Elekter (0)

5. Elektrodünaamika

5.1. Sissejuhatus elektriõpetusse

Elektri- ja magnetnähtused on looduses esineva ühtse elektromagnetilise vastastik ­mõju avaldumisvormid. See on inimese jaoks tähtsaim vastastikmõju. Peaaegu kõik jõud, millega inimene oma igapäevaelus kokku puutub (nt. elastsus ­jõud, hõõrdejõud, elusorganismide lihasjõud) on elektromag­neti­lise päritoluga ( erandiks on vaid kehale mõjuv raskusjõud. Aatomeid, molekule ja tahket ainet hoiavad samuti koos elektrijõud.
Elektromagnetilise vastastikmõju kaks tähtsaimat tehnilist rakendust on elektroener­geetika ning elektriline side- ja infotehnika . Elektroenergeetika tegeleb elektriener­gia saamisega (soojuse, valgusenergia , mehaanilise energia või aatomituumade seose­energia arvelt), elektri­energia ülekandega ning muundamisega inimesele vajalikuks energialiigiks. Elektri­energia on mugavaks vahelüliks loodusest ammutatava ning inimtegevu­ses kasutatava energia vahel. Elektromagnetiline side- ja info­tehnika hõlmab helides, kujutistes vms. sisalduva info esitamist elektriliste võnku­miste jadana ehk elektrisignaalina, selle signaali töötlemist, edastamist ruumis ning taasesitamist inimesele vajalikul kujul (nt. telegraaf, telefon, raadioside ja televisioon , grammofonid, magnetofonid, elektronarvuti).
Elektriõpetuse keskne mõiste on elektrilaeng . Elektrilaeng (tähis q või Q) on füüsi­kaline suurus, mis näitab, kuivõrd keha osaleb elektro­magneti­lises vastas­tikmõjus. Sõna laeng kasuta­takse enamasti kolmes eri tähenduses. Need on: 1) keha omadus osaleda elektromag­netilises mõjus, 2) füüsikaline suurus selle omaduse kirjeldamiseks (omaduse mõõdetavus), 3) aineosakeste kogum, millel on laeng kui omadus (liikuv laeng, kuskil paiknev laeng).
Looduses leidub kahte liiki laenguid, mida kokkuleppeliselt nimetatakse positiiv­se­teks ja nega­tiivseteks. Positiivseid laenguid märgitakse + märgiga, negatiivseid – märgiga. Sama­märgi­liselt laetud kehade vahel mõjub tõukejõud, erimärgiliselt laetud kehade vahel aga tõmbejõud. Laengu ühikuks SI-süsteemis on üks kulon (1 C).
Laeng ei saa olla kuitahes väike. Elementaar­laenguks e nimetatakse vähimat loodu­ses esinevat laengu väärtust
1 e = 1,6 . 10 -19 C.
Prootonil on laeng +e , elektronil –e, neutronil laeng puudub. Aatomeid hoiab koos tuuma positiivsete prootonite ja tuuma ümber liikuvate negatiivsete elektronide vahel mõjuv elektriline tõmbejõud.
Laengu jäävuse seadus väidab, et elektriliselt isoleeritud süsteemi kogulaeng on jääv suurus. Süsteem on elektriliselt isoleeritud, kui laetud osakesed ei lahku süsteemist. Laeng võib sellises süsteemis tekkida ja kaduda vaid paarikaupa (+q ja –q üheskoos).
Laengu jäävuse seadust võib ka tõlgendada kui maailma üldise keskmise neutraalsuse seadust. Mingi keha laadumisega kaasneb vastupidise märgiga laengu ilmumine tei­sele kehale. Kehad elektriseeruvad omavahelisel kontaktil seetõttu, et laengukandjad lähevad ühelt kehalt teisele üle.

5.2. Elektrilaengute vastastikmõju

Laetud kehade vahel mõjuv elektrijõud sõltub kehade vahekaugusest. Ühe laetud keha eri osad võivad aga olla teisest kehast erinevatel kaugustel. Seetõttu saab elektrijõu suurust (jõuvektori moodulit) määrava seaduse ( Coulomb ’i seaduse) rangelt sõnastada vaid punktlaengute kohta. Punktlaenguteks nime­tatakse laetud kehi, mille mõõtmed on tühiselt väikesed võrreldes nende vahe­kaugu­sega. Punkt­laeng on keha mudel, mille korral keha laengut võib vaadelda koondununa ühte punkti analoogiline mudel on kasutusel mehaanikas : punktmass).
Coulomb'i seadus: Kaks punktlaengut q1 ja q2 mõjutavad teineteist jõuga, mis on võrdeline nende laengute korrutisega ja pöördvõrdeline laengute­vahelise kauguse r ruuduga
Jõud on suunatud piki laen­guid ühendavat sirget. Jõu suunda võib kirjeldada märgiga arvväärtuse ees. Tõukejõudu loetakse kokkuleppeliselt positiivseks (laen­gud samamärgilised, nende kor­rutis positiivne), tõmbejõudu aga negatiivseks (laen­gud erimärgilised, korrutis nega­tiivne). Võrde­teguri k väärtus oleneb kasutatud mõõtühikute süsteemist.
Coulomb'i seadus on sarnane gravitatsiooni seadusele: F = G m1m2/r2. Ilmselt kajastab see mingit looduse omapära. Millist, see selgub peagi.

5.3. Elektriväli

Väli on reaalsuse vorm, mille vahendusel üks keha mõjutab teist. Välja olemasolu tähendab jõu tekki­mise võimalikkust. Selle rõhutamiseks kasutatakse ka sõna jõuväli. Öeldes, et mingit ruumi osa täidab elektriväli, väidame tegelikult, et kui me paigu ­tame sinna laetud keha, siis hakkab sellele kehale mõjuma elektrijõud. Elektriväli on elektriliselt laetud keha poolt tekitatav jõuväli.
Aine ja välja kui mateeria kahe põhivormi tähtsaimad ühis­jooned on järgmised:

Aine ja väli võivad neisse kätketud energia ulatuses teineteiseks muunduda.

Nii ainel kui väljal on vähimad portsjonid (ainel algosa­kesed, väljal kvandid).
Aine ja välja olulisemad erinevused on aga järgmised:

Erinevad aineosakesed samas ruumipunktis olla ei saa (nad ei mahu korraga sinna) , väljad aga saavad. Vastavad jõud liituvad vektoriaalselt. Selles seis­nebki väljade superpositsiooniprintsiip .

Aineosakestel on kindlad mõõtmed, väljal neid ei ole. Väli ulatub välja tekitavast kehast kaugusele, milleni on suutelised oma eluea jooksul jõudma vaadeldavat vastastikmõju vahendavad osakesed (välja kvandid).
Mingile laetud kehale elektriväljas mõjuv jõud sõltub selle keha laengust. Jõu ja laengu suhe (ehk ühikulise laenguga kehale mõjuv jõud) aga ei sõltu enam proovikeha laengust ning iseloomustab elektrivälja antud punktis. Seda suhet nimetatakse elektrivälja tugevuseks. Elektrivälja tugevus E näitab, kui suur jõud mõjub selles väljas ühikulise positiivse laenguga keha­le
Elektrivälja tugevus on vektoriaalne (suunaga) suurus ja teda võib lühidalt nimetada E-vektoriks. E- vektor on alati suunatud posi­tiiv­selt laetud kehast eema­le ja nega­tiivselt laetud keha poole (plussilt miinusele). Definitsioonivalemi kohaselt on elektri­välja tugevuse ühikuks njuuton kuloni kohta (1 N/C), mis on identne enamkasutatava ühikuga volt meetri kohta (1 V/m). Punktlaeng Q tekitab endast kaugusel r väljatuge­vuse
kus k on võrdetegur Coulomb’i seaduses.
Siit on näha, et elektrivälja tugevus väheneb, kui kaugus välja allikast suureneb. Ja väheneb pöördvõrdeliselt kauguse ruuduga. See ruutsõltuvus on ka põhjendatav. Valemist on näha, et kõikides punktides, mis on allikast võrdsel kaugusel on väljatugevus ühesugune. See punktide kogum moodustab mingi pinna, täpsemalt kerapinna. Kui kaugus suureneb 2 korda, siis kera pindala suureneb 4 korda. See tähendab, et väli, mis enne "mahtus" kera pinnale 4r2, peab nüüd katma pinna 4(2r)2 = 4. 4r2, ehk 4 korda suurema pinna. Järelikult jääb väli ka 4 korda nõrgemaks. Nii põhjendatakse ka gravitatsioonivälja nõrgenemist kauguse suurenedes.
Kui laetud keha asub korraga mitme laengu poolt tekitatud elektriväljades, siis erinevad väljad mõjutavad antud keha jõuga üksteisest sõltumatult. Kehale mõjuv jõud on siis võrdne kõikide jõudude resultandi ehk vektorsummaga. Aga jõudude summa määrab ära ka summaarse elektrivälja tugevuse. Seega keh­tib super­positsiooniprintsiip (liitumise põhimõte): Laetud kehade süsteemi välja­tugevuse leidmiseks tuleb üksikute kehade E-vektoreid liita.
Elektrivälju kirjeldatakse piltlikult jõujoonte abil. Elektrivälja jõujoon on mõtteline joon, mille igas punktis on E- vektor selle joone puutuja sihiline. Seal, kus väli on tugevam (E on suurem), paiknevad jõujooned tihedamalt .
Siin on toodud üksiku positiivse ja üksiku negatiivse punktlaengu jõujoonte pildid.
Kui laengud paiknevad üksteisele lähedal, siis tekib ka hoopis teistsugune jõujoonte pilt.
Homogeenseks nimetatakse elektrivälja, mille E-vektor on kõigis ruumi punktides ühesugune nii pikkuselt kui suunalt. Homogeense elektrivälja tugevus kahe eri­nimeliselt laetud tasase metall ­plaadi vahel avaldub kujul
Selleks, et viia laeng ühest väljapunktist teise, tuleb teha tööd. Töö hulka, mida on vaja teha, et viia positiivne ühikuline laeng ühest väljapunktist teise, nimetatakse pingeks U= A/q. Kui keskkond ei takista laengu liikumist, on pinge null.
Pinge elektrivälja punktide 1 ja 2 vahel
Pinge ühikuks on üks volt. Üks volt (1 V) on pinge elektrivälja kahe punkti vahel siis, kui laengu üks kulon viimisel ühest punktist teise teeb elektriväli töö üks džaul:
Pinge ja väljatugevuse seos: elektrivälja tugevus kahe ekvipotentsiaalpinna vahel on leitav nende pindade vahelise pinge jagamisel pindade vahekaugu­sega (joonis 4.13):
.
Sellest seosest tuleneb elektrivälja tugevuse ühik üks volt meetri kohta.
Üks volt meetri kohta (1 V/m) on sellise elektrivälja tugevus, mil­les potentsiaal muutub liikumisel piki jõujoont igal meetril ühe voldi võrra.

5.4. Elektrivool

Vabad laengukandjad on laetud osakesed, mis saavad liikuda kogu vaadeldava keha või ainekoguse piires. Elektrivool on laengukandjate suunatud liikumine. Lisaks suunatud liikumisele liiguvad elektronid kogu aeg ka kaootiliselt ( soojusliikumine ). Voolu (kokku­leppe­liseks) suunaks on positiivsete laengukandjate liikumise suund (voolu­ ringis plussilt miinusele).
Voolutugevus (tähis I) näitab, kui suur laeng läbib ajaühikus juhi rist ­lõiget,
Seega avaldub laeng voolutugevuse kaudu kujul
q = I t .
Voolu­tugevuse ühikuks on üks amper (1 A). Amper defineeritakse vooluga juhtmete magnetilise vastastikmõju kaudu.
Üks kulon on laeng, mis läbib ühe sekundi jooksul sellise juhi ristlõiget, milles on vool tuge­vu­sega üks amper. Kuna q = I t , siis
1 C = 1 A . 1 s.
Elektrivoolu tekkimiseks peab olema täidetud kaks tingimust:

Aines peab leiduma piisavalt vabu laengukandjaid (osakesi, mis liiguvad).

Peab mõjuma elektrijõud (peab leiduma liikumise põhjus), ehk teisiti öelduna: peab olema elektriväli..
Vabadeks laengukandjateks metallides on ühistunud valentselektronid ehk juhtivus ­elekt­ronid.
Alalisvooluks nimetatakse elektrivoolu, mille tugevus ja suund ajas ei muutu. Alalisvoolu tekitavad alalispinge allikad, näiteks akud ja patareid .
Vahelduvvooluks nimetatakse elektrivoolu, mille korral voolu suund ja tugevus muutub perioodi­liselt. Voolutugevuse perioodi­liste muutuste sageduseks f on Euroopa riikides (sh. Eestis) valitud 50 hertsi (võnget sekundis) ning perioodiks T seega 20 millisekundit:
Kui laengu­kandjate keskmine suunatud liikumine alalisvooluahelas on ühtlane kulg­liikumine, siis vahel­duvvoolu korral on see võnkumine. Vahelduvvoolu tekitavad
vahelduvpinge allikad, näiteks vahelduvpinge generaatorid elektrijaamas . Meil kasutatakse vahelduvpinget, mille pinge väärtus on meil 220 V, Euroliidus 230 V. Mis vahelduvpinge see on, kui pinge väärtus ei muutu ? Väärtus muutub eespool toodud sagedusega (50 Hz), see 220 V on aga nn. efektiivpinge , mis on võrdne alalispingega, mis teeks sama palju tööd ajaühikus. Uef = Umax /2. Siit saame, et vahelduvpinge maksimaalne väärtus on ca 310 V.
Vahelduvvoo­luga töötavad elektriseadmed ehk elektrienergia tarvitid on reeglina oma­vahel ühendatud rööbiti. Rööpühenduses on ka vooluallika­tena toimivad elektrijaa­mad, kus muundatakse elektriener­giaks mingit muud energiat (kütuse siseenergiat, voo­lava vee kineetilist energiat vms). Rööpühendus võimal­dab sujuvalt reguleerida nii tarvitite kui elektrijaamade tööd, sest voolu katkestamine ühes väga paljudest rööpharudest ei mõ­ juta kuigivõrd voolu kulgemist teistes harudes. Voolu­allikad ja tarvitid moodustavad vahel­duv­vooluvõrgu.
Ajas perioodili­selt muutuv pinge on olemas vaid ühel pistikupesa klemmidest. Selle klemmini toovat juhet nimetatakse faasi­juhtmeks. Sõna faas ei tähista siin enam võnkeseisundit vaid võnkumiste olemasolu üldse. Teist klemmi , millel pinge Maa suhtes puudub, nimetatakse nullklemmiks ja vasta­vat juhet nulljuhtmeks. Elektrijaam teki­tab faasijuhtmes pinge Maa suhtes. Vooluring moo­dustub faasijuhtme ühenda­misel mitte ai­nult nulljuhtmega vaid ka Maa­ga. Elektriohu vähendamiseks kasuta­takse tarvitite ühenda­mi­sel siiski nulljuhet.
Ülemäära tugevate voolude vältimiseks kasutatakse kaits­meid, mis paigaldatakse faa­sijuhtmetele. Sulavkaitse on traaditükk, mis küllalt suure voolu läbi­minekul üles su­lab ja nõnda ühenduse katkestab. Bimetall­kait­se on kahest eri­neva joonpaisumis­ teguriga metallist koosnev plaadike, mis liig­suure voolu läbi­minekul soojeneb, selle tagajärjel kõverdub ja ühenduse kat­kestab. Kaitse rakendub reeglina juhul kui voolu­ringis tekib lühis. See on faasijuhtme niisugune ühendus null­ juhtmega (või Maaga), mille takistus on palju väiksem suvalise lubatud tarviti omast. Väikese takistusega kaasneb Ohmi sea­duse kohaselt suur voolutugevus.
Uuemate vahelduvvooluseadmete pistikud sisaldavad li­saks faasi- ja nullklemmile veel kolmandat – maandusklemmi. Läbi selle klemmi on elektriseadme metallkorpus kaitsejuhtme abil ühendatud süga­vale maasse kaevatud metall-latiga. Kui faasijuhe läheb iso­latsioonirikke tõttu elektrilisse kon­ takti tarviti korpusega, siis satuvad võrku toitvad elektrijaamad läbi kaitsejuhtme ja Maa lühisesse. Kaitse rakendub ning kat­kes­tab ühenduse faasijuhtme ja tarviti vahel. Selle tule­musena ei ole tarviti metall­korpus enam ohtlik inimestele, kes pingestatud tarvitit juhuslikult puudutades võiksid muuta oma keha voo­luringi osaks.
Koduses majapidamises rakendub kaitse üsna tihti ka tarvitite lisamisel. Kaasaegsed tarvitid on suure võimsusega. Maja või korteri peakaitsme maksimaalse voolutuge­vuse iga ampri pealt tuleb aga elektrienergia müüjale maksta maksu. Seetõttu püü­takse omada suhteliselt väikese rakendusvooluga peakaitset.

Takistus ja eritakistus

Voolu tekkeks on vajalik elektriväli ja seega ka pinge. Põh­jus­likku seost voolutuge­vuse ja pinge vahel väljendab Ohmi seadus. Ohmi seadus väidab, et voolutugevus juhis on võrdeline juhi otstele rakendatud pinge­ga:
I = G U või .
Võrdetegurit G selles seoses nimetatakse juhtivuseks, tema pöördväärtust R aga juhi takistuseks. Takistust põhjustavad jõud, mis laengukandjate suunatud liiku­mist pidur­dades muundavad juhile rakendatud elektrivälja energiat soojuseks.
Juhi ta­kis­tus näitab, kui suure pinge rakendamisel juhi otstele tekib selles juhis ühi­ku­lise tugevusega vool:
Takistuse mõõtühikuks on oom (1 ). Üks oom on sellise juhi ta­kis­tus, mille otstele raken­datud pinge üks volt tekitab juhis voolu tugevusega üks amper
Aine eritakistus  näitab, kui suur on sellest ainest valmistatud ühikulise pikkuse ja ühikulise ristlõikepindalaga keha takistus
Kui takistus iseloomustab keha, siis eritakistus iseloomustab ainet, millest see keha koosneb. Aine eritakistuse ühikuks on üks oom korda meeter ehk oom-meeter (1 .m) Üks oom korda meeter on sellise aine eritakistus, mille tükk pikkusega 1 m ja rist­lõikepind­alaga 1 m2 omab takistust 1 . Elektrotehnikas kasutatavate metallide eritakistused on suurusjärgus 10 -7 - 10 -8 .m.
Metallide takistust põhjustab laengukandjate vastastik­mõju võn­ku­vate ioonidega. Mi­da kõrgem on temperatuur, seda suurema amplituudiga ioonid võnguvad ja takistavad laengukandjate suunatud liikumist. Seetõttu on metalli eritakistus kasvab temperatuuri tõustes ja vastupidi, väheneb temperatuuri langedes.
Ülijuhtivas olekus aine eritakistus on praktiliselt null. Ülijuhtivus on võimalik vaid allpool kriitilist temperatuuri Tk. Ülijuhtivus on tingitud sellest, et elektronid moodus­tavad paare , mis pole enam vastastikmõjus kristallvõre ioonidega.
Takistiteks nimetatakse kindlat takistust omavaid juhte. Takisti takistus on reeglina palju suurem ühendusjuhtmete takistusest.
Takistite jadaühenduse kogutakistuse leid­misel takistused liide­takse.
Rjada = R1 + R2 + R3 + ...
U = U1 + U2 + .....Un; I = const.
Rööpühenduse kogutakistuse pöördväärtuse leidmi­seks liidetakse takistuste pöördväärtused.
1/Rrööp = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 ...
I = I1 + I2 + ......In; U = const.
Juhi takistus R on võrdeline tema pikkusega l ja pöördvõrdeline rist­lõike­pindalaga S. Võrdeteguriks on aine eritakistus  :
.
Kui näiteks mingi juhi pikkust suurendada 2 korda, siis see on samaväärne kahe ühepikkuse juhi jadaühendusega.
Juhi ristlõikepindala suurendamine on samaväärne taksitite rööpühendusega: kahe ühesuguse takisti rööpühendusel takistus väheneb kaks korda.

Elektrivoolu töö ja võimsus

Voolu kulgemisel juhis teeb elektrijõud laengukandjate liikumist takistavate jõudude vastu tööd. Seda tööd nimetatakse elektrivoolu tööks ja selle avaldise saab tuletada juba olemasolevate teadmiste abil.
Töö on defineeritud kui liikumissuunalise jõu ja nihke korrutis. Mõjugu elektrivälja poolt laengule q jõud F ja selle jõu toimel nihkub laeng kaugusele d. Siis töö A avaldub: A = Fd. Kuna jõudu ja nihke suurust on raske mõõta, siis avaldame need hõlpsasti mõõdetavate suuruste kaudu. Selleks avaldame jõu väljatugevuse ning laengu abil: F = Eq ja paneme töö avaldisse. Saame, et A = Eqd, aga Ed =U ja q = It ning saame, et A = UIt. Pinget, voolutugevust ja aega on aga lihtne mõõta, sest vastavad mõõteriistad on olemas.
Enamasti eraldub voolu töö tegemisel soojust. Eralduva soojushulga määrab Joule'i-Lenzi seadus, mille kohaselt elektrivoolu toimel juhis eral­duv soojushulk Q on võrdeline voolu­tuge­vuse I ruuduga, juhi takistusega R ja voolu kestusega t :
Q = I 2 R t .
Selle tulemuse saame, kui asendame töö avaldises pinge U korrutisega IR (Ohmi seaduse kohaselt).
Elektrivoolu võimsus näitab ajaühikus tehtud tööd: N = A/t. Seega saab võimsuse esitada voolu­tuge­vuse ja pinge korrutisena
N = I U .
Töö tegemist elektrivoolu poolt nimetatakse sageli ka voolu tekitava elektrivälja ener ­gia ehk lihtsalt elektrienergia kasutamiseks. Elektrienergiat mõõdetakse kilovatt- tundides . Üks kilovatt-tund (1 kW.h) on ühe tunni jooksul teisteks energialiikideks muun­duv elektrienergia seadmes, mis parajasti arendab võimsust üks kilovatt.
1 kW. h = 3 600 000 J.

5.7. Elektrivool vedelikus ja gaasis

Vedelikus ja gaasis on vabadeks laengukandjateks ioonid.
Elektrit juhtiv vedelik on enamasti elektro­lüüdi lahus. Elektrolüüdiks nimetatakse kee­milist ühendit (alust, hapet või soola), mille molekulide lagunemisel saavad tekkida erimärgiliselt laetud ioonid.
Kui rakendada alalispinge elektrolüüdi lahusesse paigutatud elektroodidele, siis positiivselt laetud ioonid (katioonid) hakkavad liikuma negatiivse elektroodi ehk katoodi poole. Negatiivsed ioonid ( anioonid ) hakkavad liikuma positiivse elektroodi ehk anoodi poole. Elektroodini jõudnud katioonid saavad katoodilt elektrone juurde ja muutuvad neutraalseiks aatomeiks. Anioonid annavad anoodile jõudes ära oma liigsed elektronid ja muutuvad samuti neutraalseteks aatomiteks. See tähendab, et elektroodidel eraldub ainet.Seda nähtust nimetatakse elektrolüüsiks. Elektrolüü­sil põhineb galvanotehnika ehk esemete kat­mine õhukese metallikihiga.
Gaasilised ained on tavaliselt isolaatorid ( mittejuhid ). Gaas hakkab elektrit juhtima vaid siis, kui seda ioniseeritakse. See juhtub siis, kui gaasi aatomitest või molekulidest lüüakse elektrone välja. Sõltuva gaaslahenduse korral tuleb elektrivoolu alalhoidmiseks gaasi pidevalt ioniseerida. Sõltumatu gaas­lahendus ei vaja enam ionisaatorit, sest toimub põrkeionisatsioon. Põrke­ionisatsioon on nähtus, mille korral laengukandjad omandavad elektriväljas kiirenevalt liikudes energia, mis on piisav neutraalosakeste ioniseerimiseks põrgetel nendega. Gaaslahen­duse põhiliigid on huum-, kaar-, säde- ja koroonalahendus. Huumlahendust kasu­tatakse valgusreklaamis ja gaastäitega tänavavalgustuslampides. Kaarlahendusega on tegemist näiteks elektrikeevitusel. Sädelahenduse tuntuimaks näiteks on välk. Koroonalahenduse vahendusel lahkuvad laengukandjad kõrge pingeni laadunud kehade pinnal esinevatelt teravikelt. Sellega võib kaasneda teravikku kroonikujuliselt ümbritsev helendus.

5.8. Juhid, dielektrikud, pooljuhid

Vabade laengukandjate kontsentratsiooni järgi jaotatakse aineid kolmeks: juhid, dielektrikud (isolaatorid) ja pooljuhid.
Juhtides on vabade laengukandjate kontsentratsioon väga suur. Näiteks 1 g metalli sisaldab ca 1022 ... 1023 vaba elektroni. See­tõttu on metallid head elektrijuhid. Vedelate juhtide korral on vabadeks laengukandjateks ioonid
Dielektrikutes ehk isolaatorites on vabu laengukandjaid väga vähe. Dielektrikud on ained, mille keemiline side ei soodusta vabade laengukandjate teket, näiteks kovalentne side või ioonne side. Viimasel juhul on aines küll olemas ioonid, aga need on kristallvõre sõlmedes ja ei saa piki ainet liikuda.
Pooljuhtides on vabade laengukandjate kontsentratsioon juhtide ja dielektrike oma vahepeal . Pooljuhtides saab vabu laengukandjaid tekitada kas valguse või soojuse toimel. Vabade laengukandjate tekitamist soodustavad lisandained pooljuhtides. Need kas loovutavad kergesti elektrone (doonorlisandid) või haaravad vabu elektrone enda koostisse (aktseptorlisandid). Viimasel juhul tekivad aines nn augud, millel positiivne laeng ja need saavad aines vabalt liikuda. Auguks nimetatakse elektroni puudumist keemilises sidemes (tühi koht ehk auk sidemes).
Doonoreid sisaldavat pooljuhti nimetatakse n-pooljuhiks, kuna temas on valdav elektronjuhivus (laengukandjad negatiivsed). Aktseptoreid sisaldavat pooljuhti kutsu­takse p-pooljuhiks, kuna temas domineerib aukjuhtivus (laengukandjad positiiv­sed).
Kindlaid piire kolme ainerühma vahel ei ole. Juhtide korral on vabade laengukandjate arv suurem või natuke väiksem aatomite või molekulide arvust (näiteks kraanivee korral on vabu laengukandjaid ca 100... 1000 korda vähem kui veemolekule). Pooljuhtides on vabu laengukandjaid aatomite arvust vähem ca 106 korda, dielektrikute korral aga üle 109 korra vähem.
5.8.1. Pooljuhtelektroonika
Tervikliku pooljuhitüki sellist piirkonda, kus üks juhtivuse tüüp asendub teisega , nimeta­takse p-n-siir­deks. Siirde alas on juhtivuse tüüpi määravad laengukandjad ehk enamus-laengu­kandjad (n-osa elektronid ja p-osa augud) omavahel rekom­bineerunud (elektronid on augud ära täitnud). Allesjäänud positiivsetest (elektroni loovutanud) doonorlisandi ioonidest ning nega­tiivsetest aktseptorlisandi ioonidest on moodustunud tõkkekiht, mille elektriväli on suunatud n-osast p- osasse ning surub nõnda enamus-laengukandjaid oma piirkonda tagasi. Siirde päripingestamisel ühendatakse välise vooluallika plussklemm pooljuhitüki p-osaga ning miinusklemm n-osaga. Sel juhul nõrgendab välise allika elekt­riväli tõkkekihi välja, enamus-laengukandjad tungivad siirdesse ja siire hakkab juhtima elektrivoolu (siire avaneb). Vastupingestamisel (plussklemmi ühendamisel n-osaga ning miinusklemmi lülitamisel p-osa külge) liituvad välise allika ja tõkkekihi elektriväljad. Siire sulgub enamus-laengukandjatele veel kindlamini kui pingestamata olekus.
Seega juhib p-n-siire elektrivoolu ainult pärisuunas (p-osast n-osasse). Vastavalt toimib vahel­duvvoolu­ringi lülitatud p-n-siire ehk pooljuhtdiood alaldina, muutes vahelduvvoolu pul­seerivaks ühesuunaliseks vooluks. Päikesepatareid, mis muudavad valgusenergiat elektri­energiaks, sisaldavad samuti p-n-siirdeid. Siirde alas neelduvad footonid tekitavad neis elektron -auk-paare, mis tõkkekihi elektriväljas lahknevad. Elektronid suunduvad n-osasse ja augud p-piirkonda. Pooljuhitüki n- ja p-osa vahel tekib pinge. Siire hakkab toi­mima vooluallikana.
Transistor on pooljuhtseadis elektrisignaalide muundamiseks, võimendamiseks ja gene­reerimiseks. Signaaliks nimetatakse elektroonikas kindlaviisiliselt (enamasti perioodili­selt) muutuvat pinget, kusjuures need muutused kannavad reeglina endas mingit infot. Nüüdiselektroonika põhielement on kiip ehk terviklülitus, milles mõne ruutsentimeetri suurusele pooljuhiplaadikesele on koondatud tuhandeid ja isegi miljoneid üliväikesi transistore koos vajalike lisadetai­li­dega, mis kõik koos toimivad tervikliku eriotstarbelise elektroonikaskeemina.

Magnetism

Püsimagneteid tuntakse juba väga kaua. Nimetus tuleneb Vana Kreeka linna Magnesia nimest, kust leiti kivisid, mis teisi külge tõmbasid. Sellest ajast tehakse katseid püsimagnetitega. Need katsed näitasid, et magneteil on kaks poolust: põhjapoolus (N,+) ja lõunapoolus (­­S,-). Samanimelised poolused tõukuvad, erinimelised tõmbuvad.
Pooluste nimetused on tulnud sellest, et ka Maal avastati magnetilised omadused. Maa magnetilisi omadusi saab uurida magnetnõela abil. Väikest pöördumisvõimelist püsi­magnetit nimetatakse magnetnõelaks. Magnetnõel näitab alati ühe otsaga põhja, teisega lõunasse. Maa on üks suur püsimagnet, mille magnetiline põhjapoolus asub geograafilise lõunapooluse lähedal ja magnetiline lõunapoolus asub geograafilise põhjapooluse lähedal (ca 1000 km kaugusel).
Magnetilist vastastikmõju seletatakse magnetväljaga. Magnetvälja saab "nähtavaks teha" rauapuru abil, mis toob esile magnetvälja jõujooned. Jõujoone puutuja näitab magnetnõela põhjapoolusele mõjuva jõu suunda. Magnetvälja jõujooned on kinnised kõverad, st neil pole algust ega lõppu. See ei luba ka rääkida magnetlaengutest. Niisugust välja, mille jõujooned on kinnised, nimetatakse pöörisväljaks. Väljaspool püsimagnetit kulgevad jõujooned põhjapooluselt lõuna­poolusele, püsimagneti sees mõistagi vastupidi).
Püsimagnetite omadusi seletatakse sellega, et elektronidel on olemas oma magnetväli, mis on tingitud elektronide loomulikust omaliikumisest (pöörlemisest), mida kirjeldab kvantarv spinn . On olemas metalle , mis koosnevad piirkondadest, kus elektronide spinnid on omavahel rangelt paralleelsed. Sellist aineosa nimetatakse domeeniks. Domeenide mõõtmed on 10-4 ...10-3 cm. Selliseid aineid kutsutakse ferromagneetikuteks. Sellised ained on näiteks raud, nikkel, mitmesugused sulamid. Tavaliselt on domeenide magnetväljad orienteeritus üksteise suhtes juhuslikult. Magnetvälja paigutatud ferromagneetikus orienteeruvad domeenide magnetväljad välise välja suunas ja hakkavad üksteist tugevdama: tekib püsimagnet. Kui püsimagnetit kuumutada mingi temperatuurini, siis lõhub soojusliikumine domeenide korrastatuse ja aine magnetväli kaob. Seda temperatuuri nimetatakse Curie temperatuuriks (Fe korral on see 768C).
Katsed näitavad, et ka vooluga juhtme ümber on magnetväli. Vooluga juhtme magnetväljas pöördub magnetnõel juhtmega ristuvasse asendisse.
Kui vooluga juht asetada magnetvälja, siis hakkab juhtmele mõjuma jõud, mis on seda suurem, mida suurem on voolutugevus juhtmes ja mida pikem osa juhtmest asub magnetväljas. Selle jõu abil on määratud ka magnetvälja tugevus, mida nimetatakse magnetiliseks induktsiooniks.
Magnetinduktsioon B näitab jõudu, mis mõjub ühikulise vooluga ja ühikulise pikkusega juhtme­lõigule selle juhtmega ristuvas magnet­väljas
Magnetinduktsioon on vektoriaalne suurus ja seda võib nimetada ka B-vektoriks. B-vektori suunaks on magnetvälja suund, mida näitab magnetväljas orien­teerunud mag­net­nõela põhja­poolus (joonis 4.27). Magnetinduktsiooni SI-ühikuks on üks tesla .
Üks tesla (1 T) on sellise välja magnetinduktsioon, milles välja suunaga ristuvale juhtmele pikkusega 1 m ja vooluga 1 A mõjub välja poolt jõud 1 N
Nii nagu elektriväljas, kehtib ka magnetväljas superposit­siooniprintsiip (liitumise põhimõte), mis seisneb selles, et erinevate kehade poolt mingis punktis tekitatud magnetväljade B-vekto­reid tuleb resultantvälja B-vektori leidmi­seks liita.
Kuna vooluga juhtme ümber on magnetväli, siis peaks ka kaks vooluga juhet teineteist mingite jõududega mõjutama. Katsed näitavad, et samasuunaliste vooludega juhtmed tõmbuvad ja vastassuunaliste vooludega juhtmed tõukuvad.
A. M. Ampère tegi 1820. a. kindlaks, et kahe pika ning teineteisega paralleelse voolujuhtme kahe ühepikkuse lõigu vahel mõjuv jõud (joonis 4.24) on võrdeline juhtmelõikude pikku­sega l ning voolu­tuge­vustega juht­metes (I1 ja I2). See jõud on ka pöördvõrdeline juhtmelõikude vahe­kaugu­sega d
.
Võrdetegur K on vaakumi korral esitatav kujul
K = 2 .10 -7 N /A2.
SI-süsteemis esitatakse see võrdetegur aga kujul
,
kus suurust 0 = 4 .10 -7 N /A2 (ehk H/m) nimetatakse magnetkonstandiks. Võrde­teguri K ja magnetkonstandi arvväärtused tulenevad elektrilise põhiühiku 1 A defi­nitsioonist:
Üks amper (1 A) on võrdne selle voolu tugevusega, mis kulgeb kahes lõpmata pikas ja omavahel paralleelses, teineteisest 1m kaugusel vaakumis paiknevas kaduvväikese läbimõõduga sirgjuhtmes, kui juhtmete vahel mõjub nende pikkuse iga meetri kohta jõud 2 . 10 –7 N.

5.10. Elektromagnetiline induktsioon

Elektromagnetism käsitleb elektri- ja magnet­nähtuste omavahelisi seoseid .
Elektromagnetilise induktsiooni nähtuseks nimetatakse elektri­välja tekki­mist magnetvälja muutu­misel. Seda elektrivälja nimetatakse pööriselektriväljaks, kuna tema jõujooned on alguse ja lõputa kinnised jooned ehk pööri­sed. Kui magnetväljas liikuv juhe lõikab magnetvälja jõujooni, siis tekib juht­me otste vahel pinge. Kuna liikumine on suhteline, siis võib ka väli juhtme suhtes liikuda.
Kui see juhe on vooluringi osa, siis hakkavad vabad laengukandjad juhtmes liikuma ning tekib induktsiooni­vool. Pinget, mis tekib magnetväljas liikuva juhtme­lõigu otstele siis, kui juhtmes puu­dub vool nimetatakse induktsiooni elektromotoorjõuks.
Elektromotoorjõud on suurim pinge, mida voolualli­kas on üldse suuteline tekitama.
Kuna liikumine on suhteline, siis pole oluline kas juhe liigub välja suhtes või väli juhtme suhtes.
Kuidas seletada pinge või voolu tekkimist meie katsetes? Magnetväljas liikumine põhjustab vabade laengukandjate nihkumist juhtmes, sarnaselt magnetvälja mõjuga vooluga juhtmele.
Mida kiiremini muutub magnetväli juhtme asukohas , seda suurem pinge või vool juhtmes tekitatakse (indutseeritakse). Nähtuse avastas 1831 .a. Michael Faraday .
Induktsioonivoolu suuna kohta käib Lenzi reegel, mille kohaselt on induktsioonivoolu suund selline, et tema magnetväli takis­taks voolu põhjustavat mag­net­völja muutumist. Veel lühemalt: induktsioonivool toimib alati vastupidiselt voolu esile kutsu­vale põhjusele.
Näiteks, kui me lähendame magnetpulka poolile, siis selles tekitatakse niisuguse suunaga vool, et magnetpulga poolsesse otsa tekib samanimeline magnetpoolus nagu pulgalgi. See takistab pulga poolile lähenemist. Kui pulka poolist eemale viia, tekib poolis selline magnetväli, mis takistab pulga eemaleviimist.
Selline tulemus on kooskõlas ka energia jäävusega. Selleks, et poolis tekiks vool, tuleb juhtmes olevad vabad laengud suunatult liikuma panna, kuid selleks on vaja teha tööd.
Elektromagnetilise induktsiooni nähtusel põhineb trafo töö. Trafo on seade pinge muutmiseks. Seade koosneb kahest mähisest. Ühes on muutuv pinge, mis tekitab muutuva pinge ka teises mähises. Kui teise mähise keerdude arv on suurem kui esimesel, siis tekib kõrgem pinge, kui aga teisel mähisel on keerde vähem, tekib madalam pinge.
Vaatame, milline jõud saab laengukandjaile magnetväljas liikuvas juhis mõjuda.
Ampere'i seadus andis meile vooluga juhtmele mõjuva jõu väärtuse:
F = IBl ( vaatleme juhtu, kui voolu suund on risti magnetvälja suunaga. Kuid voolutugevus I = q/t ja laengute poolt magnetväljas läbitud teepikkus l = vt, kus v on laengukandja suunatud liikumise kiirus. Eeltoodut arvestades saame, et magnetväljas liikuvale laengule mõjub jõud
F = qvB.
Seda jõudu nimetatakse Lorentzi jõuks. Jõu suuna saab kindlaks teha vasaku käe reegli abil: Kui Magnetvälja jõujooned on suunatud peopessa ja väljasirutatud sõrmed näitavad positiivse laengu liikumise suunda, siis väljasirutatud pöial näitab Lorentzi jõu suunda.
Nüüd oskame kirjeldada seda, mis juhtub siis, kui näiteks horisontaalses magnetväljas asetsevat juhet liigutada üles? Juhtmes olevad elektronid liiguvad koos juhtmega üles ja neile hak­kab mõjuma Lorentzi jõud, mis on suunatud meist eemale. Selle tulemusena nihkuvad elektronid piki juhet meist eemale. See aga tähendab, et juhtmes tekib indukt­siooni­vool, mille suund on meie poole (elektronid on negatiivse laenguga). Kui vooluring pole suletud, jääb juhtme üks ots laetuks positiivselt ja teine negatiivselt.

5.11. Elektromagnetväli ja elektromagnetlained

Elektri- ja magnetväli on ühtse elektromagnetvälja kaks piirjuhtu. Elektriväli levib ruumis magnetvälja vahendusel ja magnetväli omakorda elektrivälja abil. Näiteks põhjustab ühes punktis muutuv elektriväli kõige­pealt magnet­välja ja selle magnetvälja muutus kutsub (elektro­magnetilise induktsiooni teel) esile elektrivälja naa­berpunktis. Igasugune elektri- või magnet­välja muutus liigub edasi elektro­magnetlainena.
Elektriväli ja magnetväli on elektromagnetlaines omavahel risti. Nad on ka risti laine levimissuunaga. Seda kõike arvestades saame elekt­romag­net­laine tervikliku mu­deli, mis va­sa­kult paremale leviva laine jaoks on esitatud joonisel . Elektromagnet­lai­nete tekkimist nimeta­takse sageli ka nende kiirgumiseks.
Elektromagnetlainete leviku kirjeldamisel kasutatakse nende sagedust f (aja­­­ühikus toimu­vate võngete arvu) või lainepikkust  (naa­ber-laineharjade vahekaugust). Laine levib ühe perioodi jooksul ühe lainepikkuse võrra edasi. Kiiruse valemist tuleneb seos
mille kohaselt laine levimiskiirus on lainepikkuse ja sageduse kor­rutis.
Ka valgus levib elektromagnetlainena. Seega asendub v vaakumi korral valguse kii­rusega c (c = 299 792 458 m/s) ning  all tuleb mõista lainepikkust vaakumis,
 f = c.
Sama seos on rakendatav ka õhus, sest õhu elektromagnetilised omadused erinevad vaakumi omadest tühiselt vähe.
Elektromagnetlainet kirjeldavad 2 võrrandit, üks elektrivälja ja teine magnetvälja muutumise kohta
E = E0 sin (t – x/v)
B = B0 sin (t – x/v), kus .
Elektromagnetlaineid jaotatakse oma omadustelt mitmeks liigiks . Seda jaotust nimetatakse elektromagnetlainete skaalaks, mille toome järgnevalt.
Raadiolained (f = 105…1012 Hz,  = 104 m…10-4 m) on elekt­romagnetilise info­edastuse põhivahendiks. Võnkumisi tekitab elektrongeneraator ja vastavaid laineid kiirgab raadioantenn. Antenniks nimetatakse elektrijuh­tide süs­teemi, mis on loodud elektromagnetlainete tekitamiseks või vastuvõtmi­seks.
Optiline kiirgus (f = 1012…1017 Hz,  = 10-4 m…10-8 m) on pea­osatäitjaks valgus­nähtustes. Optiline kiirgus jaguneb oma­korda ultravalguseks ( = 10…380 nm, see­juures 1 nm = 10-9 m), nähtavaks valguseks ( = 380…760 nm) ja infravalguseks ( = 760 nm …1 mm). Infra­valgus tekib pea­mi­selt aatomite võnku­misel või pöörle­misel molekulides. Nähtavat ning ultravalgust kiirgavad aatomite väliskihtide elekt­ronid ehk valentselektronid.
Röntgeni­kiirgus (f = 1016…1019 Hz,  = 10-8 m…10-11 m) tekib kas kiirete elekt­ronide järsul pidurdumisel või siis protsessidel, milles osalevad aatomite sisekihtide elektronid.
Gammakiirgus (f = 1019…1023 Hz,  = 10-10 m…10-14 m), mida tekitavad radioaktiivsel lagunemisel aatomite tuumad.
Kiirgaja mõõtmete vähenemisega ülaltoodud reas (antenn  molekul  aatomi välis­kiht  aato­mi sisekiht  tuum) kaasneb lai­ne­pikkuse vähenemine ja sageduse suu­renemine. Koos sagedu­sega suureneb ka kvandi energia ning kiirguse läbitungimis­võime. Sa­mas reas taanduvad kiirguse laineoma­dused ning üha rohkem tulevad esile korpus­kulaarsed ehk osakese-omadused. Erinevate kiirgusliikide vahel puuduvad elektro­mag­netlainete skaalas kindlad piirid. Selle põhjuseks on kiirgusliigi määrat­lemine eelkõige tema tekitaja järgi. Erinevate kiirgusalli­kate sagedused aga võivad osaliselt kattuda.
Elektromagnetlained leiavad ra­ken­damist eelkõige ülikiire ja ainelist levimis­kesk­konda mittevajava infokandjana.
Raadioside saatja ning vastuvõtja vahel luuakse järgmiselt. Saateantenni suunatud elektromagnetvõnkumised levivad elektromagnet­laine­te­na vastuvõtuantennini ja kut­ suvad selles esile sama sagedusega elektromagnetvõnkumisi. Inimkõne või muusika edastamisel on mõistagi täiendavalt vajalik helide muundamine elektromagnet­võnku­misteks ning ümberpöördult. Raadio­side peamine tehniline probleem tuleneb elektro­magnetlainete ener­gia tugevast sagedussõltuvusest. Probleemi lahendamiseks lastakse raadiolainete­na levida võnkumistel, mille sagedus on edastatavate võnku­mis­te (näiteks heli) omast tunduvalt suurem. Raadiolainete levikut kind­lustav kõrge sage­dus on tuntud kui kandesagedus . Edastatavaid võnkumisi nimetatakse aga tavaliselt madal­sageduslikeks. Kan­desagedusvõnkumisi mõjutatakse kindla­viisi­liselt madal­sage­dus­­võnkumistega. Niisugust protseduuri nimetatakse moduleerimiseks.
Raadiolainete jõudmisel vastuvõtjani eraldatakse modulee­ri­tud kõrgsagedusvõnku­mistest madalsageduslik komponent ja sellega taastatakse moduleeriv võnkumine. Üldiselt samamoodi töötab ka televisioon. Telesaate edastamisel tuleb vaid lisaks helile üle kanda ka televisioonisignaali. Selle signaali mõjul muutub elekt­ronide arv teleriekraanile jõudvas elekt­ronkiires ja vastavalt ka kiire jälje heledus. Liikuv elekt­ronkiir joo­nistab ekraanile pildi – telesaate kaadri .
Raadiolokaator ehk radar on seade ruumis paiknevate ob­jektide avastamiseks ning nende asukoha või liikumis ­kiiruse määramiseks raadiolainete vahendusel. Radari an­ tenn saa­dab objekti suunas välja lühiajalise ning võimsa raadiosignaali ja registreerib seejärel objektilt tagasi peegeldunud raadiolaineid. Kuna lainete kiirus on teada, siis võib nende sinna-tagasi levimise aja põhjal leida objekti kauguse radarist. Kui objekt liigub radari poole või sellest eemale, siis muutub tagasi peegelduva laine sagedus. Selle muutuse põhjal saab määrata objekti kiiruse.
Raadionavigatsiooniks nimetatakse laevade, lennukite või muude liikumisvahendite juhtimist raadioseadmete abil. Raadiomajakas on kindla asukohaga raadiosaatja, mis väl­jastab ainult temale omaseid raadiosignaale. Raadiopeilin­gaa­tor on raadiovastu­võtja, mis võimaldab määrata saa­buva raa­diokiirguse suunda. Laeval või lennukil paikneva raa­dio­­peilin­gaatori abil määratakse eri raadio­majakate signaalide pärale­jõudmise suunad ja nende suundade vahelised nurgad. Lähtudes raadiomajakate koor­dinaatidest võib nüüd kindlaks teha laeva või lennuki koordinaadid.
Ülemaailmne asukoha määramise süsteem (ingl.k. Global Positioning System, lüh. GPS, eesti vaste: Globaalne Punkti Seire ) põhineb uuritava punkti ja raadio­majakana toimiva Maa tehiskaaslase (side­satelliidi) vahekauguse üli­täpsel mõõt­misel. Uuritavas punktis paiknev vastuvõtja regist­ree­rib mitmelt erinevalt satelliidilt üheaeg­selt lähtu­vate raa­dio­signaalide päralejõudmises esinevaid ajalisi nihkeid. Lähtudes elektro­mag­netlainete levimis­kiiruse teadaolevast väär­tusest, arvuta­tak­se levimis­aegade põhjal vahekaugused ja see­järel ka uuritava punkti koor­di­naadid.
Telefoniside klassikalises variandis levib helisageduslik elektromagnetlaine (madal­sageduslaine) mööda metalljuhtmeid ühest telefoniaparaadist teiseni. Kaasaegses tele­fonisides edas­tatakse kõnesid suurte vahemaade taha klaaskiududest koosneva val­gus­kaabli abil, milles levib optilisse vahemikku kuu­luv elektro­magnetlaine. Seda lai­net moduleeritakse ülekantavate heli­sagedus­võnku­mis­tega. Väga kõrge kandesagedu­se (f = 1012…1013 Hz) tõttu mahub ühele valguskaablile sadu tuhandeid sidekanaleid (sagedusvahemikke laiusega 4 kHz). Tänapäeval kasutatakse ka üha roh­kem mobiil­telefone, mis koosnevad piiratud tegevusraadiusega (kuni 30 km) raadio­saat­jast ja –vastuvõtjast. Mobiiltelefonist läheb kõne raadio­lainete va­hen­dusel lähimasse tugijaa­ma ning sealt mööda kaabel­liine edasi.
18