© Helsingin yliopiston opettajankoulutuslaitos

Kirjasto

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.

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.

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

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.

 

 

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.

 

 

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.

 

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 lvirtapiiriin.

 

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.

Erilaisia pienoisakkuja, sähköpareja ja paristoja

Erilaisia paristokoteloita

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.

 

 

 

 

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.

 

 

 

Paristojen vaikutukset kumoavat toisensa

 

 

 

 

 

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

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.

 

 

 

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.

 

 

 

Hiilivoimalaitos ja tuulivoimalaitos

 

 

 

 

 

Vesivoimalaitoksen pato

 

 

 

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

 

 

 

 

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.

 

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.

 

Sähkölaitteen kuva Sähkölaite        Piirrosmerkki
Paristo                                       
Hehkulamppu 
Johdin
Jännitemittari
Virtamittari
Katkaisija
Käämi
Vastus
NTC-termistori



PTC-termistori


LDR-vastus
Kondensaattori
LED

 

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).

 

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

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

 

 

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

 

Ihmisen virtapiirit

Aistinelimistä, nenästä, silmistä, korvista, tiedot välittyvät aivoihin hermoja pitkin. Aivojen käskyt lihaksen supistamiseksi välittyvät myös pitkin hermoratoja. Viestit kulkevat hermosoluissa sähköisinä signaaleina. Esimerkiksi sydäntä ohjaavat sähköiset signaalit havaitaan iholle asetettavilla EKG-laitteistoon kytkettävillä metallilevyillä. Lääkäri pystyy tulkitsemaan näin saadulta EKG-käyrältä mahdolliset sydämen toimintahäiriöt.

 

EKG-käyrän mittaaminen

 

 

 

EKG-käyrän pulsseja

 

 

 

TUTKIMUS

Lamppu hehkumaan

Käytettävissäsi on sähköpari ja hehkulamppu sekä kaksi johdinta.

 – 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. 

Esitä tutkimuksesi tulokset taulukkona.

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.

 

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 

 

 

 

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?

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.

Suljettu virtapiiri. Lamppu hehkuu.

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. 

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

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

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.