi ainult juhul, kui seal on tekitatud elektrivool. Reeglina pole laengukandjate liikumine juhtivas keskkonnas siiski päris vaba, näiteks metallides segab vabade elektronide ümberpaiknemist metalliioonide soojuslik võnkumine ümber oma tasakaaluasendite. Suuremat osa lihtsamaid juhte (sh metalljuhtmeid, takisteid) saab elektriliselt iseloomustada suurusega, mida nimetatakse takistuseks (R mõõtühik oom (Ω)). Sel juhul seob voolutugevust juhis ja pinget juhi otstel omavahel Ohmi seadus: I = U R. (1) Ehk siis: juhti läbiv vool on seda tugevam, mida kõrgem on rakenduv pinge (potentsiaalide vahe) ja mida väiksem on juhi takistus elektrivoolule. Ohmi seadust võiks illustreerida lihtsamini ette kujutatava veevärgi-analoogiaga, kus pingena võime vaadelda näiteks vee rõhku maja veevarustustorustikus (täpsemini selle rõhu ja atmosfäärirõhu vahet) ja reguleeritava takistusena veekraani. Voolutugevusele vastaks sel juhul vee väljavoolu mahtkiirus kraanist (nt. liitrit/s). On selge, et kraani avamisel (takistuse vähendamisel) see suureneb, ja suureneks ilmselt ka siis, kui meil õnnestuks kuidagi rõhku torustikus suurendada (pinget kasvatada). Takistus võib sõltuda ka muudest parameetritest, näiteks juhi temperatuurist. Metallides ioonide võnkeamplituud temperatuuri kasvades suureneb, seega võib eeldada, et takistus kasvab. Seda näeme ka katsetest. On aga ka vastupidiseid juhuseid, näiteks pooljuhtides tekib laengukandjatena toimivaid vabu elektrone temperatuuri kasvades järjest juurde, mistõttu takistus hoopis kahaneb. Selline sõltuvus annab võimaluse konstrueerida temperatuurist sõltuva takistusega nn. termotakisteid, mida saab kasutada temperatuuri mõõtmiseks. Voolu töö on elektrivälja jõudude töö laengute ümberpaigutamisel. See võrdub ühtlasi ka protsessi käigus vabanenud energiaga, mis juhtmes või takistis läheb tavaliselt lihtsalt üle soojuseks (nt. hõõg- ja muudes lampides vähesel määral ka valgusenergiaks), aga erinevates seadmetes võib teha muudki kasulikku. Võimsus on tehtud töö hulk ajaühikus. Elektrivoolu võimsus (N) avaldub pinge ja voolutugevuse kaudu järgnevalt: N =U I. (2) Võimsust mõõdetakse vattides (W). Kodudes kasutatavatel elektriseadmetel peab nende võimsus olema tuvastatav. Teades pinget ning seadme võimsust, saate leida seadet läbiva voolu. Kodudes on enamasti 16- amprised automaatkaitsmed. Mitut seadet korraga sisse lülitades peab jälgima, et summaarne vool kaitsme nimivoolu ei ületaks. Voolu töö (A) avaldub: A=U I t, (3) kus t on aeg. Töö põhiühikuks on džaul (J), igapäevaselt kasutatakse sagedamini aga mõõtühikut kilovatttund (kwh). See on mõõtühik ka elektrienergia hinna aluseks. Elektripliit võimsusega 2 kw tarbib tunnis 2 kwh elektrienergiat, seega, kui tariif on näiteks 10 eurosenti / kwh, peate maksma 20 senti. Vooluallika puhul on oluline teada, kas tegu on alalis- või vahelduvvooluga. Alalisvoolu (ingliskeelne lühend DC (direct current), leppemärk ) puhul on kahe traadi (pooluse) vahel kogu aeg samasuunaline ja sama suur potentsiaalide vahe. Alalisvoolu allikateks on näiteks galvaanielemendid (patareid) ja akud. Seinakontaktis on aga vahelduvvool (ingliskeelne lühend AC (alternating current), leppemärk ~ ). Seal muudab traatidevaheline pinge perioodiliselt (siinusekujuliselt) oma suurust ja suunda, 1
Euroopas 50 korda, Ameerikas 60 korda sekundis. Vahelduvvoolu sagedust mõõdetakse hertsides (Hz) ehk võngetes sekundis (Euroopa ja Ameerika võrgusagedused siis seega vastavalt 50 Hz ja 60 Hz). Vahelduvvoolu pingest rääkides mõeldakse selle all enamasti nn. efektiivpinget, s.o. pinget, mis alalisvoolu korral arendaks vooluahelas sama suurt võimsust nagu kõne all olev vahelduvvool; pinge amplituud- (maksimum-)väärtus on sellest = 1.414 korda suurem (vt. joonist 1). Euroopas on tavalises toa seinakontaktis efektiivpinge 220 V, USAs 110 V. Kahejuhtmelises seinakontaktis on üks traat tegelikult maaga ühendatud (nulljuhe) ja teises traadis vaheldub pinge maa suhtes (faasijuhe). Põhjus, miks vooluvõrgus just vahelduvvoolu kasutatakse, on ühest küljest selles, et teda on generaatorite abil kõige lihtsam toota näiteks kui püsimagneti ümber panna pöörlema raamikujuline mähis (lihtne generaatori mudel), siis indutseeritakse seal just selline siinusekujuliselt muutuv pinge. Teisest küljest on vahelduvvoolu võimalik mitmetes rakendustes otstarbekamalt kasutada kui alalisvoolu, näiteks trafo abil pinget suurendada või vähendada (suure pinge ülekandekaod liinides on väiksemad, samas tarbijale tuleb anda ohutut pinget), elektrimootoreid käivitada jne. Mõneti lihtsustab tarbija jaoks olukorda seegi, et pole vaja muretseda ühenduse õige polaarsuse pärast ja enamasti võib pistiku kontakti torgata ükskõik kumba pidi. Elektripaigaldustöödel tuleb faasi- ja nulljuhet siiski eristada, nt. lüliti tuleb alati panna faasijuhtme peale. Uuemates, nn. europistikutes lisaks kahele eelpool kirjeldatud kontaktile veel kolmas, täiendav maaühendus (klemmid süvendi kahel vastasküljel). Elektririista poolt ühendatakse see korpusega ohutustehnilistel kaalutlustel. Kui korpus on hästi maandatud, siis ka korpust juhuslikult puutuv faasitraat ei saa korpuse pinget maa suhtes muuta, see jääb ikka nulliks. Juhtub hoopis see, et faasist maandusesse suunduv vool kasvab väga suureks (takistus on nüüd väike) ja voolu piirav kaitse põleb läbi. Faasijuhtmetes on alati kaitsmed, mis kas katkestavad voolu magnetlülitite abil (automaatkaitse) või on seal peenike traat, mis läbi põleb (sulavkaitse). Ilma lisamaanduse olemasoluta võib aga seadme korpus pinge alla sattuda ja õnnetuse põhjustada. Kolmefaasiline vool. Elektrijaamast meieni jõuavad tegelikult kolm faasijuhet, milles on igaühes samasugune vahelduvpinge, ainult faasis 120 nihutatud. Seega, kui üks siinus on nullis, on teine asendis 120 ja kolmas asendis 240 (vt. joonist 1). Kuigi iga siinuse ja maa vaheline efektiivpinge on 220 V, on siinuste omavaheline efektiivpinge 380 V, sest kui üks on positiivne, võib teine samal ajal negatiivne olla. Kolmefaasilist voolu on hea kasutada nt. mootorite käivitamiseks, sest faasis nihutatud (ringil pöörlevad) pinged panevad ka mootori samas suunas ringi pöörlema. Lihtsalt positiivse-negatiivse väärtuse vahel kõikumine (l faas) ei määra pöörlemise suunda, seega ühefaasilistel mootoritel on startimine raske ja vajab eriabinõusid. Kolmefaasiline vool on oma kõrge faaside vahelise pinge tõttu eriti ohtlik. Vastav pistik on nelja Pinge / V 600 500 400 300 200 100 0-100 -200-300 -400-500 Faas 1 Faas 2 Faas 3 Faas 1 - Faas 2-600 0 10 20 30 40 Aeg / ms Joonis 1. 50 Hz 3-faasilise vahelduvpinge ostsillogramm. Üksikute faaside efektiivpinge maa suhtes on 220 V (tähistatud pideva rõhtjoonega). Faaside omavaheline pinge (punktiir) võngub suurema amplituudiga, tema efektiivväärtus on 380 V (punktiirrõhtjoon). kontaktiga, neist kolm on ühendatud faasidega, neljas on maandatud (nulljuhe). Uuematel pistikutel on lisandunud ka viies, lisamaanduse kontakt, nagu ühefaasilistel europistikutelgi. Pinget, voolu ning takistust saab mõõta kombineeritud mõõteriista testriga, mida saab ümber lülitada vastavalt mõõdetavale suurusele ja kasutatavale skaalale. Pinge mõõtmiseks tuleb mõõturi klemmid ühendada vooluallika klemmidega (vm. kahe punktiga, mille vahelist pinget tahetakse mõõta), nii et allika pinge rakenduks mõõturile (joonis 2). Alalispinge puhul 2
tuleb jälgida, et mõõdiku polaarsus ( + ja ) vastaks mõõdetava pinge polaarsusele (nt. voltmeetri + klemm ühendada vooluallika + -ga). Vale polaarsuse korral analoogmõõteriistaga mõõta ei saa (osuti kisub vastassuunas), digitaalmõõteriist annab lihtsalt negatiivse näidu. Vahelduvvoolu puhul jälgida, et mõõdik oleks seatud vahelduvvoolu mõõtmisele, vastasel korral näitab mõõteriist nulli. Jälgida samuti, et valitud skaala ulatus (mõõdiku tundlikkus) vastaks mõõdetava pinge suurusele. Kui pinge ei ole umbeski ette teada, siis alustada katsetamist suuremate (tuimemate) skaaladega ja liikuda madalamate (tundlikumate) skaalade suunas. Pinget mõõtev riist tarbib ise teatud määral voolu mõõdetavast allikast. Mõõteriistad on seda paremad, mida vähem nad mõõtmiseks voolu tarbivad. Kuna voolu tarbimise määrab valem (1), siis see tähendab, et paremate voltmeetrite enda takistus (nn. sisetakistus) on suurem. Voolu mõõtmiseks tuleb uuritav vooluahel katkestada punktis, mida läbiv voolutugevus meid huvitab, ühendada mõõteriist katkestatud kohale ja lasta mõõdetav vool mõõteriistast läbi joosta (joonis 2). Siin kehtivad samad reeglid alalis-/ vahelduvvoolu ja mõõtepiirkondade valimisel nagu pinge mõõtmise puhulgi. Kuna voolumõõteriist on ahelas järjestikku ja teda läbib kogu mõõdetav vool, siis ei tohi ta ise voolule märgatavat lisatakistust avaldada, seega peab ta olema, vastupidiselt pingemõõturile, väga väikese sisetakistusega. Sagedaseim testrite purunemise põhjus on see, et tester unustatakse voolu mõõtmise režiimi ja hakatakse võrgupinget mõõtma, ühendades testri juhtmed võrgupistikusse. Tulemusena lühistatakse võrgujuhtmed läbi väikese voolumõõturi takistuse. See nõrk peenike ühendus põleb momentselt läbi ja tester on rikutud (tõsi küll, enamasti on testril ka liigvoolukaitse). Takistuse mõõtmiseks kasutab tester oma sisemist vooluallikat, sest takistust määratakse mõõtes, kui suur vool tekib kindla pingega allika ühendamisel tundmatu takistusega. Testri vooluallikaks on patarei. Analoogtestril takistuse mõõtmiseks ühendatakse testri otsad kõigepealt kokku (nulltakistus) ja reguleeritakse sisemist muuttakistit (reostaati) nii, et tester näitaks nulli. Kuna nii mõõtes on osuti hälve analoogtestril tegelikult võrdeline vooluga, see aga on Ohmi seaduse põhjal takistusega pöördvõrdeline, siis on takistuse skaala pinge või voolu skaaladega võrreldes enamasti vastupidine ja mittelineaarne. Seega null vastab osuti maksimaalsele hälbele skaala piires. Kui testri patarei on vananenud, siis maksimaalhälvet (takistuse nulli) peale keerata ei õnnestugi ja selle testriga takistust mõõta ei saa. Takistuse leidmiseks peate skaalalt saadud väärtuse mõõtepiirkonna kordajaga läbi korrutama. Näiteks kui piirkond on x10ω ning skaalalt loete 30, siis takistus on 300 Ω. Mõnel testril on väga suurte takistuste mõõtmiseks vaja lisavooluallikat ning ilma selleta kõige tuimemaid skaalasid kasutada ei saa (osuti ei jõua nullasendisse). Digitaaltestril nullimisfunktsiooni ei ole ning peale õige piirkonna valimist võib kohe takistust mõõtma asuda. Valige selline skaala, et lugem tuleks võimalikult täpne, selleks peab skaala maksimumväärtus ületama mõõdetavat suurust võimalikult vähe. Ohutus- ja ettevaatusnõuded. Mõned elektriohutustehnika nõuded: ära katsu ühtegi isolatsioonita (paljast, läikivat) traati, mille kohta sa pole kindel, kuskohast see algab. Et kindlaks teha, kas traadis või nt. seadme metallkorpuses pole eluohtlikku pinget, kasuta indikaatorit või mõõda testriga pinget mõne maandatud eseme suhtes (veetorustik, europistiku maandusklemm, kui on teada, et see on nõuetekohaselt ühendatud). Kui traati tuleb paratamatult puudutada, siis kanna kuivi kummitaldadega jalatseid ja võta traadist kinni ühe käega, teise käega ei tohi mingit maandatud metalleset samal ajal puudutada. Ära kunagi haara traadist, vaid puuduta seda kergelt sõrmeotsaga: kui traadis on vool, ei jää sa selle külge närviblokeeringu tõttu kinni. Kasutades testrit või teisi mõõteriistu, mille traate tuleb hoida kahe käega, veendu, et traate kattev isolatsioon on kuiv ja pragudeta. Ära kasuta keedupulka ja elektriveekannu, kui käeseljaga on juba kergelt tunda, et kannu täiesti sile pind tundub karedana. See on nõrga lekkevoolu esimene tunnus. Kui keegi on elektrijuhtmete küljes kinni, ära püüa teda paljaste kätega päästa, jääd ka ise ohvriks. Leia võimalus vool välja lülitada. Meie katsetes on tegu pingetega kuni 30 V, mis ei ole löögiohtlikud. 220 V võrgupinge on neis katsetes ainult toiteploki võrgujuhtmes. Neid juhtmeid ei tohi murda ega neist tõmmata. Pistikut seinast tõmmates võtke käega alati pistiku korpusest, mitte juhtmest. Praktiline osa I. Tutvumine testriga. 1.Leidke ühe valitud digitaaltestri lülitite seisud, mis võimaldavad mõõta: 3
a) patareielemendi alalispinget 1.5 V. b) võrgu vahelduvpinget 220 V c) valgusdioodi toite alalisvoolu 15 ma d) triikraua vahelduvat toitevoolu 3A e) autoaku laadimise alalisvoolu 6A. f) soojapuhuri kütteelemendi takistust 25 oomi g) teie keha takistust 100 kilooomi Versioon 2015 Protokollige lülitite asendid (leppemärk koos maksimumväärtuse numbriga, nt. V~ 750, ADC 2m jne.) iga juhu järele samale reale. Kui tester ei võimalda suurust mõõta, märkige ka see üles. 2. Mõõtke oma keha takistus järgneval neljal juhul. Kasutage osutiga testrit (analoogtestrit). Arvutage, kui suur oleks olnud teid läbinud vool neil juhtudel, kui te oleksite hoidnud käes mitte madala pingega toidetavat oommeetrit, vaid kahte võrgujuhet. Kirjutage takistused ja vastavad voolutugevused ma-tes. a) hoides testri juhtmeotsi parema ja vasema käe kuivade sõrmedega:...kω...ma b) seesama, kuid märgade sõrmedega:...kω...ma c) ühendage metalltorud testri juhtmetega ja haarake torud tugevasti pihkudesse:...kω...ma d) niisutage käed ning mõõtke uuesti:...kω...ma NB! Igaüks mõõdab iseenda takistusi! 3. Põhjus, miks arvutada voolutugevusi läbi keha, on see, et elektrilöögi tugevuse määrab otseselt teid läbiv voolutugevus, mitte pinge. Viimane määrab voolu vastavalt takistusele. Vool alla 1 ma pole tuntav, nõrk löök on tunda voolust üle 1 ma, tugev närve blokeeriv löök üle 5 ma (ohver jääb juhtmete külge kinni) ja üle 20 ma on surmav. Kasutage eelmises ülesandes saadud tulemusi, leidke, millisesse kategooriasse kuulub löök ( puudub, nõrk, tugev või surmav ), mis saadakse: a) hoides ühe käega märjast veevärgitorust ja teise käega voolu alla jäänud pesumasina korpusest?... b) puudutades kuivas ruumis näpuotsaga faasijuhet?... c) kui sama juhtuks vihmase ilmaga õues?... Ülesandes 2 mõõdetud kehatakistused on ligikaudu samad, mis toodud olukordades; leidke vastavused. II. Ohmi seaduse kontrollimine. Töötava hõõglambi võimsuse ja takistuse leidmine. Töövahendid: Toiteplokk, takisti, hõõglamp, voltmeetri režiimis tester, milliampermeetri režiimis tester, ühendusjuhtmed. Töö käik: 1. Lugege takisti korpuselt, milline on tema nimitakistus ja temalt eralduv suurim lubatud võimsus: R = N = Arvutage, milline on maksimaalne pinge, mida tohib takisti otstele rakendada, et ei oleks ületatud lubatud võimsuspiir. Kasutage valemeid (1) ja (2). Pidage saadud tulemust silmas järgnevas katses. 4
U = 2. Seadke kokku joonisel 2 näidatud vooluring. Kasutage kaht digitaaltestrit; lülitage testrid õigetesse mõõterežiimidesse. Kontrollige kõik veelkord üle, näidake igaks juhuks ka juhendajale. Keerake toiteploki astmeline ja täppisregulaator minimaalsesse asendisse ning lülitage toide sisse. Muutke astmelise regulaatoriga pinget ning kontrollige, et mõõteriistad töötavad. Kui põleb tuli Ülekoormus, olete tekitanud lühise: lülitage toiteplokk välja ning kontrollige skeem uuesti üle. Kui kõik töötab, alustage mõõtmist. Joonis 2. 3. Muutke pinget sammuga 3 V (3 V, 6 V, 9 V, ) ning protokollige igas mõõtepunktis voltmeetri ja milliampermeetri näidud. Pidage meeles mitte ületada eelpool arvutatud piirpinget! 4. Ühendage takisti asemel skeemi hõõglamp ja korrake katset. Kasutage sama pingemuutmise sammu, mis takisti korral. Nüüd võite pingega minna kuni toiteploki maksimumpingeni, mis on umbes 30 V. Kandke milliampermeetri näidud tabelisse (järgmisel leheküljel). 5. Lülitage toide ja testrid välja ning ühendage juhtmed lahti. Viige üks testritest takistuse mõõtmise režiimi ja mõõtke takisti takistus testriga: R = 6. Arvutage hõõgniidi takistus ja võimsus igas mõõtepunktis. Jälgige ühikuid, mitte eksida teisendamisel. 7. Koostage kaks graafikut: Voolutugevuse sõltuvus pingest (nn. pinge-voolu tunnusjoon) - x-teljel on pinge ja y-teljel voolutugevus; Takistuse sõltuvus pingest - x-teljel on pinge ja y-teljel takistus. Mõlemale graafikule kandke kaks sõltuvust: takisti ja hõõglambi oma. Graafikute teljed peavad hakkama 0-st. Küsimused: 1. Kuidas muutusid takisti ja hõõglambi takistused pinge kasvades? Takistil, hõõglambil...... Miks? (Lugege hoolega esimest lk.! Mis lambi hõõgniidiga juhtus?)...... 2. Takisti pinge-voolu tunnusjoone kuju on mõõdetud graafiku kohaselt. Näidake/seletage, kuidas see on vastavuses Ohmi seadusega:............. 5
Takisti Hõõglamp U,V I, ma N, W R, Ω U,V I, ma N, W R, Ω Ülesanne. Vooluvõrgu majja siseneval (ühefaasilisel) liinil on 20-amprine kaitse. Liinile on ühendatud juba üks 1 kw tarbija. Kui suure võimsuseni võib keerata samale liinile ühendatud reguleeritava elektripliidi, nii et kaitsmed läbi ei põleks? (Näidake lühidalt ka arvutusi.) 6