Jännite

Sähköinen jännite (tunnus U, lat. urgere), eli kahden pisteen välinen sähköinen potentiaaliero (ΔV, joskus etenkin amerikkalaisessa tekstissä lyhyesti V), määritellään varatun hiukkasen, näiden pisteiden välillä vallitsevan potentiaalienergiaeron ja hiukkasen varauksen suhteena. ^[1]^[2]

Yhtäpitävästi kahden pisteen välinen potentiaaliero voidaan määritellä staattisen sähkökentän voimakkuuden integraaliksi näiden pisteiden välillä vastakkaismerkkisenä.^lähde?

SI-järjestelmässä jännitteen yksikkö on voltti, jonka symboli on V. Voltti on johdannaisyksikkö, joka voidaan esittää myös muodossa J/C, missä J on energian yksikkö joule ja C varauksen yksikkö coulombi. Toinen muoto voltille on W/A, missä W on tehon yksikkö watti ja A virran yksikkö ampeeri. Yhden voltin jännite aiheuttaa yhden ampeerin virran yhden ohmin vastuksen läpi. Tämä riippuvuus tunnetaan Ohmin lakina.

Tasa- ja vaihtojännite

Tasajännite on vakiona pysyvä jännite, kun taas vaihtojännitteessä jännite vaihtelee positiivisen ja negatiivisen huippuarvon välillä. Positiivinen ja negatiivinen huippuarvo eivät välttämättä ole itseisarvoiltaan yhtäsuuret eli niiden keskikohta ei välttämättä osu nollaan volttiin.

Vaihtojännitteenä käytetään yleensä siniaaltoa. Muita vaihtojännitteitä ovat kantti- ja kolmioaalto. Vaihtojännitteen tehollisarvolla tarkoitetaan tasajännitettä, joka antaisi kuormaan saman tehon kuin kyseinen vaihtojännite. Tehollisarvo lasketaan vaihtojännitteestä RMS-keskiarvostamalla. Sinimuotoisen vaihtojännitteen tehollisarvo on jännitteen huippuarvo jaettuna kahden neliöjuurella.

Kotitaloussähkö on sinimuotoista kolmivaihevaihtovirtaa, jonka tehollisarvo on nykyään 230 V vaiheen ja nollan välillä. Pääjännite on 400 V (jännite kahden vaiheen välillä). Ennen jännitemuutoksia kyseessä olevat jännitteet olivat 220 V ja 380 V.

Paristojen jännitteet ovat tasajännitteitä ja arvoltaan yleensä välillä 1,5–9 V. Pariston napojen välinen jännite pysyy käytännöllisesti katsoen vakiona, niin kauan kuin sen sähkökemialliset reaktiot jatkuvat eli paristo ei ole lopussa. Ajoneuvojen akkujen jännitteet ovat yleensä joko 12 V (henkilöautot) tai sarjaan kytkettyjen akkujen jännite 24 V (raskaat ajoneuvot). Paristojen ja akkujen miinus- ja plusnavan välillä olevan jännitteen ansiosta virta alkaa kulkea, kun paristo kytketään laitteeseen tai virtapiiriin. Tällöin elektronit pyrkivät tasoittamaan napojen välisen potentiaalieron.

Yleensä alle 50 V jännitteet ovat ihmiselle vaarattomia suoraan kosketeltaessa (pienoisjännitelaitteet). Siitä huolimatta matalammatkin jännitteet voivat oikosulkutilanteessa aiheuttaa suuren virran ja tätä kautta välillisesti kuumenevista komponenteista palovammariskin (esimerkkinä auton akun oikosulkeminen jakoavaimella).

Jännitteen mittaaminen

Jännitettä voidaan mitata muun muassa yleismittarilla. Kiertokäämimittarissa virta kulkee käämin läpi ja aiheuttaa kestomagneetin kentässä voiman, joka kääntää mittarin osoitinta. Digitaalimittarissa mitattava jännite muutetaan analogia-digitaalimuuntimella numeroiksi, jotka näytetään näyttölaitteella. Suurin osa yleismittareista soveltuu sekä tasajännitteen että 50 Hz vaihtojännitteen mittaamiseen. Vaihtojännitteitä mitattaessa yleismittarilla saadaan mitatuksi jännitteen tehollisarvo tai huippuarvo riippuen mittarista.

Ajan funktiona jännitettä voidaan mitata oskilloskoopilla tai jännitteen vaihetta piirianalysaattorilla. Tällöin saadaan mitattua myös vaihtojännitteitä ja niiden muutos ajan funktiona nähdään oskilloskoopin näytöllä.

Kohteita, joissa voi olla noin 35 V jännite tai yli, saa mitata vain asiantunteva henkilö tällaisiin mittauksiin sopivin mittalaittein ja mittajohdoin, koska suuremmat jännitteet voivat aiheuttaa hengenvaarallisen virran kehon läpi.^[3]

Laskennallinen tarkastelu

Jännite lasketaan potentiaalierona kahden pisteen $a\,\!$ ja $b\,\!$ välillä. Jos pisteiden välillä vallitseva sähkökenttä $\mathbf {E}$ tunnetaan, saadaan jännite laskettua viivaintegraalina sähkökentän yli:

U_{ab}=V_{a}-V_{b}=\int _{a}^{b}\mathbf {E} \cdot d\mathbf {l} .

Sähkökentän ollessa vakio ja pisteiden välisen paikkavektorin suuntainen, saadaan kaava yksinkertaistettua muotoon

U_{ab}=Ed,

missä $E$ on sähkökentän suuruus ja $d$ pisteiden välinen etäisyys.

Katso myös

Lähteet

↑ Etälukio, Opetushallitus (Arkistoitu – Internet Archive)
↑ Kimmo Silvonen: Sähkötekniikka ja piiriteoria, s. 19. Helsinki: Otatieto, 2009. ISBN 978-951-672-362-7
↑ EN-61010-1 Sähkölaitteet mittaus-, säätö-, laboratoriokäyttöön osa 1 yleiset vaatimukset, 1996, painos 2. Luku 6.3.2 "Arvot yhden vian tapauksessa": suurin pitkäkestoinen kosketeltava jännite yhden vian tapauksessa saa olla märissä olosuhteissa 35 V vaihtojännitettä.

Kirjallisuutta

Lindell, Ismo; Sihvola, Ari: Sähkömagneettinen kenttäteoria 1. Staattiset kentät. Helsinki: Otatieto, 2013. ISBN 978-951-672-354-2
Voipio, Erkki: Sähkö- ja magneettikentät. (Moniste 381) Espoo: Otakustantamo, 1987. ISBN 951-672-038-2

Aiheesta muualla

Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Jännite Wikimedia Commonsissa

[1] Etälukio, Opetushallitus (Arkistoitu – Internet Archive)

[2] Kimmo Silvonen: Sähkötekniikka ja piiriteoria, s. 19. Helsinki: Otatieto, 2009. ISBN 978-951-672-362-7

[3] EN-61010-1 Sähkölaitteet mittaus-, säätö-, laboratoriokäyttöön osa 1 yleiset vaatimukset, 1996, painos 2. Luku 6.3.2 "Arvot yhden vian tapauksessa": suurin pitkäkestoinen kosketeltava jännite yhden vian tapauksessa saa olla märissä olosuhteissa 35 V vaihtojännitettä.

[1]

[2]

[3]