<%@LANGUAGE="JAVASCRIPT" CODEPAGE="1252"%> ASTEL - FYKE-opas
       
 

SÄHKÖ JA MAGNETISMI

TULOSTETTAVA PDF

1. SÄHKÖVARAUSTA SYNTYY HANGATESSA
Sähkövaraus synnyttää sähköisen vuorovaikutuksen

Yksinkertainen malli kappaleen varautumisesta
Polarisaatio
Salaman synty
Sähkövarauksen historiaa
Tutkimus: Kappaleen varaaminen
Varatun kappaleen vaikutus varaamattomaan kappaleeseen

Demonstraatioita

2. VIRTAPIIRI
Komponentti ja virtapiiri
Jännite ja sähkövirta
Sähkövirralla siirretään energiaa
Piirrosmerkit
Tasa- ja vaihtovirta
Johteet ja eristeet
Sähkölaitteiden virtapiirit
Ihmisen virtapiirit
Tutkimus: Lamppu hehkumaan
Eriste eristää ja johde johtaa
Kalvokytkin kytkee

3. PERUSKYTKENNÄT
Jännitteen ja sähkövirran mittaaminen
Paristojen kytkennät
Lamppujen kytkentöjen vaikutus sähkövirtaan
Oikosulku
Sulake
Resistanssi

Tutkimuksia:
Jännitteen mittaaminen
Sähkövirran mittaaminen
Paristojen kytkennät
Sähköiset kytkennät

4. JÄNNITELÄHDE YLLÄPITÄÄ JÄNNITETTÄ
Pariston jännite
Napajännite
Voltan pari
Paristo ja akku
Tutkimus: Valoa perunasta
Tehtäviä

5. SÄHKÖENERGIA JA -TEHO
Valaisutehon riippuvuus jännitteestä ja sähkövirrasta
Sähköteho
Sähköenergia
Termostaatti

Tutkimuksia:
Lämmitin

Hehkuva lanka
Demonstraatioita

6. MAGNETISMI JA KOMPASSI
Kompassi
Magneettinen vuorovaikutus
Magnetoituminen
Magneettikenttä
Maan magneettikenttä
Magnetoitumisen selitys

Tutkimus:
Kompassi
Magneettinen vuorovaikutus
Tankomagneetin valmistaminen
Tehtäviä
Demonstraatioita

7.SÄHKÖMAGNEETTI
Virtajohdin käyttäytyy magneetin tavoin
Sähkömagneetin valmistaminen
Sähkövirran yksikkö
Sähkömagnetismin sovelluksia
Sähkösoittokello
Sähkömoottori
Kaiutin
Aivojen magneettikenttä
Magneettinen tiedontallennus
Tutkimuksia
Tehtäviä

8. SÄHKÖVIRRAN SYNNYTTÄMINEN
Generaattori
Vaihtojännite
Muuntaja
Energian siirto sähkövirran avulla
Auringon energia kiertää maapallolla
Lämpövoimalaitos
Vesi- ja tuulivoimalaitos
Ydinvoimalaitos
Energiantuotannon riskit
Energiantuotannon päästöt

Tutkimuksia:
Induktioilmiö
Generaattori

9. SÄHKÖTURVALLISUUS
Sulake
Sähkölaitteen suojaus
Valaisin ja lampun vaihto
Sähköisku
Kodinkoneiden huolto ja vaaratilanteita niiden käytössä
Pistotulpan vaihto

 

   

1 SÄHKÖVARAUSTA SYNTYY HANKAAMALLA

Sähkövaraus synnyttää sähköisen vuorovaikutuksen

Kun Nano ottaa kuivalla ilmalla pipon päästä, hiukset hankautuvat villaiseen pipoon ja tulevat sähköisiksi. Hiusten sähköistyminen havaitaan siitä, että hiukset ovat ”pörröllään” koska hiukset hylkivät toisiaan. Samalla tavalla keinokuituvaatteet ja piirtoheitinkalvo tulevat sähköisiksi, kun niitä hangataan.

KUVA

Nano ja Piko päättävät tutkia piirtoheitinkalvojen sähköistymistä. Nano ottaa käteensä kaksi piirtoheitinkalvoa pöydältä. Kun hän vie ne lähekkäin, ne eivät vedä toisiaan puoleensa eivätkä hylji toisiaan eli niiden välillä ei havaita vuorovaikutusta. Piko hankaa molempia kalvoja villakankaalla. Kun Nano ottaa hangatut kalvot käteensä ja vie ne lähekkäin, ne hylkivät toisiaan. Kun Piko vie villakankaalla hangatun piirtoheitinkalvon villakankaan lähelle, ne vetävät toisiaan puoleensa. Kokeessa havaitaan, että hangatut piirtoheitinkalvot hylkivät toisiaan ja hankaamiseen käytetty kangas vetää kalvoa puoleensa. Hankaus synnyttää kalvoille ominaisuuden, joka aiheuttaa kalvojen välille selvästi havaittavan vuorovaikutuksen.

KUVASARJA

Nanon kädessä olevat hankaamattomat piirtoheitinkalvot eivät vaikuta toisiinsa. Kun piirtoheitinkalvoja on hangattu villakankaalla, ne hylkivät toisiaan. Pikon kädessä oleva hankaamisessa käytetty villakangas ja sillä hangattu piirtoheitinkalvo vetävät toisiaan puoleensa.

Sähköinen vuorovaikutus ilmenee hangattujen kappaleiden välisinä veto- tai poistovoimana.

Kappaleen hankauksessa saamaa ominaisuutta, joka synnyttää kappaleiden välille vuorovaikutuksen, kutsutaan sähkövaraukseksi. Sähkövaraus on kappaleen ominaisuus samalla tavalla kuin kappaleen massa tai lämpötila. Mitä suurempi on kappaleen massa sitä suuremmalla voimalla Maa vetää sitä puoleensa. Samalla tavalla, jos kappaleen sähkövaraus on suuri, voi kappaleen synnyttämä sähköinen vuorovaikutus olla voimakas.

Edellisessä kokeessa havaittiin, että hangatut kappaleet voivat hylkiä toisiaan tai vetää toisiaan puoleensa. Tämä ilmiö selitetään siten, että sähkövarauksia on kahdenlaisia. Toista lajia on alettu kutsua positiiviseksi ja toista negatiiviseksi sähkövaraukseksi. Kokeen perusteella ei voi päätellä, kummasta kappaleesta tulee positiivisesti varautunut ja kummasta negatiivisesti varautunut. Koe osittaa vain sen, että varauksia on kahdenlaisia.

Sähköisen vuorovaikutuksen aiheuttaa sähkövaraus. Sähkövaraus on joko positiivinen tai negatiivinen.

Piirtoheitinkalvo saa hankaamisessa negatiivisen sähkövarauksen ja hankaamiseen käytetty villakangas positiivisen sähkövarauksen. Samanmerkkisen sähkövarauksen saaneet kappaleet hylkivät toisiaan ja erimerkkisen varauksen saaneet vetävät tosiaan puoleensa.

KAAVIOKUVA Kappaleen sähkövarausta merkitään plus- ja miinusmerkeillä. Erimerkkisesti varautuneet kappaleet vetävät toisiaan puoleensa ja samanmerkkisesti varautuneet kappaleet hylkivät toisiaan.

Yksinkertainen malli kappaleen varautumisesta

Kaikki mallit, yksinkertaisetkin, ovat vain malleja luonnon ilmiöille. Erityisesti atomitason mallit ovat hankalia, koska atomeja ei voi nähdä. Sen tähden on tarkkaan harkittava, kannattaako peruskoulussa tukeutua lainkaan atomitason malleihin ilmiöitä selitettäessä.

KAAVIOKUVA Yksinkertainen atomin malli

Kappaleet rakentuvat atomeista. Atomin rakenneosat, protonit ja neutronit, sijaitsevat atomiytimessä ja elektronit ytimen ympärillä olevassa elektroniverhossa. Pienintä tunnettua sähkövarausta kutsutaan alkeisvaraukseksi. Elektronin e- varaus on negatiivinen ja yhden alkeisvarauksen suuruinen. Protonin p+ varaus on yhtä suuri, mutta positiivinen. Atomin kokonaisvaraus on nolla, koska siinä on yhtä monta protonia kuin elektronia. Atomia on sähköisesti neutraali.

Neutraalin kappaleen muuttumista sähköiseksi eli kappaleen varautuminen selitetään siirtyvien pienten ”hiukkasten” avulla, joilla on sähkövaraus. Siirtyvissä ”hiukkasessa” voi esimerkiksi olla ylimäärin elektroneja protoneihin verrattuna.

Kappaleen varautumisen selittävän yksinkertaisen mallin mukaan kappaleen varautuessa siirtyy kappaleesta toiseen sähkövarauksia.

KUVA Piirtoheitinkalvosta tulee negatiivisesti varautunut, kun sitä hangataan villakankaalla. Negatiivisia sähkövarauksia siirtyy villakankaasta piirtoheitinkalvoon.

Polarisaatio

KUVA Nanosta kampaamassa

Kampa varautuu negatiivisesti, kun Nano kampaa sillä hiuksia. Nanon hiukset saavat puolestaan positiivisen varauksen ja hylkivät toisiaan. Hiukset tulevat sähköisiksi.

Nano kampaa hiuksiaan ja koskettaa kammalla pieniä paperipaloja. Paperipalat tarttuvat kampaan, vaikka niitä ei ole varattu hankaamalla. Negatiivisesti varautunut kampa karkottaa paperipalan elektroneja, jolloin paperipalan kamman puoleinen pää varautuu positiivisesti ja kammasta kaukana oleva pää negatiivisesti, koska erimerkkiset varaukset vetävät toisiaan puoleensa. Sanotaan, että paperipala on polarisoitunut.

Varattu kappale voi olla sähköisessä vuorovaikutuksessa myös alunperin neutraalin kappaleen kanssa Tällöin neutraali kappale polarisoituu.

KAKSI KAMPAKUVAA Negatiivisesti varattu kampa vetää paperipalan positiivista päätä puoleensa. Negatiivisesti varattu kampa hylkii paperipalassa olevia elektroneja ja aikaansaa paperin polarisoitumisen.

KAKSI KUVAA Ilmapallo varautuu sähköisesti, kun sitä hankaa hiuksiin. Varautunut pallo tarttuu seinään, koska seinä polaroituu ja vetää palloa puoleensa.

Salaman synty

 

VALOKUVA

Ukkossäällä pilvissä olevat hiukkaset varautuvat hankautuessaan toisiaan vasten. Positiiviset varaukset voivat kerääntyä pilven yläosaan ja negatiiviset alaosaan. Käytännössä varaukset saattavat jakautua hyvinkin monimutkaisella tavalla pilvessä.

KAAVIOKUVA SALAMAN SYNNYSTÄ

Pilven alaosassa oleva negatiivinen varaus karkottaa maanpinnalta elektroneja, jolloin maahan syntyy positiivinen varaus. Kun varaukset ovat riittävän suuret, ne purkautuvat salamana. Salama kestää lyhyen ajan, mutta purkauksessa vapautuu huomattavasti energiaa. Tämä purkausenergia voi sytyttää esimerkiksi tulipalon. Jos salaman energian pystyisi varastoimaan, se riittäisi 100 watin hehkulampun energiaksi yhdeksi kuukaudeksi. Korkeissa rakennuksissa on metallista valmistettuja ukkosenjohdattimia, jotka johtavat sähköpurkauksen maahan vaurioita aiheuttamatta.

VALOKUVA UKKOSENJOHDATTIMESTA

Korkeisiin rakennuksiin asennetaan ukkosenjohdattimet. "Johdatin" on metallijohdin, jonka toinen pää on rakennuksen korkeimmassa kohdassa ja toinen pää maassa. Kun salama iskee rakennuksen korkeimpaan kohtaa, johtaa "johdatin" salaman, sähkövirran, maahan. Sähkövirta kulkee aina helpointa reittiä, tässä tapauksessa pitkin "johdatinta".

Pieniä salamoita, kipinöintiä, voi nähdä, kun riisuu pimeässä huoneessa keinokuituisen villapuseron. Näiden pienten kipinöiden alkuperä on luonteeltaan samanlainen salaman kanssa.

Sähkövarauksen historiaa

Antiikin kreikkalaiset havaitsivat vuoden 600 eKr. vaiheilla, että hangattu meripihkakappale veti puoleensa keveitä esineitä. Meripihka on kreikan kielellä elektron. Tästä elektroni on saanut nimensä.

Sähkön järjestelmällinen tutkiminen alkoi hankaussähkön tutkimuksesta. Saksalainen Magdeburgin pormestari Otto von Guericke rakensi v. 1672 ensimmäisen hankaussähkökoneen. Hänen koneensa muodostui käden kokoisesta rikkipallosta, jota pyöritettiin ja hangattiin käsin. Von Guericke havaitsi, että luonnossa esiintyy sekä veto- että poistovoimia, joita hän sai aikaan hankaamalla. Hän piti näin aikaansaatuja voimia maan vetovoimaa vastaavana. Von Guericken sai tekemissään kokeissa niin voimakkaita sähköiskuja, ettei hän suostunut toistamaan kokeitaan. Raportoidessaan kokeistaan tiedeakatemialle hän ilmoitti, ettei edes maan kunnia saa häntä toistamaan kokeitaan. Vasta 1700-luvun lopulla ymmärrettiin näiden voimien sähköinen luonne.

Tutkimuksia

Käytettävissäsi on piirtoheitinkalvoja, villakangasta, pingispallo ja alumiinifoliota. Varo hankaamasta kalvoja ennen koetta.

Kappaleen varaaminen

Hankaa kahta piirtoheitinkalvoa villakankaalla.

KAKSI KUVAA

Piirtoheitinkalvojen välisen vuorovaikutuksen tutkiminen

–  Miten ne vaikuttavat toisiinsa?
–  Miten hankaamiseen käytetty villakangas vaikuttaa piirtoheitinkalvoon?
–  Miten piirtoheitinkalvo vaikuttaa hiuksiin?

Varatun kappaleen vaikutus varaamattomaan kappaleeseen

Hankaa piirtoheitinkalvo villakankaalla. Aseta hangatulle kalvolle pingispallo, joka on päällystetty alumiinifoliolla.

–  Pohdi selitystä havainnoillesi.

Kampaa hiuksiasi muovikammalla. Vie kampa hanasta hiljaa valuvan ohuen vesinoron lähelle.

–  Mitä vesinorolle tapahtuu? Miksi?

Tehtäviä

1.Kun hiuksia harjataan, harja saa negatiivisen varauksen. Minkä merkkisen varauksen hiukset saavat? Miksi?

2.Missä jokapäiväisissä tilanteissa voi esiintyä hankaussähköä?.

3.Sanotaan, että kokolattiamatto tulee helposti sähköiseksi. Mitä tällä tarkoitetaan? Miksi kokolattiamatolla kävelyn jälkeen saa helposti sähköiskuja?

4.Miten salama syntyy? Kuinka salamalta voidaan suojautua? Miten taloja suojellaan salamalta?

5.Valmista kuvan ohjeen mukainen varausilmaisin maitopurkista. Tutki, mihin kohtaan hangattu kappale kannattaa laittaa, jotta varausilmaisin toimisi. Tutki, miten hankaamisen määrä vaikuttaa ilmaisimen toimintaan.

KUVASARJA MAITOPURKKIASKARTELUSTA

Demonstraatioita

1. Piirtoheitinkalvojen veto- ja poistovoimat

Demonstraatiossa havainnollistetaan piirtoheitinkalvojen varautumista. Kalvo saa hankauksessa sähkövarauksen. Sähkövarauksia havaitaan olevan kahdenlaisia. Varaukset voivat joko hylkiä tai vetää toisiaan puoleensa. Katso tarkemmin ilmiön selitys edellä olevasta tekstistä .

Koe onnistuu parhaiten uusilla kalvoilla. Vanhat kalvot saattavat olla varautuneita jo entuudestaan ja aiheuttaa ei-toivottuja tapahtumia. Koe onnistuu paremmin kuivalla kuin kostealla säällä. Paras sää kokeiden onnistumiseen on kuiva pakkasilma.

VALOKUVA 1. Kaksi hankaamatonta piirtoheitinkalvoa eivät ole keskenään vuorovaikutuksessa. Ne eivät vedä toisiaan puoleensa eivätkä hylji.

VALOKUVA 2. Hankaa piirtoheitinkalvoa villakankaan palalla.

VALOKUVA 3. Hankaa myös toista kalvoa villakankaan palalla.

VALOKUVA 4. Vie hangatut kalvot lähekkäin. Havaitaan, että kalvot hylkivät toisiaan. Kalvot saivat hankaamisessa ominaisuuden, joka synnyttää kalvojen välille poistovoiman (vuorovaikutuksen). Tätä kappaleen hankaamisessa saamaa ominaisuutta kutsutaan sähkövaraukseksi.

VALOKUVA . Vie hankaamisessa käytetty villakangas piirtoheitinkalvon lähelle. Havaitaan, että kangas vetää kalvoa puoleensa. Ilmeisesti villakangaskin sai hankaamisessa samantapaisen ominaisuuden, kuin piirtoheitinkalvo. Kappaleet voivat siis saada hankaamisessa sellaisen ominaisuuden (varauksen), että tämä ominaisuus voi synnyttää joko veto- tai poistovoiman kappaleiden välille. Havaittua kappaleen ominaisuutta on siis kahta lajia. Näitä kahta kappaleen samaa hankaamisessa saamaa ominaisuutta on alettu kutsua positiiviseksi ja negatiiviseksi sähkövaraukseksi.

Edellä tehdyt kokeet tulkitaan siten, että kappale voi saada hangattaessa joko positiivisen tai negatiivisen sähkövarauksen. Kun kahdella kappaleella on sama sähkövaraus, ne hylkivät tosiaan. Kun sähkövaraus on erilainen, kappaleet vetävät toisiaan puoleensa. Katko tarkemmin ilmiön selitys linkistä .

2. Hangattu kampa vetää keveitä esineitä puoleensa

Demonstraatiossa havainnollistetaan kappaleen polarisoitumista. Varattu kappale vetää toisia kappaleita puoleensa, koska kappaleet polarisoituvat, jos lähellä on varattu kappale. Katso tarkemmin ilmiön selitys edellä olevasta tekstistä .

VALOKUVA 1. Hankaa kampaa villakankaan palalla tai kampaa hiuksiasi.

VALOKUVA 2. Vie kampa lähelle paperisilppua. Havaitaan, että paperisilppu tarttuu kampaan, vaikka silppua ei ole hangattu.

VALOKUVA 3. Vie hankaamisessa käytetty villakangas paperisilpun lähelle. Havaitaan, että sekin vetää paperisilppua puoleensa.

Demonstraatio havainnollistaa kappaleen polarisoitumista. Varattu kampa tai villakangas vetävät paperisilppua puoleensa, koska paperisilppu polarisoituu, kun lähellä on varattu kappale. Katso tarkemmin ilmiön selitys edellä olevasta tekstistä .

3. Elektroskooppi

Elektroskoopi on laite, jolla voidaan todeta, että kappaleella on sähkövaraus. Elektroskooppi on eristetty metallikappale, jonka toinen pää jakautuu kiinteäksi sauvaksi ja osoittimeksi, joka voi kiertyä. Elektroskooppi varautuu, kun sen kohtiota kosketetaan varatulla kappaleella. Elektroskoopin runko ja osoitin varautuvat samanmerkkisiksi ja karkottavat siten toisiaan. Elektroskooppiin siirtynyt varaus on sitä suurempi, mitä suurempaan kulmaan osoitin kääntyy. Kun elektroskooppiin tuodaan lisää varausta, kulma suurenee. Elektroskooppiin voidaan tuoda peräkkäin vastakkaismerkkisiä varauksia, jolloin todetaan, että ne kumoavat toisensa. Varaamisen jälkeen kulma alkaa hitaasti pienentyä varauksen purkautuessa ympäristöön.

VALOKUVA 1. Aseta elektroskooppi eristelevylle (esim. oppikirja) pöydälle. Kosketa elekstroskoopin kohtiota varaamattomalla lasisauvalla (sauvaa ei ole hangattu).

VALOKUVA 2. Hankaa lasisauvaa villakankaalla.

VALOKUVA 3. Kosketa elektroskoopin kohtiota varatulla lasisauvalla. Havaitaan, että elektroskoopin osoitin kiertyy. Varatusta kappaleesta siirtyy varauksia elektroskooppiin.

VALOKUVA 4. Hankaa sauvaa uudestaan.

VALOKUVA 5. Kosketa elektroskoopin kohtiota varatulla lasisauvalla. Havaitaan, että elektroskoopin osoitin kiertyy lisää. Varatusta kappaleesta siirtyy lisää varauksia elektroskooppiin.

VALOKUVA 6. Kosketa elektroskoopin kohtiota metalliesineellä. Havaitaan, että elektroskoopin osoitin palaa alkutilanteeseen. Varaus purkautuu johdekappaletta pitkin käden kautta ympäristöön. Jos elektroskoopin kohtiota kosketetaan eristekappaleella, esimerkiksi lasisauvalla, ositin ei kierry eli elektroskooppi ei purkaudu. Ilmiö selitetään siten, että varaukset voivat liikkua vain johdekappaleissa - eristeissä varaukset eivät pääse liikkumaan.

VALOKUVA 7. Kun varaukset ovat purkautuneet elektroskoopista, osoitin on pystyasennossa.

4. Nauhageneraattori

Myös samassa kappaleessa samanmerkkiset varaukset karkottavat toisiaan. Siksi johteessa varaus asettuu ulkopinnalle, keräytyy erityisesti ulkoneviin kärkiin ja pyrkii purkautumaan niistä. Onttoon johdekappaleeseen voidaan tuoda jatkuvasti lisää varausta sisäpinnan kautta. Tähän perustuu nauhageneraattorin toiminta: nauha vie isoon kupuun sisäpuolelle jatkuvasti lisää sähkövarausta.

VALOKUVA 1. Kun varausta (sähkövarauksia) on siirtynyt isoon kupuun riittävästi, syntyy ison kuvun ja pallon välille kipinäpurkaus, pieni salama ( katso salaman synty ). Iso kupu vastaa ukkospilveä ja pieni pallo maan pintaa.

VALOKUVA 2. Sähköistä hylkimisvoimaa voidaan demonstroida nauhageneraattorin kupuun kiinnitetyllä kulhollisella eristepalloja tai viuhkalla. Pallot varautuvat samanmerkkisesti ja hylkivät toisiaan. Ne alkavat pomppia.

 

2 VIRTAPIIRI

Kun taskulampun kytkintä painetaan, lamppu syttyy. Kytkimen painaminen yhdistää johtimella hehkulampun navat pariston napoihin. Havaitun ilmiön selittäminen edellyttää paristossa ja johtimessa tapahtuvien ilmiöiden ominaisuuksiin perehtymistä.

KAAVIOKUVA taskulampun rakenteesta

Taskulampun lampun syttymistä voidaan verrata salaman välähdykseen. Salaman edellytyksenä on, että ukkospilven alaosalla ja maan pinnalla on erimerkkinen sähkövaraus. Pilven ja maan pinnan välillä on jännite. Kun jännite on riittävän suuri, syntyy salama. Salaman välähdyksessä sähkövarauksia virtaa pilvestä maahan, jolloin jännite häviää. Tätä varausten virtausta kutsutaan sähkövirraksi. Uusi salama voi syntyä, kun jännite on taas riittävän suuri.

Kun taskulampun lamppu hehkuu, paristossa tapahtuu kemiallisia reaktioita. Nämä reaktiot synnyttävät pariston napojen välille jännitteen. Jännite kestää pariston napojen välillä niin kauan kuin paristossa riittää reagoivia aineita.

VALOKUVA hehkulamppu

Kun lamppu hehkuu, pariston ja lampun yhdistävissä johtimissa kulkee sähkövirta. Hehkulangan läpi kulkeva sähkövirta saa sen hehkumaan. Mitä suurempi sähkövirta on, sitä voimakkaammin hehkulanka hehkuu. Hehkuminen ilmaisee, että johtimessa kulkee sähkövirta. Mitä ohuempi johdin tai hehkulanka on, sitä pienemmällä sähkövirralla se alkaa kuumeta ja hehkua.

Hehkulanka hehkuu, kun langan läpi virtaa sähkövirta. Sähkövirta kulkee myös lamppuun tulevassa johtimessa, vaikka johdin ei hehku.

Kun virtapiiri suljetaan, pariston jännite saa aikaan sähkövirran virtapiirissä. Kun pariston kemialliset reaktiot ovat loppuneet, jännite häviää ja virtapiirissä ei kulje sähkövirtaa.

 

Komponentti ja virtapiiri

VALOKUVA Kun pariston navat yhdistetään kahdella johtimella lampun napoihin, lamppu alkaa hehkua (vasen kuva). Taskulampussa ja muissa sähkölaitteissa lamppu kierretään kantaan ja paristo asetetaan paristokoteloon (oikea kuva). Lampun kannassa on kaksi napaa, jotka ovat yhteydessä lampun napoihin ja paristokotelossa joko kaksi johtoa tai metalliliuskaa, jotka ovat yhteydessä pariston napoihin. Lampun kannan navat ja paristokotelon navat on kätevämpi yhdistää nk. hauenleukajohtimilla kuin pelkät komponenttien navat.

Paristo on komponentti, jossa tapahtuvat kemialliset reaktiot synnyttää napojen väliin jännitteen ( katso tarkemmin ). Tarkkaan ottaen tätä komponenttia pitäisi kutsua sähköpariksi . Vasta, kun pareja kytketään sarjaan, saadaan paristo. Käytännössä myös sähköparejakin kutsutaan usein paristoiksi. Pariston toista napaa sanotaan plusnavaksi (+) ja toista miinusnavaksi (-). Pariston napojen välillä on jännite. Sähköpiirustuksissa paristolla on oma piirrosmerkki.

KAAVIOKUVA paristo ja piirrosmerkki

Paristoksi sanottu komponentti on tarkkaan ottaen sähköpari.

Myös lampulla, kuten kaikilla muillakin peruskomponenteilla, on kaksi napaa. Pienikokoisia lamppuja kutsutaan polttimoksi erityisesti silloin kun kyseessä on polkupyörän lamppu. Lasikuvun sisällä näkyvän hehkulangan molemmista päistä kulkee johdin lampun napoihin. Myös lampulla on oma piirrosmerkkinsä.

KAAVIOKUVA lamppu ja lampun piirrosmerkki

Hehkulamppu (polttimo) ja hehkulampun piirrosmerkki. Lampun hehkulanka voidaan kytkeä osaksi virtapiiriä.

 Paristosta ja lampusta muodostetaan suljettu virtapiiri yhdistämällä ensin pariston ja lampun navat johtimella. Piirrosmerkkien avulla esitettyä kytkentää sanotaan kytkentäkaavioksi. Johtimet on tapana piirtää niihin vain vaaka- ja pystysuoraan.

KAAVIOKUVA

Pariston toinen napa yhdistettynä johtimella lamppuun.

 

Kun pariston ja lampun toinenkin napa yhdistetään, lamppu alkaa hehkua. Lampun hehkulangan läpi kulkee sähkövirta. Kemialliset reaktiot paristossa ylläpitävät napojen välistä jännitettä ja saavat siten aikaan jatkuvan sähkövirran virtapiiriin.

KAAVIOKUVA Pariston ja lampun muodostama suljettu virtapiiri, jossa sähkövirta voi kulkea. Sähkövirran suunta on sovittu pariston plus-navasta poispäin.

Suljettu virtapiiri on johtimien, pariston ja lampun tai muiden sähkölaitteiden muodostama sähkövirran kulkureitti.

VALOKUVA Erilaisia pienoisakkuja, sähköpareja ja paristoja

VALOKUVA Erilaisia paristokoteloita

VALOKUVA Hehkulamppu ja lampun kanta (lampun pidike).

Jännite ja sähkövirta

Kytketään kaksi paristoa sarjaan. Havaitaan, että ne yhdessä saavat lampun hehkumaan paljon kirkkaammin kuin yksi paristo. Mitä kirkkaammin lamppu hehkuu sitä suurempi sähkövirta piirissä kulkee.

KAAVIOKUVA Kaksi paristoa sarjassa

Pariston voimakkuutta kuvaava suure on jännite. Koe havainnollistaa tämän suureen luonnetta. Paristot vahvistavat toisiaan, kun ne kytketään sarjaan. Kahden pariston yhteinen jännite on suurempi kuin yhden pariston jännite.

Mitä suurempi on piiriin kytketyn pariston jännite sitä suurempi sähkövirta piirissä kulkee.

Jos paristot kytketään vastakkain, lamppu ei hehku ollenkaan. Paristojen vaikutukset kumoavat toisensa ja piirissä ei kulje sähkövirtaa. Kun paristoja kytketään peräkkäin, niiden jännitteitä voidaan laskea yhteen ottamalla huomioon, miten päin ne on kytketty peräkkäin.

KAAVIOKUVA Paristojen vaikutukset kumoavat toisensa

Kemialliset reaktiot paristossa synnyttävät pariston napojen välille jännitteen. Kun jännite kasvaa, kasvaa sähkövirta piirissä. Jännitteen yksikkö on voltti (1 V).

KAAVIOKUVA

Kytketään seuraavaksi kaksi lamppua sarjaan. Havaitaan, että lamput syttyvät ja sammuvat yhtä aikaa, palavat keskenään yhtä kirkkaasti, mutta huomattavasti himmeämmin kuin yksi lamppu yksinään.

Kaksi lamppua sarjassa. Sarjaan kytkennässä komponentin napa kytketään aina seuraavan komponentin napaan.

 

Sarjaan kytketyt lamput vastustavat sähkövirtaa enemmän kuin yksi lamppu. Tätä sähkövirran kulun vastustamisominaisuutta sanotaan komponentin tai kytkennän resistanssiksi. Mitä suurempi komponentin resistanssi on, sitä pienempi sähkövirta komponentin läpi kulkee.

Kokeen perusteella voidaan päätellä, että kaikki virtapiirin yksinkertaiset laitteet ja komponentit ovat kaksinapaisia. Jotta virtapiiristä tulisi suljettu, on virtapiirin kaikkien komponenttien navat yhdistettävä johtimella. Kun lamppu hehkuu, virtapiirissä kulkee kaikkialla yhtä suuri sähkövirta. Sähkövirta syntyy samanaikaisesti piirin jokaisessa kohdassa.

Tehdään vielä yksi sähkövirran ja samalla virtapiirin ominaisuuksia valaiseva koe. Kytketään kaksi lamppua rinnan. Havaitaan, että ne palavat yhtä kirkkaasti kuin yksi lamppu yksinään. Paristosta saadaan siis kaksinkertainen sähkövirta. Piirin haarautuessa myös virta jakautuu. Koska sähkövirta on kaksinkertainen, voidaan päätellä, että rinnan kytketyt lamput vastustavat sähkövirran kulkua vähemmän kuin yksi lamppu.

KAAVIOKUVA Kaksi lamppua rinnan. Rinnan kytkennässä molemmat komponentin navoista kytketään toisen komponentin napoihin.

Kun hehkulamppu kytketään pariston napoihin johtimilla,  virtapiirin syntyy sähkövirta. Hehkulangan läpi kulkeva sähkövirta saa sen hehkumaan. Mitä suurempi sähkövirta kulkee hehkulangan läpi, sitä voimakkaammin hehkulanka hehkuu. Sähkövirran yksikkö on ampeeri (1 A).

 

Sähkövirralla siirretään energiaa

Lähes kaikki kotona, kouluissa ja elinkeinoelämässä tarvittava energia saadaan sähkövirran välityksellä. Sähkövirralla voidaan siirtää energiaa pitkienkin matkojen päähän ilman suurta energianhukkaa. Siksi on mahdollista sijoittaa turvallisuussyistä suuret hiili- ja ydinvoimalaitokset kauaksi asutuskeskuksista ja siirtää energia sähkövirran avulla voimalaitoksista energian kuluttajille.

VALOKUVA Hiilivoimalaitos ja tuulivoimalaitos

VALOKUVA Vesivoimalaitoksen pato

VALOKUVA Hiilivoimalaitoksen tai ydinvoimalaitoksen turbiineja pyörittää kuuma höyry. Höyry jäähdytetään torneissa, jos voimalaitoksen lähellä ei ole jäähdyttämiseen soveltuvaa vesistöä. Kuvassa voimalaitoksen jäähdytystorneja

VALOKUVA Voimalaitoksen generaattorihuone. Sähkövirta synnytetään voimalaitoksissa generaattorilla.

 

Sähköllä siirretään energiaa myös pienessä mittakaavassa. Paristo ja siihen kytketty lamppu muodostavat taskulampussa yksinkertaisen virtapiirin. Hehkulamppu tuottaa hehkuessaan lämpöä 93 % ja valoa 7 %. Energia on peräisin paristossa tapahtuvista kemiallisista reaktioista.

KUVA Taskulampussa siirretään energiaa paristoista lamppuun.

Piirrosmerkit

Laitteiden ja komponenttien piirtäminen on hankalaa ja monimutkaista, joten niille on kehitetty yksinkertaisia piirrosmerkkejä. Piirrosmerkkien avulla esitettyä kytkentää sanotaan kytkentäkaavioksi.

TAULUKKO, JOSSA LAITTEET JA PIIRROSMERKIT

Tasa- ja vaihtovirta

Taskulampun pyöreän pariston jännite on noin 1,5 volttia, joka aiheuttaa lampusta riippuen noin 100 milliamperin sähkövirran. Paristosta saatava virta kulkee koko ajan samaan suuntaan. Sitä kutsutaan tasavirraksi ja sille käytetään merkintää DC (direct current).

KAAVIOKUVA Pistorasian kohtioiden välinen jännite on 230 volttia.

 

Seinässä olevassa pistorasiassa on kaksi kohtiota, joiden välillä on 230 V:n jännite. Pistorasian kohtioita ei sanota navoiksi, vaikka periaatteessa pistorasiaa voitaisiin pitää samalla tavalla jännitelähteenä kuin paristoa. Toinen kohtio on nollakohtio ja toinen jännitteellinen kohtio. Kun sähkölaitteen pistoke painetaan pistorasiaan, laitteen läpi alkaa kulkea sähkövirta. Esimerkiksi silitysraudan läpi saattaa kulkea noin 2 ampeerin sähkövirta ja hehkulampun läpi 0,3 A:n sähkövirta.

Pistorasiasta saatava sähkövirta on vaihtovirtaa, AC (alternating current). Vaihtovirran taajuus on tavallisesti 50 Hz, joka tarkoittaa sitä, että virran suunta muuttuu 100 kertaa yhden sekunnin aikana.

Johteet ja eristeet

KUVA Nanon ja Pikon kytkentä (?)

Nano ja Piko päättävät tutkia aineiden sähköisiä ominaisuuksia. He kokoavat paristokotelosta, hehkulampusta ja kolmesta johtimesta virtapiirin. Asettamalla eri aineista valmistettuja kappaleita vapaana olevien johtimien päiden välille he saavat selville, mitkä aineet johtavat sähkövirtaa ja mitkä eivät. Kun lamppu hehkuu, kappale johtaa sähkövirtaa.

Sellaisia aineita, joissa sähkövirta kulkee, sanotaan johteiksi. Eristeissä sähkövirta ei kulje. Nesteitä, jotka johtavat sähköä, sanotaan elektrolyyteiksi.

Sähkölaitteiden virtapiirit

VALOKUVA Sähkölaitteiden virtapiirit suunnitellaan piirilevyille. Piirilevyn komponentit ovat kiinni toisissaan piirilevyllä olevien ohuiden metallinauhojen avulla. Ihmisen virtapiirit

VALOKUVA EKG-käyrän mittaaminen

VALOKUVA EKG-käyrän pulsseja

TUTKIMUS Lamppu hehkumaan

Käytettävissäsi on sähköpari ja hehkulamppu sekä kaksi johdinta.

KUVA komponenteista

 – Tutki, millä tavalla hehkulamppu ja sähköpari on yhdistettävä kahdella johtimella, jotta hehkulamppu hehkuisi. Kun olet saanut lampun hehkumaan, olet rakentanut suljetun virtapiirin. Sähkövirta voi kulkea tällaisessa piirissä. Jos piiri on avoin, sähkövirtaa ei kulje. Piirrä kuva rakentamastasi suljetusta virtapiiristä. Piirrä hehkulamppu riittävään suureen kokoon.

– Tutki, voitko saada lampun hehkumaan yhdellä johtimella.

– Tutki hehkulamppua ja piirrä havaintojesi ja edellisen tutkimuksen tulosten perusteella kuvaan hehkulampun sisällä kulkevat johtimet.

– Kirjoita selitys, milloin virtapiiri on avoin ja milloin suljettu.

Eriste eristää ja johde johtaa

Käytettävissäsi on kolmen sähköparin teline ja hehkulamppu sekä kaksi irrallista johdinta.

Aineita, joissa sähkövirta voi kulkea, sanotaan johteiksi. Aineita, joissa sähkövirta ei kulje, sanotaan eristeiksi. Tulet tarvitsemaan myöhemmissä tutkimuksissa erilaisia johteita ja eristeitä.

– Tutki, kuvan mukaisella kytkennällä, mitkä aineet johtavat sähkövirtaa ja mitä aineet ovat eristeitä. 

KUVA kytkennästä

Esitä tutkimuksesi tulokset taulukkona.

KUVA taulukosta

Kalvokytkin kytkee

Tarvitset 3 postikortin kokoista pahvi- tai muovilevyä tai pitkän liuskan, joka taivutetaan kuvan mukaisesti, kolme johdinta, alumiinifoliota, summerin, kolmen pariston telineen ja kolme paristoa sekä liimaa, teippiä, sakset ja nitojan.

– Leikkaa kuvan mukaisesti neliön muotoinen reikä pahvikorttiin. Tästä kortista tulee kalvokytkimen keskimmäinen kerros.

– Piirrä reiän suuruinen neliö kahteen muuhun korttiin.

– Liimaa kaksi alumiinifoliosuikaletta toiseen korttiin siten, että suikaleet kulkevat neliön läpi, ovat lähekkäin, mutta eivät  kosketa toisiinsa ja ulottuvat kortin reunalle. Tästä kortista tulee kalvokytkimen pohja.

– Liimaa foliopala jäljelle jääneeseen korttiin siten, että se peittää piirtämäsi neliön. Tämä kortti on kalvokytkimen päällimmäinen kalvo.

  • Niittaa kortit yhteen toisesta päästä ja kiinnitä hauenleukajohtimet alumiinisuikaleisiin.

KUVA kalvokytkimen askartelusta

Virtapiiri on suljettu, kun kaikki sähköä johtavat metalliosat ovat yhteydessä toisiinsa. Silloin summeri soi. Olet rakentanut kalvokytkimen.

– Piirrä kuva rakentamastasi virtapiiristä.

– Millä eri tavoin voit sulkea virtapiirin? Sulkeutuuko virtapiiri esimerkiksi silloin, kun pyörität jonkin esineen kalvokytkimen yli.

– Mihin tarkoituksiin kalvokytkintä voisit käyttää? Soveltuuko kytkin varashälyttimen kytkimeksi? Voiko sitä käyttää ”tuolivahtina”? Piirrä kuva kehittämästäsi kalvokytkimen käyttösovelluksesta.

TEHTÄVIÄ 

KUVA hehkulampun rakenne

5.   Yllä on ehdotettu erilaisia rakenteita tavalliselle hehkulampulle. Kuvista selviää, miten johtimet kulkevat hehkulampun metallikuoren sisällä. Mitkä kuvat esittävät parhaiten hehkulampun rakennetta?

 

6.   Missä tilanteissa lamppu hehkuu? Luokittele virtapiirit suljettuihin ja avoimiin. Milloin virtapiiri on suljettu?

KUVA milloin lamppu hehkuu

7.    Kattolamppu näyttää riippuvan yhden johdon varassa. Minkälainen on kattolampun suljettu virtapiiri?

8.    Piirrä kahden lampun, katkaisijan ja pariston kytkentäkaavio kytkennästä, jossa toinen lamppu hehkuu jatkuvasti ja toisen voi sytyttää katkaisijalla.

Demonstraatioita

1. Suljettu ja avoin virtapiiri

Rakenna paristosta, lampusta ja katkaisijasta kuvan mukainen virtapiiri. Huomaa, miten johtimet tulee kytkeä katkaisijaan. Lampun hehkumista voidaan säätää katkaisijasta.

VALOKUVA Suljettu virtapiiri. Lamppu hehkuu.

VALOKUVA Avoin virtapiiri. Lamppu ei hehku.

2. Lamppujen ja paristojen kytkentöjä

Kahden lampun ja kahden pariston avulla voidaan tehdä joukko kokeita, joiden perusteella voidaan päätellä muutamia kytkentöjen ominaisuuksia. 

VALOKUVA Peruskytkentä: lamppu on kytketty paristoon kahdella johtimella. Tähän peruskytkentään verrataan muita kytkentöjä. Kun katsoo oikein tarkkaan, huomaa, että lamppu hehkuu.

VALOKUVA Kun paristot kytketään sarjaan (peräkkäin), lamppu hehkuu kirkkaammin kuin peruskytkennässä. Paristot vahvistavat toisiaan sarjaan kytkennässä.

VALOKUVA Kun lamppuja kytketään rinnakkain (lamppujen navat yhdistetään ja kytketään sitten paristoon) lamput hehkuvat yhtä kirkkaasti kuin yksittäinen lamppu.

3. Johteet ja eristeet

Kuvan mukaisella kytkennällä voidaan tutkia, onko virtapiirin osaksi kytketty kappale johde vai eriste.

Lamppu ei hehku, joten vihreä kappale on eriste. Kun vihreän kappaleen tilalle laitetaan esimerkiksi rautanaula, lamppu hehkuu.

 

3 PERUSKYTKENNÄT

KUVA Piko ja Nano ovat rakentaneet lampuista, paristoista, kytkimestä, summerista ja muista sähkölaitteista kytkennän yhdistämällä johtimella komponenttien navat.    

Jännitteen ja sähkövirran mittaaminen

VALOKUVA Jännitteen ja sähkövirran mittaamiseen tarvittavia mittareita ja komponentteja .

Jännitettä ja sähkövirtaa ei voi havaita samalla tavalla kuin työpöydän pituutta tai punnuksen massaa. Jos virtapiirissä on hehkulamppu, lampun hehkumisen voimakkuuden perusteella voi vertailla sähkövirtoja. Jännitettä ja sähkövirtaa mitataan mittareilla, joissa sähkövirta ja jännite saavat aikaan jonkin näkyvän ilmiön, esimerkiksi viisarin heilahtamisen.

Jännite- ja virtamittarit ovat hehkulampun tapaan kaksinapaisia ja niihin kytketään siis kaksi johdinta. Jännitemittarilla mitataan joko pariston tai sähkölaitteen napojen välinen jännite. Kun jännitemittarilla mitataan virtapiirissä olevan komponentin napojen välinen jännite, sanotaan, että mittarilla mitataan jännitehäviö komponentissa.

Jännitemittari kytketään kahdella johtimella pariston tai lampun napoihin.

VALOKUVA ja KYTKENTÄKAAVIO Digitaalisesta yleismittarista valitaan kiertokytkimestä jännitteen mittaaminen. Mittari etsii itse sopivan mittausalueen. Pienoisakun jännite on 1,34 V.

Virtamittarilla mitataan lampun tai muun komponentin läpi kulkeva sähkövirta. Jos virtamittarissa on erilaisia alueita, mittari kytketään siten, että ensin valitaan suurin mittausalue. Jos mittari ei näytä lukemaa, valitaan herkempi alue.

Virtamittari kytketään virtapiirin osaksi siten, että mitattava sähkövirta kulkee sen läpi.

VALOKUVA JA KYTKENTÄKAAVIO Digitaalisesta yleismittarista valitaan kiertokytkimestä virran mittaaminen. Mittari etsii itse sopivan mittausalueen. Lampun läpi kulkee 44,7 mA:n sähkövirta.

Paristojen kytkennät

Kun tarvitaan yhden pariston jännitettä suurempi jännite, paristoja kytketään sarjaan. Paristot ovat sarjassa, kun ne on kytketty jonoksi eli niiden erimerkkiset navat on yhdistetty. Kolmen 1,5 voltin pariston kokonaisjännite on sarjaan kytkennässä 4,5 volttia.

VALOKUVA JA KYTKENTÄKAAVIO Paristojen kytkentä sarjaan. Kolmen sarjaan kytketyn pariston jännite on 4.13 V.

KUVA Korvalappustereot vaativat toimiakseen 6 voltin käyttöjännitteen, joten 1,5 voltin paristoja joudutaan kytkemään neljä kappaletta sarjaan.

 

Paristot on kytketty rinnan, kun niiden samanmerkkiset navat on yhdistetty. Kolmen 1,5 voltin pariston kokonaisjännite on rinnan kytkennässä 1,5 volttia. Kytkemällä paristoja rinnan ei saada suurempaa käyttöjännitettä, mutta ne antavat piiriin energiaa pitempään kuin yksittäinen paristo.

VALOKUVA JA KYTKENTÄKAAVIO Paristojen kytkentä rinnan. Kahden rinnan kytketyn pariston jännite on 1,38 V.

KUVA Jos auto ei starttaa, vika saattaa olla akussa. Toisen auton akku kytketään tällöin oman auton akun kanssa rinnan eli akun miinusnapa miinusnapaan ja plusnapa plusnapaan. Auto käynnistetään toisen auton akusta saatavalla energialla.

 

Lamppujen kytkentöjen vaikutus sähkövirtaan

Kun kaksi lamppua kytketään sarjaan, havaitaan, että ne palavat keskenään yhtä kirkkaasti, mutta huomattavasti himmeämmin kuin yksi lamppu yksinään. Sarjaan kytketyt lamput vastustavat sähkövirran kulkua enemmän kuin yksi lamppu. Tätä sähkövirran kulun vastustamisominaisuutta sanotaan komponentin tai kytkennän resistanssiksi. Mitä suurempi komponentin resistanssi on, sitä pienempi sähkövirta komponentin läpi kulkee.

KAAVIOKUVA Kaksi lamppua sarjassa.

Kytketään kaksi lamppua rinnan. Havaitaan, että ne palavat yhtä kirkkaasti kuin yksi lamppu yksinään. Paristosta saadaan siis kaksinkertainen sähkövirta. Rinnan kytketyt lamput vastustavat sähkövirran kulkua vähemmän kuin yksi lamppu. Rinnan kytkennässä resistanssi pienenee.

KAAVIOKUVA Kaksi lamppua rinnan. Rinnan kytkennässä molemmat komponentin navoista kytketään toisen komponentin napoihin.

KUVA Joulukuusen kynttilät on kytketty sarjaan. Kun yksittäinen joulukuusen kynttilä ruuvataan irti, virtapiiri katkeaa ja kaikki kynttilät sammuvat.

Oikosulku

Oikosulku syntyy, kun jännitelähteen navat yhdistetään suoraan langalla. Jos johdin on lyhyt ja paksu, se ei juurikaan vastusta virran kulkua. Sähkövirta saattaa olla useiden kymmenien ampeerien suuruinen. Suuri sähkövirta puolestaan lämmittää johdinta, jolloin tulipalon vaara on suuri. Jos kotona jokin sähkölaite menee oikosulkuun, rikkoutuu sulake, jotta viallisesta laitteesta ei aiheutuisi vaaraa. Oikosulkutilanteessa saattaa esiintyä myös kipinöintiä.

KUVA Piko aiheuttaa oikosulun kytkemällä naulalla litteän pariston navat yhteen.

 

 Sulake

KUVA Sulakkeen sisällä on ohut metallilanka, joka sulaa poikki ja katkaisee virtapiirin, kun sen läpi kulkeva sähkövirta ylittää sulakkeelle asetetun ylärajan.

Virtapiirissä olevalla sulakkeella suojellaan sähkölaitteiden käyttäjiä vaaratilanteilta estämällä virran kasvaminen liian suureksi. Syynä liian suurelle virralle voi olla esimerkiksi ylikuormitus tai rikki mennyt sähkölaite. Ennen, kuin rikkoutunut sulake vaihdetaan uuteen, tulee selvittää syy sen rikkoutumiselle ja korjata tilanne. Kodin sähköpäätaulussa tavanomaisimmat sulakkeet ovat 10 A:n ja 16 A:n sulakkeita.

Sähkölaitteen sisällä olevan sulakkeen tehtävänä on suojata laitteen sähköisiä komponentteja rikkoutumasta esimerkiksi silloin, kun laitetta käytetään väärin. Viallinen laite voi aiheuttaa oikosulun, koska sähkövirta ei enää kulje laitteen vastusten läpi, vaan sähkövirta kulkee suoraan pistorasian navasta toiseen. Tällöin sähkövirta kasvaa laitteen johdossa ja seinän sisällä kulkevissa sähköjohdoissa, jolloin sähköjohdot lämpenevät ja tulipalon vaara on ilmeinen. Sulake voi rikkoutua, kun laitteessa tapahtuu oikosulku . Ylikuormitus syntyy joskus, kun samaan pistorasiaan kytketään jatkojohdon avulla useita sähkölaitteita samanaikaisesti. Sulake voi rikkoutua ylikuormituksesta .

KAKSI KUVAA OIKOSULKU JA SILITYSRAUTA Nano kytkee liian monta sähkölaitetta samaan pistorasiaan, jolloin pistorasiaan tulevassa sähköjohtimessa kulkee liian suuri sähkövirta ja sulake palaa. Piko silittää viallisella silitysraudalla, jolloin rauta aiheuttaa oikosulun ja sulake palaa. Viallisesta sähkölaitteesta voi saada myös sähköiskun.

Resistanssi

KUVA hehkulampuista

Kotona käytettävät valaisimet kytketään 230 voltin verkkojännitteeseen. Työpöydän lampuksi valitaan kirkas ja eteiseen himmeästi valaiseva lamppu. Koska molemmat lamput kytketään 230 V:n jännitteeseen, kirkkaan lampun hehkulangan läpi täytyy kulkea suurempi sähkövirta kuin himmeästi hehkuvan lampun läpi. Lampun hehkulangalla on jokin ominaisuus, joka vaikuttaa sen läpi kulkevaan sähkövirtaan. Lamppujen hehkulangan materiaali ja paksuus valitaan lampun käyttötarkoituksen mukaan.

Saksalainen oppikoulun opettaja George Simon Ohm (1789 - 1854) tutki 1820-luvulla, miten metallilangan päiden välinen jännite vaikuttaa langassa kulkevaan sähkövirtaan. Hän otti kokeidensa perusteella käyttöön uuden suureen: resistanssin. Resistanssi kuvaa johtimen tai minkä tahansa virtapiirin komponentin kykyä vastustaa sähkövirran kulkua. Mitä suurempi on komponentin resistanssi, sitä vähemmän sähkövirtaa voi kulkee sen läpi.

Resistanssi kuvaa sähkövirran vastustamiskykyä ja sen yksikkö on 1 ohmi = 1 W = 1V/1A.

Yleismittarilla voidaan mitata paitsi sähkövirtaa ja jännitettä myös resistanssia.

Kiertokytkimellä valitaan “resistanssin mittaaminen W ”. Mittari etsii itse sopivan mittausalueen.

Mittaus perustuu Ohmin lakiin. Mittarissa on paristo, jonka navat kytketään mitattavan vastuksen napoihin. Syntyvä sähkövirta ilmaisee vastuksen resistanssin.

KAAVIOKUVA Resistanssin mittaaminen

 

4 JÄNNITELÄHDE YLLÄPITÄÄ JÄNNITETTÄ

KUVA Piko ajaa partaa ja Nano kuuntelee radiota kävellessä. Parranajoon ja kuunteluun tarvittava energia on peräisin paristosta tai akusta.

Pariston jännite

Pariston napoihin syntyy jännite paristossa tapahtuvien kemiallisten reaktioiden seurauksena. Jännitelähteen napojen välinen jännite kuvaa ilmiön voimakkuutta. Tavallisen sauvapariston jännite on noin 1,5 V ja auton akun noin 12 V. Paristot eroavat toisistaan sekä käyttötarkoituksen että käyttöjännitteen perusteella. Sormiparistojen käyttöjännite on 1,5 V, litteiden 4,5 V ja ns. neppariparistojen 9 V.

Jännitelähteessä on navat ja napojen välillä jännite. Jännitelähteen jännite ylläpitää sähkövirtaa virtapiirissä.

KUVA Erilaisia paristoja. Muita jännitelähteitä ovat mm. akku, tuulivoimalaitoksen generaattori ja aurinkopari.

Napajännite

Jännitelähteen napojen välinen jännite kuvaa ilmiön voimakkuutta. Tavallisen pariston jännite on noin 1,7 V. Kun paristosta otetaan sähkövirtaa, pariston napojen välinen jännite laskee noin 1,4 volttiin. Jännite on sitä pienempi, mitä enemmän paristosta otetaan sähkövirtaa.

KUVA Kuormitetun pariston jännite on nimeltään pariston napajännite.

KUVA Auringon lähettämä valo- ja lämpöenergia muuttuu aurinkoparistossa sähkövirraksi.

KUVA Tuuli pyörittää tuulivoimalan roottoreita ja saa aikaan voimalan generaattorissa jännitteen

Voltan pari

Sähköpariksi sanotaan kahden metallilevyn muodostamaa systeemiä. Kun pareja kytketään sarjaan, saadaan paristo. Käytännössä sähköparejakin kutsutaan usein paristoiksi.

Jännitteen yksikkö on saanut nimensä italialaisen Alessandro Voltan mukaan. Hän rakensi ensimmäiset sähköparit ja kokosi niistä sähköparistoja ja sai aikaan paristoillaan samanlaisia kipinöitä kuin von Guericken aikanaan hankaussähkökokeillaan. Volta ymmärsi, kun paristo on virtapiirissä, piiriin syntyy jatkuva sähkövirta.

Volta esitteli vuonna 1800 sähköparin Napoleonille. Voltan sähköparissa sinkki- ja hopealevyjen väliin oli asetettu suolaveteen kostutettu paperi. Liuosta, johon metallit asetetaan, sanotaan elektrolyyttiliuokseksi. Voltan parin, kuten muidenkin paristojen, toiminta perustuu metallien syöpymiseen. Mitä epäjalompi metalli on, sitä halukkaammin se syöpyy. Metallin syöpyessä metallikappaleiden välille syntyy jännite.

Sähköparin metallilevyjen välille syntyy jännite, kun ne ovat suolaliuoksessa.

Paristo

Tavallisessa 1,5 voltin sormiparistossa on mangaanioksidia sinkkipikarissa. Lisäksi paristossa on suolaliuosta. Pariston keskellä on hiilisauva. Sinkkipikari syöpyessä hiilisauvan ja sinkkipikarin välille syntyy jännite.

KUVA pariston rakenteesta

Tavalliset paristot soveltuvat sellaisiin sähkölaitteisiin, joita käytetään satunnaisesti tai niiden virrankulutus on pieni kuten radiossa tai taskulampussa. Lepovaiheen aikana paristo elpyy. Tavallinen paristo voidaan hävittää turvallisesti tavallisten kotitalousjätteiden kanssa, sillä se ei sisällä ympäristömyrkkyjä.

Hinnaltaan kalliimpi alkakaliparisto tulee pitemmän päälle edullisemmaksi kuin tavallinen paristo, jos laitteen virrankulutus on suuri tai laitetta käytetään pitkiä aikoja. Uusimmat alkaliparistot ovat ympäristöystävällisiä ja ne voidaan hävittää turvallisesti tavallisen kotitalousjätteen mukana.

Nikkeli-kadmiumakut ovat samankokoisia kuin tavalliset paristot. Ne tarjoavat taloudellisen vaihtoehdon paristojen suurkuluttajille. Akut soveltuvat hyvin esimerkiksi korvalappusteroiden tai radio-ohjattavien lelujen energialähteeksi. Akut kestävät kauemmin, jos ne aina välillä puretaan kokonaan.

Pienikokoisia erikoisparistoja kuten nappiparistoja käytetään kelloissa, kameroissa ja laskimissa. Nappiparistot saattavat sisältää elohopeaa ja ne on lain mukaan toimitettava ongelmajätteiden keräyspaikkaan. Käytettyjä paristoja ottavat vastaan mm. valokuvausliikkeet ja jotkut ruokakaupat. Käytetyt paristot voi myös jättää erityisiin keräyspisteisiin.

Akku

Akku on sähköpari, joka voidaan ladata ja purkaa. Auton akussa elektrodeina käytetään lyijylevyjä ja elektrolyyttiliuoksena rikkihappoa. Kahden lyijylevyn välillä ei ole jännitettä, vaikka ne ovat elektrolyyttiliuoksessa. Ennen käyttöä akku pitää ladata. Kun akkua ladataan sähkövirralla, lyijylevyt muuttuvat kemiallisesti. Akun purkautuessa reaktiot tapahtuvat toiseen suuntaan ja akku tuottaa sähkövirtaa.

TUTKIMUKSIA

Valoa perunasta

Käytettävissäsi kolme perunaa tai perunan palaa, johtimia, kolme sinkkinaulaa, kolme kuparinaulaa, pienijännitteinen led (1,7–1,9 V) ja jännitemittari. Hohtodiodi eli LED (Light Emitting Diode) on puolijohdekomponentti, joka synnyttää valoa, kun sen läpi kulkee sähkövirta.

KUVA perunasta

Hohtodiodissa kahden puolijohdeaineen liitoskohdassa syntyy valoa. Hohtodiodeja on punaisia, vihreitä ja keltaisia. Ne kuluttavat huomattavasti vähemmän energiaa kuin perinteiset lamput. Niitä käytetään näyttölaitteissa, valomainoksissa ja merkkivaloina esimerkiksi stereoissa. Ne ovat periaatteessa ikuisia.

1. Työnnä sinkki- ja kuparinaula perunoihin kuvan mukaisesti. Kytke johtimella keskimmäisen perunan kuparinaula sinkkinaulaan ja sinkkinaula kuparinaulaan. Yhdistä reunimmaisten perunoiden naulat ledin jalkoihin. Jos led ei pala, vaihda lediin tulevat johtimet keskenään. Jos led ei vieläkään pala, lisää kytkentään neljäs peruna.

– Piirrä kuva kytkennästä ja selitä, mitä havaitset.

Mitä voisit käyttää perunan tilalla? Tutki hehkuuko led tällöin.

KUVA kytkennästä perunoilla

2. Tutki, mistä seikoista syntyvä jännite riippuu. Käytettävissä sinulla on jännite- ja virtamittari eri metalleja ja joitakin aineita, juureksia ja hedelmiä, joihin metallikappaleet voit asettaa.

– Missä olosuhteissa syntyy suurin jännite?

– Milloin jännitettä ei synny?

TEHTÄVIÄ

13. Mitä yhtäläisyyttä on akulla ja paristolla. Miten ne eroavat toisistaan.

14.Luettele laitteita, joissa syntyy jännite.

15. Missä kuvassa esiintyy a) jännitettä, b) sähkövirtaa? Pohdi kumpi on syy ja kumpi seuraus jännite vai sähkövirta.

KUVA kolme litteää paristoa

 

5 SÄHKÖENERGIA JA -TEHO

Valaisutehon riippuvuus jännitteestä ja sähkövirrasta

Lamppujen kirkkauteen voidaan vaikuttaa kytkemällä paristoja sarjaan. Kun kaksi paristoa kytketään sarjaan, havaitaan, että ne yhdessä saavat lampun palamaan paljon kirkkaammin kuin yksi paristo. Mitä suurempi on jännite, sitä suurempi on lampun valaisuteho.

VALOKUVA Lampun valaisuteho riippuu jännitteestä. Kahden sarjaan kytketyn pariston jännite on kaksinkertainen yhden pariston jännitteeseen verrattuna.

Kun paristoon kytketään kaksi lamppua rinnan, havaitaan, että ne palavat yhtä kirkkaasti kuin yksi lamppu yksinään, sillä paristosta saadaan kaksinkertainen sähkövirta. Kaksi lamppua valaisee tehokkaammin kuin yksi lamppu.

VALOKUVA Valaisuteho riippuu sähkövirrasta.

Näiden kahden kokeen perusteella valaisuteho on siis sitä suurempi mitä suurempi on jännite ja mitä suurempi on sähkövirta.

Sähköteho

Kun laitteen käyttöjännite ja sen läpi kulkeva sähkövirta tunnetaan, laitteen teho P voidaan laskea kertomalla laitteen käyttöjännite U ja sen läpi kulkeva sähkövirta I keskenään P = UI.  Sähkötehon yksikkö on 1 watti = 1 W.

Tavallisten 230 V:n verkkojännitteeseen kytkettävien hehkulamppujen kirkkaudet ilmoitetaan niiden tehojen avulla. 60 W:n lamppu on kirkkaampi kuin 40 W:n lamppu. Sen hehkulanka on lyhyempi  ja sen läpi kulkee suurempi sähkövirta kuin 40 W:n lampun hehkulangan läpi. Mitä suurempi sähkövirta lampun läpi kulkee, sitä tehokkaammin se valaisee eli tuottaa valoenergiaa aikayksikköä kohden.

2 VALOKUVAA Lampun valaisu- ja lämmöntuottoteho ilmoitetaan watteina

 

Sähköenergia

Voimalaitoksessa poltetaan esimerkiksi hiiltä eli vapautetaan hiileen sitoutunutta kemiallista energiaa. Energia muunnetaan voimalaitoksessa sähkö(energiaksi) ja siirretään pitkin korkeajännitelinjoja sähkön käyttäjille. Sähköllä saadaan aikaan kotona ja teollisuudessa liikettä, valoa ja lämpöä.

VALOKUVA Sähkön siirto korkeajännitelinjoja pitkin 

 

 

Mitä tehokkaampi laite on, sitä nopeammin sen avulla työ tulee tehdyksi. Suurempitehoinen laite kuluttaa nopeammin myös energiaa. Esimerkiksi hehkulampun teho ilmoittaa, millä teholla se muuntaa sähköä valoksi ja lämmöksi.

KUVA Harrastelijalle riittää 500 W:n porakone, mutta ammattimies tarvitsee 1000 W:n laitteen.

Kun vesikattilaa lämmitetään liedellä, veden saama energia havaitaan veden lämpenemisenä. Vesi saa sitä enemmän energiaa, mitä kauemmin lämmitys kestää. Veden lämpenemiseen vaikuttaa lämmitysajan lisäksi levyn lämmitysteho. Kattilassa oleva vesi saa sitä enemmän energiaa, mitä suuremmalla teholla ja mitä kauemmin vettä lämmitetään.

Sähkön avulla siirretty energia voidaan laskea, kun tunnetaan laitteen teho ja laitteen käyttöaika, kertomalla teho ja aika keskenään. Myös sähköllä siirretyn energian yksikkö on 1 J (joule).

Sähkölaitteiden energiankulutus voidaan joissakin tapauksissa laskea, kun tiedetään sähkölaitteen teho ja käyttöaika. Käyttöaikaa arvioitaessa on huomattava, että monissa laitteissa, kuten sähkökiukaassa, on termostaatti, jolloin laite ei ole päällä jatkuvasti. Teho on merkitty laitteen arvokilpeen. Kulutusta laskettaessa teho muunnetaan kilowateiksi (1000 W = 1 kW) ja käyttöaika tunneiksi. Laite kuluttaa sitä enemmän energiaa mitä suurempi sen teho (P) on ja mitä kauemmin (t) laitetta käytetään.

Sähkölaitteen käyttämä sähköenergia lasketaan kertomalla laitteen teho P (kW) käyttöajalla t (h). Energia = teho · aika eli E = Pt.

Sähkölaitos laskuttaa kotitalouksia sähkön käytöstä käytettyjen kilowattituntien (kWh) perusteella.

Sähkölaitteen käyttökustannukset saadaan kertomalla käytetty energiamäärä sähköenergian yksikköhinnalla. Käyttökustannukset = käytetty sähköenergia · yksikköhinta.

Esimerkiksi, jos laitteen teho on 500 W eli 0,5 kW ja sitä käytetään 3 tuntia, sähköenergiaa käytetään tällöin

0,5 kW · 3 h = 1,5 kWh.

Jos sähkön yksikköhinta on 10 senttiä/kWh, tämä energiamäärä maksaa

1,5 kWh · 10 senttiä/kWh = 15 senttiä.

Termostaatti

Silitysraudassa olevat lämmitysvastukset lämpenevät, kun niiden läpi kulkee sähkövirta. Silitysraudan lämmitysvastusten ei kuitenkaan haluta antaa lämmetä jatkuvasti. Siksi lämpenemistä säädetään termostaatilla.

Termostaatti on kytkin, joka katkaisee virtapiirin, kun laite kuumenee liikaa ja kytkee laitteen päälle, kun se on jäähtynyt tarpeeksi.

Silitysraudan kiertokytkimestä säädetään termostaatin herkkyys sopivaksi. Termostaatti sulkee virtapiirin, kun rauta on viileä ja katkaisee virtapiirin, kun rauta on riittävän kuuma.

TUTKIMUKSIA

Lämmitin

Käytettävissäsi on sähköpareja, kolmen pariston teline, johtimia ja kaksi eripituista lyhyttä metallilankaa, kuumennusalusta sekä kytkin ja kello. Kiinnitä paristot kolmen pariston telineeseen. Aseta metallilanka kuumennusalustalle.

Huomaa, että virtapiiri kannattaa sulkea vain lyhyeksi aikaa, jotta paristot eivät kulu turhaan. Kuumentunut johdin aiheuttaa helposti sormiin pienen palovamman.

– Rakenna lämmitin. Rakenna kolmen pariston alustasta, katkaisijasta ja lyhyemmästä metallilangasta kuvan mukainen kytkentä siten, että sähkövirta ei kulje virtapiirissä.

KUVA kytkennästä

– Kosketa sormella lankaa ja sulje virtapiiri kytkimestä. Mittaa kellolla, kuinka kauan voit koskettaa lankaa ennen kuin se alkaa polttaa sormea. Katkaise virtapiiri välittömästi.

– Kun lanka on jäähtynyt, vaihda se pidempään lankaan. Mittaa taas kellolla, kuinka kauan voit koskettaa lankaa ennen kuin se alkaa polttaa sormea. Katkaise virtapiiri välittömästi.

– Piirrä kuva kytkennästäsi ja selosta, miten kytkentä toimii.

– Missä kodin laitteissa lämmittimen ideaa käytetään hyväksi?

Hehkuva lanka

Käytettävissäsi on sähköpareja, kolmen pariston teline, johtimia ja kuumennusalusta, teräsvillaa sekä kytkin. Kiinnitä paristot kolmen pariston telineeseen. Leikkaa teräsvillaa noin pikkusormen levyinen pätkä (lyhyt ja ohut "tukko"). Pyöritä sitä sormiesi välissä niin, että siitä tulee kuin naru. Aseta teräsvillanaru kuumennusalustalle.

Huomaa, että virtapiiri kannattaa sulkea vain lyhyeksi aikaa, jotta paristot eivät kulu turhaan. Kuumentunut teräsvilla aiheuttaa helposti sormiin pienen palovamman.

– Tutkit, mitä teräsvillalle tapahtuu, kun sähkövirta kulkee sen läpi. Rakenna kolmen pariston alustasta, katkaisijasta ja teräsvillanarusta kuvan mukainen kytkentä siten, että sähkövirta ei kulje virtapiirissä.

KUVA kytkennästä

– Älä kosketa teräsvillanarua äläkä katso sitä liian läheltä! Käytä suojalaseja! Sulje virtapiiri kytkimestä. Mitä tapahtuu? Katkaise virtapiiri..

– Piirrä kuva kytkennästäsi ja selosta, miten kytkentä toimii kotonasi.

– Missä kodin laitteissa ilmiötä käytetään hyväksi?

Demonstraatioita

1. Lämmitin

Käytettävissäsi on hehkulamppu, sähköpareja, kolmen pariston teline, johtimia ja metallilankaa, kuumennusalusta sekä kytkin. Kiinnitä paristot kolmen pariston telineeseen. Aseta metallilanka kuumennusalustalle ja rakenna kuvan kytkentä.

Huomaa, että virtapiiri kannattaa sulkea vain lyhyeksi aikaa, jotta paristot eivät kulu turhaan. Kuumentunut metallilanka aiheuttaa helposti sormiin pienen palovamman.

VALOKUVA Kuvan mukaisessa kytkennässä lanka ei lämpene, koska virtapiirissä oleva lamppu vastustaa sähkövirran kulkua.

VALOKUVA Kun hehkulamppu otetaan virtapiiristä pois, lanka alkaa lämmetä (langasta tulee erittäin kuuma). Virtapiirissä ei ole vastusta, joka vastustaisi sähkövirran kulkua. lanka vastustaa vain vähän sähkövirran kulkua.

2. Hehkuva lanka ja hehkulamppu

Käytettävissäsi on sähköpareja, kolmen pariston teline tai litteä paristo, johtimia ja kuumennusalusta, teräsvillaa sekä kytkin. Kiinnitä paristot kolmen pariston telineeseen.  Leikkaa teräsvillaa noin pikkusormen levyinen pätkä (lyhyt ja ohut "tukko"). Pyöritä sitä sormiesi välissä niin, että siitä tulee kuin naru. Aseta teräsvillanaru kuumennusalustalle, kokoa kytkentä ja laita kytkin off-asentoon

Huomaa, että virtapiiri kannattaa sulkea vain lyhyeksi aikaa, jotta paristot eivät kulu turhaan. Kuumentunut teräsvilla aiheuttaa helposti sormiin pienen palovamman.

VALOKUVA Kun kytkentä on valmis, aseta kytkin on-asentoon.

VALOKUVA Teräsvilla hehkuu ja voi syttyä palamaan. Jos teräsvilla ei hehku, pienennä teräsvillanarua (lyhennä sitä).

VALOKUVA Hehkulampun hehkulanka hehkuu samalla tavalla kuin edellisessä kokeessa teräsvilla. Lanka ei syty palamaan, koska lasikuvun sisällä ei ole happea.

 

6  MAGNETISMI JA KOMPASSI

Kompassi

Kompassin neula on pieni magneetti. Se osoittaa aina pohjoiseen. Tästä voidaan päätellä, että maapallokin on magneetti. Kun pohjoissuunta tiedetään, kompassin avulla voidaan päätellä maastossa oikea suunta.

KUVA Nano ja Piko turvautuvat kompassin apuun ylittäessään vuorta.

VALOKUVA Kompassi osoittaa aina kohti pohjoista. 

Magneettinen vuorovaikutus

Mekaniikan Astel-materiaalissa perehdyttiin gravitaatiovuorovaikutukseen ja aikaisemmin tässä materiaalissa varattujen kappaleiden väliseen sähköiseen vuorovaikutukseen. Magneettien välillä on uusi vuorovaikutuksen laji, magneettinen vuorovaikutus. Kompassin neula kuten jokainen muukin sauvamagneetti pyrkii asettumaan pohjois—etelä -suuntaiseksi. Pohjoiseen kääntyvää päätä sanotaan magneetin pohjois- eli N-kohtioksi (north), etelään kääntyvää etelä- eli S-kohtioksi (south).

KUVA Tankomagneetin kohtiot.

Kahden magneetin samannimiset kohtiot karkottavat, erinimiset vetävät toisiaan puoleensa. Aiemmin on tutustuttu varausten väliseen sähköiseen vuorovaikutukseen. Magnetismi on sähkömagneettisen vuorovaikutuksen toinen ilmenemismuoto ja ensimmäisessä luvussa oli jo esillä varattujen kappaleiden välinen sähköinen vuorovaikutus. Myös magneetin ja magneettisten aineiden välillä on magneettinen vuorovaikutus.

Tankomagneetteja käytetään mm. muistilappujen kiinnittämiseen jääkaapin oveen. Myös kaiuttimissa ja pienissä sähkömoottoreissa on magneetteja. Isommissa sähkömoottoreissa käytetään sähkömagneetteja. Magneettisia kappaleita löytyy myös luonnosta. Jotkut rautapitoiset malmit voivat olla magneettisia.

KAKSI KUVAA Nano ja Piko tutkivat tankomagneettien välisiä vuorovaikutuksia

VALOKUVA Kun U-magneetit erinimiset kohtiot ovat vastakkain, U-magneetit vetävät toisiaan puolensa.

VALOKUVA Magneetti vetää puoleensa myös rauta- tai nikkeliesinettä, vaikka esine itse ei ole magneetti.

Magnetoituminen

Tavallinen sukkapuikko ei ole magneettinen, mutta kuvassa Nano magnetoi sen sivelemällä sukkapuikkoa yhdensuuntaisin vedoin tankomagneetilla. Piko on jo magnetoinut oman sukkapuikkonsa, joten pienet rautanaulat tarttuvat siihen. Parhaiten rautanaulat tarttuvat magnetoidun sukkapuikon päihin. Magneettisuus voidaan poistaa kuumentamalla tai takomalla magneettia.

KUVA Nano sivelee sukkapuikkoa magneetilla, jolloin sukkapuikko magnetoituu. Pikon sukkapuikko on jo magnetoitunut ja pienet rautanaulat tarttuvat siihen.

 

KUVA Kun Piko katkaisee sukkapuikon hohtimilla, hän ei saa pohjois- ja etelänapoja erilleen, vaan katkaistun magneetin kumpikin osa on aina täydellinen magneetti. Tämän Nano toteaa ottamalla kaksi pientä sukkapuikon osaa käteensä ja tutkimalla sukkapuikon pätkien veto- ja poistovoimia.

KUVA

Magneettikenttä

Tankomagneetti synnyttää ympärilleen magneettikentän. Kaksi magneettia on vuorovaikutuksessa keskenään tämän kentän avulla. On sovittu, että magneettikentän suunnan ilmaisee kenttään asetettu kompassineula. Magneettikenttää havainnollistetaan kenttäviivoilla (voimaviivoilla). Ne ovat sulkeutuvia käyriä. Tankomagneetin ulkopuolella olevat kenttäviivat alkavat magneetin pohjoiskohtiosta ja päättyvät magneetin eteläkohtioon. Kenttäviivojen suunta ilmaisee siis kentän suunnan ja tiheys kentän voimakkuuden.

VALOKUVA Tankomagneetin ympärille asetettujen kompassien pohjoiskohtiot osoittavat tankomagneetin magneettikentän suunnan.

VALOKUVA Tankomagneetin päälle asetetulle lasilevylle on ripoteltu rautaviilajauhoa. Rautaviilajauhorakeet asettuvat magneettikentän voimaviivojen suuntaan.

KAAVIOKUVA Edellisten kokeiden perusteella voidaan päätellä magneettikentän voimaviivojen muoto ja suunta.

Maan magneettikenttä

Maapallo on kuin suuri magneetti. Kompassin pohjoiskohtio osoittaa suurin piirtein kohti pohjoisnapaa, joten siellä on Maan magneettinen eteläkohtio. Vastaavasti Maan magneettinen pohjoiskohtio on siten etelänavan lähellä. Maan magneettikentän arvellaan aiheutuvan sulan raudan virtauksesta maapallon sisällä. Maapallon magneettiset kohtiot vaeltavat vähitellen ja saattavat jopa ajoittain vaihtaa paikkaansa. Muutokset ovat olleet hyvinkin suuria. Tällä hetkellä Maan magneettinen eteläkohtio on Kanadan pohjoisosissa. Tutkimalla valtamerten pohjassa mannerlaattojen liitoskohdissa olevien mineraalien magneettikenttiä on voitu päätellä, että Maan magneettikentän suunta on muuttunut noin puolen miljoonan vuoden välein.

KAAVIOKUVA Maan magneettikentän voimaviivoja. 

VALOKUVA Maan magneettikenttä taltioituna sopivalle filmille avaruudesta.

Magnetoitumisen selitys

Aineet, jotka magnetoituvat, koostuvat yksinkertaisen mallin mukaan useista pienistä "alkeismagneeteista". Kun tällaisesta aineesta valmistetun kappaleen lähelle tuodaan voimakas magneetti, alkeismagneetit suuntautuvat voimakkaan magneetin määräämällä tavalla. Kun magnetoitunutta kappaletta lämmitetään, alkeismagneettien suunnat muuttuvat. Aineita, jotka magnetoituvat, kutsutaan ferromagneettisiksi aineiksi. Niitä ovat esimerkiksi rauta, nikkeli ja koboltti.

KUVA Yksinkertaisen mallin mukaan aineessa olevat magneettiset alueet suuntautuvat aineen magnetoituessa.

TUTKIMUKSIA

Käytettävissäsi on kaksi tankomagneettia, iso rautanaula, pieniä rautanauloja, kuumennusvälineet.

Kompassi

KUVA – Aseta kompassineula telineeseen. Miten kompassineula asettuu työpöydälläsi? Tönäise neulaa, miten se asettuu nyt?

– Miksi magneetin kohtiot on värjätty eri väreillä (punainen ja valkoinen)? Miten kompassi toimii?

 

Magneettinen vuorovaikutus

KUVA –  Piirrä kuvasarja, joka havainnollistaa magneettien välisiä veto- ja poistovoimia.

–  Tutki magneetin vaikutusta eri aineista valmistettuihin esineisiin. Luettele aineet, joihin magneetti vaikuttaa.

– Tutki, miten rautanaula tarttuu magneetin eri kohtiin (kohtiot, keskiosa, kärjet). Missä kohtaa magneetti on voimakkain?

–  Magneetin voimakkuutta voidaan arvioida ripustamalla pieniä teräsnauloja peräkkäin magneetista. Tutki magneetin vaikutusta rautanauloihin. Mihin kohtaan magneettia voit ripustaa eniten rautanauloja?

–  Tutki miten kaksi peräkkäin/ rinnakkain asetettua magneettia vaikuttavat magneetin voimakkuuteen. Laadi yhteenveto tutkimuksistasi.

KUVA

Tankomagneetin valmistaminen

KUVA

Kirjoita selvitys siitä, kuinka teräsesine magnetoidaan ja kuinka magneettisuus poistetaan teräsesineestä.

TEHTÄVIÄ 13. Luettele esineitä, joiden osana on magneetti. KUVA 14. Estääkö juomalasi magneetin vetovoiman?

 

7 SÄHKÖMAGNEETTI

KUVA Nano on mennyt niin lähelle voimalinjaa että kompassi näyttää väärin.

Suunnistusoppaissa kehotetaan välttämään kompassin käyttöä voimalinjojen lähellä, koska virtajohtimien ja kompassin neulan välillä on magneettinen vuorovaikutus. Sähkövirran magneettisia vaikutuksia käytetään hyväksi mm. kaiuttimissa ja sähkömoottoreissa.

Virtajohdin käyttäytyy magneetin tavoin

Nano ja Piko tutustuvat virtajohtimen ja kompassin välisiin vuorovaikutuksiin. Nano yhdistää johtimen paristoon, jolloin Pikon pitelemä johtimen alla oleva kompassineula heilahtaa. Kun Piko siirtää kompassin johtimen päälle, kompassi heilahtaa päinvastaiseen suuntaan. Havaitaan, että virtajohdin käyttäytyy magneetin tavoin.

KUVA Virtajohdin, jossa kulkee sähkövirta vaikuttaa kompassiin.

 

Sähkömagneetin valmistaminen

Ilmiötä, jossa virtajohdin toimii magneetin tavoin käytetään hyväksi sähkömagneetissa. Sähkömagneetti valmistetaan kiertämällä sellaista johdinta, jossa on eristepäällys (miksi?), ison rautanaulan ympärille. Johdinta, joka on kierretty rullalle, sanotaan käämiksi. Kun johtimessa kulkee sähkövirta, pienet rautanaulat tarttuvat isoon rautanaulaan. Voimakkain magneettinen vaikutus on rautanaulan päissä. Metalliromuttamolla nostetaan ja siirretään rautaromua ja jopa suuria rautaesineitä tällä periaatteella toimivalla magneettinosturilla.

KUVA Piko kerää lattialle pudonneet rautanaulat sähkömagneetin avulla.

Voimakkaita sähkömagneetteja käytetään myös junien magneettijarruissa ja sähkömoottoreissa. Myös pienillä sähkömagneeteilla on paljon sovelluksia. Pienten dynamoiden ja sähkömoottoreiden lisäksi sähkömagneetteja käytetään mm. erilaisissa mikrofoneissa, kuulokkeissa, kaiuttimissa, soittokelloissa, televisioissa, erilaisissa salvoissa ja sulkijoissa.

KAKSI VALOKUVAA Sähkömagneetti valmistetaan kiertämällä sähköjohdin rautanaulan ympärille.

Sähkövirran yksikkö

Sähkövirran yksikkö ampeeri on nimetty ranskalaisen Andre Marie Amperen mukaan. Hän tutki vuosina 1820 - 1826 virtajohtimen ja tankomagneetin välistä vuorovaikutusta ja muotoili lait, joilla hän kytki sähkön ja magnetismin yhteen

Sähkömagnetismin sovelluksia

Sähkösoittokello

Sähkösoittokellossa virtapiiri sulkeutuu ja avautuu sähkömagneetin ja rautakappaleen välisen vuorovaikutuksen seurauksena.

KUVA sähkösoittokello

Sähkömoottori  

Sähkömoottoreita on lukuisia malleja, mutta niiden kaikkien toiminta perustuu sähkö ja/tai tankomagneettien välisiin vuorovaikutuksiin. Vuorovaikutus saa moottorin akselin pyörimään. Vuorovaikutus on sitä voimakkaampi, mitä suurempi sähkövirta sähkömagneeteissa kulkee. Sähkömoottorit pyörittävät mm. paperikonetta, sähköveturin pyöriä, kodinkoneita ja monia leikkikaluja. Sähkömoottoreissa kuten muissakin sähkölaitteissa osa vapautuvasta energiasta on lämpöä.

KAKSI VALOKUVAA Sähkömoottorin malli

KUVA Sähkömoottorin toimintaa havainnollistava malli

Kaiutin

Kaiuttimessa äänen synnyttävä kalvo liikkuu kalvoon kiinnitetyn magneetin ja sähkömagneetin vuorovaikutusten määräämällä tavalla. Sähkömagneetissa kulkeva sähkövirta tulee vahvistimelta ja on verrannollinen ääneen, joka kaiuttimesta kuullaan.

 

KUVA Kaiuttimen toiminta

Aivojen magneettikenttä

Aivojen hermosoluissa kulkee sähköisiä signaaleja. Nämä signaalit synnyttävät muiden virtajohtimien tapaan magneettikentän. Ne ovat kuitenkin niin heikkoja, että niitä voi havaita vain erityisissä magneettisesti suojatuissa huoneissa. Teknillisessä korkeakoulun kylmälaboratoriossa on kehitetty mittalaitteita, joilla voidaan mitata aivojen synnyttämiä magneettikenttiä. Näistä kentistä voidaan tutkia aivojen toimintaa ja havaita mm. mahdolliset aivojen toimintahäiriöt.

Magneettinen tiedontallennus

Tietokoneen levykkeiden, video- ja kasettinauhojen pinta päällystetään magnetoituvalla ohuella rautaoksidi- tai kromioksidikalvolla. Tietokonelevykkeen alueita magnetoidaan luku-kirjoituspäällä, joka sisältää sähkömagneetin. Tiettyyn suuntaan magnetoidut alueet edustavat ykköstä ja vastakkaiseen suuntaan magnetoidut alueet nollaa. Tavallisen C-kasetin nauha magnetoidaan pienellä sähkömagneetilla, jota kutsutaan äänipääksi. Tallennettavaan ääneen verrannollinen sähkösignaali synnyttää äänipäässä magneettikentän, joka magnetoi ääninauhaan magneettisen alueen.

Kestomagneetit ja voimakkaat sähkömagneetit saattavat vaurioittaa tietokoneen levykkeille ja videokaseteille tallennettua tietoa, koska tieto on näillä magneettisessa muodossa.

Tieto kasetille ja levykkeille tallentuu magneettisessa muodossa

KUVA äänitys

KUVA kuuntelu

TUTKIMUKSIA

Käytettävissäsi on sähköpareja, kolmen pariston teline, yhden pariston teline, johtimia, pitkä muovipäällysteinen johdin ja teräspultti tai iso rautanaula, pieniä rautanauloja tai paperiliittimiä sekä kytkin. Kiinnitä paristot kolmen pariston telineeseen.

Huomaa, että virtapiiri kannattaa sulkea vain lyhyeksi aikaa, jotta paristot eivät kulu turhaan. Kuumentunut johdin aiheuttaa helposti sormiin pienen palovamman.

KUVA

–  Valmista kuvan mukainen sähkömagneetti kiertämällä muovipäällysteistä johdinta pultin tai rautanaulan ympärille. Kokeile, mitä kaikkea valmistamasi sähkömagneettisi pystyy nostamaan. Mistä kohtaa magneetti on kaikkein voimakkain?

–  Raportoi tutkimuksen tulokset.

–  Mitä sähkömagneetilla voi tehdä? Perustele vastauksesi.

– Voit vertailla sähkömagneettien voimakkuuksia ripustamalla magneettiin paperiliittimiä tai keveitä pieniä rautanauloja peräkkäin.

– Miten voit muuttaa sähkömagneetin voimakkuutta. Kokeile ehdotuksiasi. Tarkastele alla olevaa kuvaa ja vertaile magneettien voimakkuutta ripustamalla siihen peräkkäin joko rautanauloja tai paperiliittimiä.

– Raportoi tutkimuksen tulokset.

KUVASARJA

TEHTÄVIÄ

17.Vaikuttaako magneetti kupariseen virtajohtimeen, kun johtimessa ei kulje sähkövirtaa? Miten tilanne muuttuu, jos johtimessa kulkee virta?

18. Miten tankomagneetin saa voimakkaammaksi virtajohtimella?

19. Luettele laitteita, joissa on sähkömagneetti.

......................

8 SÄHKÖVIRRAN SYNNYTTÄMINEN

KUVA Pikosta

Kun Piko työntää tankomagneetin rullalle kierretyn johtimen eli käämin sisälle tai vetää tankomagneetin sieltä pois, virtamittarin viisari heilahtaa. Ilmiö on nimeltään sähkömagneettinen induktio. Induktiossa käämiin syntyy sähkövirtaa, kun magneetti liikkuu käämin sisällä. Magneetin ollessa paikallaan, sähkövirtaa ei synny.

Sähkövirtaa syntyy vain silloin, kun Piko liikuttaa magneettia. Syntyvä sähkövirta on sitä suurempi, mitä enemmän käämissä on kierroksia, mitä nopeammin Piko liikuttaa magneettia tai mitä voimakkaampi on magneetti Pikon kädessä.

Muuttuva magneettikenttä synnyttää eli indusoi käämiin jännitteen. Jännite aiheuttaa suljettuun virtapiiriin sähkövirran.

Generaattori

 

KUVA dynamosta

Käytännössä sähköä tuotetaan generaattorin avulla. Esimerkiksi polkupyörän dynamo on generaattori. Kooltaan suurempi, ja teknisesti monimutkaisempi generaattori on myös vesi-, hiili- ja ydinvoimalaitoksissa.

Kun polkupyörän dynamo hankaa polkupyörän etupyörää, polkeminen on raskaampaa. Dynamo on laite, jolla liike-energia voidaan muuttaa sähköksi. Sähköllä puolestaan hehkulamppu saadaan hehkumaan.

Yksinkertaisessa generaattorissa on pyörivä johdinsilmukka, joka pyörii kahden paikallaan olevien magneettien välissä. Silmukan päät on yhdistetty kahteen liukurenkaaseen, kollektoriin, jotka pyörivät silmukan mukana. Ne on yhdistetty generaattorin napoihin liukuharjojen välityksellä. Ankkurin pyrkiessä johdinsilmukassa kulkee kuvan mukainen vaihtovirta.

NELJÄ KUVAA Generaattorin toiminta

KUVA Silmukassa kulkeva sähkövirta

KUVA Vesivoimalaitoksen generaattoreita Vaihtojännite

Generaattori tuottaa vaihtojännitettä, joka on jaksollisesti muuttuvaa jännitettä. Vaihtojännite aiheuttaa virtapiiriin virran, jonka suunta muuttuu jaksollisesti. Myös seinäkoskettimen kohtioiden välinen jännite on vaihtojännitettä. Seinäkoskettimesta saatavan vaihtovirran taajuus on 50 Hz . Tämä tarkoittaa sitä, että yksi jakso toistuu 50 kertaa sekunnissa.

Muuntaja

Muuntajaa käytetään vaihtojännitteen muuntamiseen tarpeen mukaan suuremmaksi tai pienemmäksi. Sen toiminta perustuu sähkömagneettiseen induktioon.

VALOKUVA Muuntajassa kaksi käämiä on yhdistetty yhteisellä rautasydämellä.

Energian siirto sähkövirran avulla

Voimalaitokset ovat yleensä kaukana asutuskeskuksista ja tehtaista. Sähköä siirretään pitkin valtakunnan verkkoa kuluttajille. Kun siirtojohtimessa kulkee sähkövirta, se lämpenee ja osa energiasta menee hukkaan. Lämpöhäviöt ovat sitä pienemmät mitä pienempi virta siirtojohtimissa kulkee. Kun sähkö siirretään korkeajännitteisenä, virta on pieni ja johtojen lämpeneminen vähäistä.

Voimalaitosten generaattorien synnyttämä jännitteet (6...20 kV) muunnetaan ensin suurjännitteeksi (110...380 kV), joka yhdistetään valtakunnan sähköverkkoon energiansiirtoa varten kulutusalueille. Siellä ne muunnetaan suurjännitejakeluverkon jännitteeksi (10...20 kV) ja edelleen paikallisilla muuntajilla pienjännitejakeluverkon jännitteeksi (230 V).

KAKSI VALOKUVAA Suurjännite ja pienjännite sähköjohtoja.

Auringon energia kiertää Maapallolla

Lähes kaikki energia maapallolla on peräisin Auringosta. Suurin osa Auringosta Maahan tulevasta säteilyenergiasta heijastuu pois ja vain pieni osa läpäisee ilmakehän ja sitoutuu Maassa erilaisiin prosesseihin. Aurinko lämmittää maata ja vesistöjä ja saa aikaan mm. veden kiertokulun, tuulet ja kasvien kasvamisen. Yhteyttämisessä Auringon energiaa on varastoitunut satojen miljoonien vuosien kuluessa kivihiileen ja öljyyn. Tämä Maahan sitoutunut energia voidaan muuntaa voimalaitoksen generaattorilla sähköksi. Voimalaitokset eroavat periaatteessa toisistaan siinä, miten niiden generaattori saadaan pyörimään.

VALOKUVA Maapallon prosessien energianlähde

Kun TV-vastaanotin avataan, suljetaan virtapiiri ja sähkövirta kulkee vastaanottimen kautta. Lähes kaikki kotona, tarvittava energia saadaan sähkövirran välityksellä. Sähkö synnytetään mm. hiili-, ydin- ja vesivoimaloissa. Sähkövirta on keino siirtää hiilen kemiallinen energia, veden liike-energia tai atomiytimiin varastoitunut energia pitkienkin matkojen päähän.

VALOKUVA Ihminen käyttää sähköä valon, lämmön ja liikkeen tuottamiseen sekä informaation tallentamiseen, siirtoon ja esittämiseen.

Lämpövoimalaitos  

Hiiltä, maakaasua, öljyä, turvetta, puuta tai haketta käyttävät voimalaitokset toimivat samalla periaatteella ja niitä kutsutaan yhteisellä nimellä lämpövoimalaitoksiksi. Yhteyttämisen kautta polttoaineisiin varastoitunut kemiallinen energia vapautetaan polttokattilassa. Poltossa vapautuvalla lämmöllä höyrystetään kattilassa oleva vesi. Vesihöyry virtaa kohti viileää lauhdutinta, jota jäähdytetään esimerkiksi merivedellä. Lämpöenergia muuttuu liike-energiaksi. Virratessaan höyry pyörittää turbiinia ja turbiini puolestaan generaattoria. Liike-energia muuntuu generaattorissa sähköksi.

KAAVIOKUVA Hiilivoimalaitoksen toimintaperiaate

 

Jos lämpövoimalaitos on lähellä asutusta, lauhdevettä voidaan käyttää kaukolämmitykseen.

Kun hiilivoimalaitoksessa poltetaan hiiltä, ympäristöön pääsee rikin ja typen oksideja sekä hiilidioksidia. Rikin ja typen oksidit happamoittavat maaperää ja hiilidioksidi on "kasvihuonekaasu". Nykyään lämpövoimalaitosten ympäristöhaittoja kyetään vähentämään erilaisilla suodattimilla.

Vesi- ja tuulivoimalaitos

Vesivoimalaitoksen energialähteenä on padotun veden potentiaalienergia. Vesi virtaa voimalaitoksen turbiinin kautta kohti alajuoksua. Virratessaan vesi pyörittää turbiinia ja turbiini puolestaan generaattoria.

Vesi haihtuu Auringon lämmön vaikutuksesta alajuoksulla olevista järvistä tai merestä. Ilmassa vesi tiivistyy sadepilviksi. Osa vedestä sataa padon yläpuolella oleville alueille ja päätyy joen yläjuoksun kautta patoon. Sama vesi kiertää vesistöissä Auringon lämmön vaikutuksesta.

VALOKUVA Vesivoimalaitoksen pato

Tuulivoimalaitos on toiminnaltaan samantapainen kuin vesivoimalaitos. Siinä generaattoria pyörittää tuuli.

VALOKUVA Tuuli- ja hiilivoimalaitos

Ydinvoimalaitos 

Ydinvoimalaitoksen energialähteenä on uraaniytimiin sitoutunut ydinenergia. Uraani on pakattu polttoainesauvaan ja sauvat sijoitettu ydinvoimalaitoksen reaktoriin. Kun ydin halkeaa, syntyy kaksi uutta ydintä, muutama neutroni ja lämpöä. Neutronit voivat halkaista uusia uraaniytimiä, jolloin syntyy ketjureaktio.

Ydinten halkeamisessa vapautuvalla lämmöllä höyrystetään reaktorissa oleva vesi. Vesihöyry virtaa kohti viileää lauhdutinta. Lämpöenergia muuttuu liike-energiaksi. Virratessaan höyry pyörittää turbiinia ja turbiini puolestaan generaattoria.

Ydinvoimalaitoksen toiminnassa syntyy ydinjätettä, joka kapseloidaan ja sijoitetaan kallioperään. On arvioitu, että jätteen aktiivisuus laskee vasta miljoonassa vuodessa alle polttoaineena käytetyn uraanimalmin aktiivisuuden.

Energiantuotannon riskit

Minkään voimalaitoksen generaattoria ei saada pyörimään ilman riskejä. Sähköntuotannon riskejä on osattava tarkastella kokonaisvaltaisesti. Riskejä on hyvä tarkastella yksilön terveyden, ympäristön ja yhteiskunnan näkökulmasta. Toinen tarkastelun näkökulma on sähköntuotannon eri vaiheiden tarkastelu:

–  raakaenergian hankinta (hiilen tai uraanimalmin louhinnassa tapahtuneet
    onnettomuudet),
–  voimalaitosten rakentaminen (suuren voimalaitoksen rakentamiseen
    tarvitaan paljon aikaa, ihmisiä, betonia ja terästä),
–  energian tuottaminen (hiilivoimalaitoksen rikkipäästöt, ydinvoimalaitoksen
    onnettomuusriski, vesivoimalaitoksen vaikutus vesistöihin),
–  jätteiden käsittely (rikin talteenotto, ydinjätteen varastointi).

Yhteiskunnan ei liioin kannata investoida sellaiseen energiantuotantoon, jossa energian saatavuus on epävarmaa tai hinta vaihtelee suuresti.

Energiantuotannon päästöt

Liikenne, teollisuus ja energiantuotanto aiheuttavat päästöjä ilmakehään. Päästöt liikkuvat ilmavirtausten mukana ja laskeutuvat sateiden (märkälaskeuma) tai hiukkasten (kuivalaskeuma) mukana luontoon.

Päästöt muuttuvat kulkeutumisen aikana. Esimerkiksi rikin ja typen oksidit reagoivat ilmassa olevan vesihöyryn kanssa, jolloin syntyy rikki- ja typpihappoa. Vesihöyry tulee happosateena maahan ja happamoittaa maaperän. Hapan maaperä on kasveille epäedullinen kasvuympäristö. Hapan laskeutuma happamoittaa myös järviveden ja meren, jolloin veden kasvien ja eläinten elämä tulee vaikeaksi. Erityisesti Itämeren tilasta on syytä olla huolissaan.

KAAVIOKUVA Noin 2/3 happamoitumisesta aiheutuu rikkidioksidista ja 1/3 typen oksideista. Suurin osa rikin ja typen laskeutumasta tulee Suomeen kaukokulkeutumana lähinnä Venäjältä sekä Itä - ja Keski-Euroopasta.

TUTKIMUKSIA

Induktioilmiö

Sähkövirta synnyttää magneettikentän. Voiko magneettikenttä synnyttää sähkövirtaa? Tutkitaan, miten sähkövirtaa synnytetään magneetin avulla ja mihin tarkoituksiin ilmiötä voidaan hyödyntää.

KUVA SIVUN ALUSTA

–  Tutki, miten magneetin liikuttelunopeus ja käämin kierrosten lukumäärä
    vaikuttavat syntyvän induktiovirran voimakkuuteen.
– Kuinka suuri on virtamittarin lukema magneetin liikkuessa?
– Mihin suuntaan käämi heilahtaa, kun magneetti vedetään käämin sisältä
   ulos?
– Syntyykö käämiin sähkövirtaa, jos magneetti ja käämi ovat paikallaan?
– Syntyykö käämiin sähkövirtaa, jos magneetti on paikallaan ja käämi liikkuu?

Generaattori

Kytke generaattori hehkulamppuun ja moottoriin. Pyöritä generaattoria eri nopeuksilla eri suuntiin.
– Mitä havaitset?
– Piirrä tilanteista energiakaavio

TEHTÄVIÄ

20. Kuvittele, että olet henkilö, jolla on valta päättää Suomen energiahuollon tulevaisuudesta. Olet saannut tehtäväksesi suunnitella maallemme energiaohjelman 2000-luvulle. Rakentaisitko Suomeen lisää ydinvoimalaitoksia, valjastaisitko vapaat kosket, sijoittaisitko rahaa aurinko- ja tuulienergian tutkimukseen vai ostaisitko kenties sähköä ulkomailta?

21.Vesivoimalaitoksessa veden virtaus muutetaan sähköksi. Mitä yhteistä on vesivoimalaitoksella ja polkupyörän dynamolla?

.....................................

9 SÄHKÖTURVALLISUUS

 

Sähkötöitä saavat yleensä tehdä vain sähköalan ammattilaiset. Jokainen sähkönkäyttäjä saa kuitenkin vaihtaa sulakkeen tai lampun, asettaa automaattisulakkeen toiminta-asentoon, korjata tai valmistaa jatkojohdon, vaihtaa sähkölaitteen rikkoutuneen liitäntäjohdon ja pistotulpan, kiinnittää valaisimen sokeripalaan tai valaisinpistorasiaan, vaihtaa rikkoutuneen välikytkimen, irrottaa jännitteettömän pistorasian kannen maalaamisen ajaksi.

Sähkötöitä saa tehdä vain, jos varmasti osaa tehdä ne oikein. Pistotulppa on irrotettava pistorasiasta tai sähköt on katkaistava pääkytkimestä tai asianmukainen sulake on irrotettava aina ennen sähkötöitä.

Kaikki sähkölaitteisiin kohdistuvat työt on tehtävä jännitteettöminä irrottamalla sähkölaite verkosta tai ottamalla sulakkeen pois. Laitteen sammuttaminen pelkästään katkaisijasta ei riitä.

Sähkölaitteen käyttäjällä tai korjaajalla on aina vastuu laitteen käytöstä. Väärin käytettynä sähkölaite voi aiheuttaa hengen- tai palovaaran. Kotitalouksien 230 V:n verkkojännite on tappavan vaarallinen.

Sähköpääkeskuksessa on pääkytkin, jolla kiinteistö tai huoneisto saadaan jännitteettömäksi, kulutus- eli kilowattituntimittari ja eri virtapiirien sulakkeet. Sähkötöiden ajaksi virta katkaistaan pääkytkimestä

Sulake

Sulakkeen sisällä on ohut metallilanka, joka sulaa poikki, kun sen läpi kulkeva virta ylittää sulakkeelle asetetun ylärajan.

Virtapiirissä olevalla sulakkeella estetään virran kasvaminen liian suureksi kodin sähkölaitteissa tai seinän sisällä kulkevissa johtimissa. Syynä liian suurelle virralle on yleensä joko ylikuormitus tai oikosulkuun mennyt sähkölaite. Sulake suojaa siten myös ihmisiä viallisilta sähkölaitteilta. Ennen kuin palanut sulake vaihdetaan uuteen, tulee selvittää syy sen rikkoutumiselle ja korjata tilanne. Kodin sähköpäätaulussa tavanomaisimmat sulakkeet ovat 10 A:n ja 16 A:n sulakkeita.

KUVA keittiön virtapiirit

Viereinen kuva esittää keittiön virtapiirejä ja sulakkeen paikkaa virtapiirissä. Liedellä ja muilla keittiön sähkölaitteilla on eri sulake, koska liesi tarvitsee huomattavan suuren virran muihin laitteisiin verrattuna. Jos jokin muu sähkölaite kytkettäisiin lieden sulakkeeseen, sulake ei ehkä rikkoutuisikaan sähkölaitteen vioittuessa.

Sähkölaitteen sisällä olevan sulakkeiden tehtävänä on suojata laitteen sähköisiä komponentteja rikkoutumasta vikatilanteissa.

KUVA rikkonainen silitysrauta

Viallinen laite voi aiheuttaa oikosulun, koska sähkövirta ei enää kulje laitteen vastusten läpi, vaan virta kulkee suoraan pistorasian navasta toiseen. Tällöin virta kasvaa laitteen johdossa ja seinän sisällä kulkevissa sähköjohdoissa, jolloin sähköjohdot lämpenevät ja tulipalon vaara on ilmeinen.

Sulake voi rikkoutua, kun laitteessa tapahtuu oikosulku.

Ylikuormitus syntyy esimerkiksi silloin, kun samaan pistorasiaan kytketään jatkojohdon avulla useita sähkölaitteita samanaikaisesti.

KUVA Sulake voi rikkoutua ylikuormituksesta.

 

Sähkölaitteen suojaus

Sähkölaitteiden käyttäjiä suojataan mahdolliselta sähkölaitteen rikkoutumiselta suojamaadoituksen, suojaeristyksen ja suojajännitteen avulla.

Suojamaadoitetussa pistotulpassa on metalliset suojakosketinliuskat, jotka on yhdistetty johtimella sähkölaitteen metalliosiin. Jos laite rikkoutuu ja metalliosat tulevat jännitteellisiksi, sähkövirta johtuu pistotulpan suojakosketinliuskojen kautta pistorasiaan eikä esimerkiksi laitteen käyttäjään. Suojamaadoitettu pistotulppa voidaan liittää sekä tavalliseen että suojamaadoitettuun pistorasiaan.

Suojaeristetyssä laitteessa on peruseristyksen lisäksi lisäeristys. Lisäeristyksen tarkoituksena on estää sähkövirran pääsy laitteen ulkokuoreen, jos peruseristys jostain syystä pettää. Laitteen ulkokuori on muovia tai muuta eristemateriaalia. Suojaeristetyn laitteen pistotulppa on litteä ja se voidaan liittää sekä tavalliseen että suojamaadoitettuun pistorasiaan.

Suojajännitteellä tarkoitetaan sellaista jännitettä, joka ei ole käyttäjälleen vaarallinen. Suojajännite saadaan aikaan erillisellä suojamuuntajalla, joka voidaan liittää sekä tavalliseen että suojamaadoitettuun pistorasiaan. Suojajännitteisiä laitteita ovat esimerkiksi sähköllä toimivat lelut (jännite alle 25 V).  Pistotulppa voidaan liittää sekä tavalliseen että suojamaadoitettuun pistorasiaan.

Käyttöympäristö asettaa erilaisia vaatimuksia sähkölaitteelle. Esimerkiksi kosteissa tiloissa laitteen tulee olla tiivis ja suojamaadoitettu. Tämän vuoksi pistorasioita on erityyppisiä. Niillä halutaan varmistaa laitteiden oikea käyttö. Kosteiden tilojen pistorasiat ovat aina suojamaadoitettuja. Ulkona käytetään läpällisiä roiskeveden pitäviä pistorasioita. Pistotulppia ei saa vuoleskella tai viilata pistorasiaan sopivaksi.

KUVA Suojamaadoitettuja laitteita

KUVA Suojaeristettyjä laitteita

KUVA Suojajännitteellisiä laitteita

KUVA Pistotulppa kertoo sähkölaiteen suojauksen

 

Sähkölaitteiden arvokilvessä on erilaisia turvamerkintöjä:

KUVA piirrosmerkeistä

VALOKUVA Sähkölaitteen arvokilpi

VALOKUVA Sähkölaitteen arvokilpi

Valaisin ja lampun vaihto

KUVA lampun vaihdosta

Jos valaisimeen vaihdetaan loistevalaisin tai hehkulamppu, virta on aina ensin katkaistava. Jos lampun oman kytkimen katkaisuasennosta ei olla varmoja, virta on katkaistava pääkytkimestä. Lamppua irrotettaessa ja kiinnitettäessä toisella kädellä on pidettävä kiinni lampunpitimen suojakauluksesta, jotta se ei kierry mukana.

Loistevalaisimen loisteputki irrotetaan valaisimesta kiertämällä neljänneskierros. Loistevalaisimen sytytin on myös toisinaan vaihdettava. Sytytintä tarvitaan lampun syttymiseen.

Sähköisku 

KUVA Piko silittää

Ihminen voi saada sähköiskun esimerkiksi silloin, kun hän koskettaa kädellä johonkin jännitteelliseen kohteeseen kuten vialliseen silitysrautaan ja jalat ovat yhteydessä maahan, lämpöpatteriin tms. Tällöin käden ja jalkojen välillä on sähköisen tilan ero ja sähkövirta voi kulkea kädestä jalkoihin. Jos kädet ovat kosteat, kontakti on parempi ja sähköisku voimakkaampi.

KUVA Nano kylvyssä

Myös vesi johtaa sähköä. Vaaratilanne saattaa syntyä, kun kylvyn aikana käsitellään sähkölaitteita kuten nauhuria, hiustenkuivaajaa tai parranajokonetta. Kylpyhuoneessa tulisi kaikkien sähkölaitteiden olla suojamaadoitettuja.

230 voltin vaihtojännite voi aiheuttaa noin 200 mA:n sähkövirran ihmiseen. Jos tämä virta kulkee sydämen läpi, sydämeen voi tulla rytmihäiriöitä. Jos sähköiskun uhri ei saa välittömästi apua, hän menehtyy. Vaihtovirta saa aikaan myös lihaskouristuksia jolloin ihminen voi "takertua" kiinni vialliseen laitteeseen. Auttajien on ehdottomasti katkaistava sähköt ennen kuin he menevät auttamaan uhria.

Kodinkoneiden huolto ja vaaratilanteita niiden käytössä

Liika pöly saattaa tukkia sähkölaitteen tuuletusaukot, jolloin laite kuumenee ja voi vioittua. Pölyä kertyy kotona esimerkiksi TV:n, jääkaapin, pakastimen tai kylmäkaapin koneistoon. Näiden laitteiden takaa olisi silloin tällöin imuroitava pöly pois. Jos asuntoa tai kesämökkiä lämmitetään sähkölämmittimillä, joissa on lämmitysvastus, on pöly imuroitava myös lämmittimen sisältä silloin tällöin pois.

Jos uuniin tai grilliin kertyy runsaasti rasvaa, se voi syttyä palamaan laitetta käytettäessä. Molemmat laitteet on pidettävä puhtaina.

Sähköllä toimivien lämpöpattereiden tai sähkökiukaan yläpuolella ei saa kuivata vaatteita.

Pistotulpan vaihto

Kotona käytettävät sähköjohdot ovat joko 2- tai kolminapaisia. Eristeellä päällystetyt johtimet on sijoitettu eristävän vaipan sisälle.

Pistotulppa pitää vaihtaa, jos se on vioittunut tai sähköjohto on murtunut. Tällöin liitosjohdon vaippa kuoritaan pois noin 2 - 3 cm:n matkalta. Tällöin on varottava, että johtimen eristettä ei vaurioiteta. Johtimen eristettä kuoritaan noin 5 mm matka, säikeet kierretään yhteen ja pujotetaan liittimeen. Jos johdin on 3-napainen, kelta-vihreäraitainen suojajohdin työnnetään suojamaadoitusmerkillä varustettuun liittimeen. Yksikään johtimen säie ei saa jäädä vapaaksi liittimen ulkopuolelle. Lopuksi johdon vaippa asetetaan vedonpoistajan alle, kiristetään ruuvit ja kokeillaan kevyesti vetämällä, että johto pysyy vedonpoistimessa.

TEHTÄVIÄ

22. Sulakkeita on sekä hitaita että nopeita. Mitä tarkoitetaan sulakkeen hitaudella/nopeudella. Miksi molempia sulakkeita tarvitaan?

23. a) Luettele tilanteita, joissa voi tapahtua oikosulku tai tiedät sen tapahtuneen. Miten oikosulun voi estää? b) Luettele tilanteita, joissa saattaa esiintyä ylikuormituksen vaara. Mihin vuodenaikaan ylikuormitusriski on suurin?

24. Jatkojohdon valmistamista varten on olemassa joukko hyviä neuvoja. Perustele kunkin neuvon hyödyllisyys.

  • Älä koskaan liitä johdon molempiin päihin pistotulppaa.
  • Älä viilaa pistotulppaa tai muutenkaan muuta johdon rakennetta.
  • Älä käytä sisälle tarkoitettua jatkojohtoa ulkona.
  • Älä turhaan liitä useita jatkojohtoja peräkkäin.
  • Älä liitä moniosaisiin jatkopistorasioihin suuritehoisia sähkölaitteita.

25. Luettele laitteita, joissa on a) suojaeristys, b) suojamaadoitus, c) suojajännite. Mihin näiden käyttäjää suojaava vaikutus perustuu?

26. Sähkölaitteessa on viereisen kuvan mukainen arvokilpi. Mitä tietoja arvokilvestä voidaan lukea? Mitä hyötyä arvokilvestä on?

KAKSI VALOKUVAA Sähkölaitteen arvokilpiä