LUKU 4

1. Yleistä

Tee seuraavat tehtävät ja palauta teoriatehtävät SÄHKÖOPPI -palautuskansioon.

4. Sähköoppi

- varaus, potentiaali ja jännite

- virtapiiri: suljettu piiri, kytkennät, tasa- ja vaihtovirta, yleismittarin käyttö

- sähkön magneettiset ominaisuudet: magneettisuus, sähkövirta synnyttää magneettikentän, voimavaikutus virralliseen johtimeen, muuttuva magneettikenttä saa aikaan sähkövirran

- sähkökoneet: sähkögeneraattori ja vaihtosähkön syntyminen, sähkömoottori, sähköteho ja -työ

- sähköturvallisuus

4.1. Sähkökoneet

(Lähde: EDITA (Aaltonen – Hänninen – Seikola – Virtanen) Delta tekniikan fysiikka ja kemian s. 208 – 212,

WSOY (Hann) Kiehtovat luonnontieteet s. 166 – 167, OTAVA (Ketolainen – Niskanen – Pennanen): Fysiikan ja kemian fuusio sosiaali- ja terveysala s. 101, OTAVA (Ketolainen – Niskanen – Pennanen): Fysiikan ja kemian fuusio tekniikka ja liikenne s. 152 – 156 sekä fysiikan erilaiset oppikirjat

Johdanto: Näissä tehtävissä tutustutaan sähkömagnetismiin. Jo 1820-luvulla havaittiin, että sähkövirta synnyttää aina ympärilleen magneettikentän. Tämän ilmiön perustalle Faraday v. 1831 kehitti sähkömoottorin.

 Kuva 1. Sähkövirran vaikutus kompassin toimintaan

GENERAATTOREIDEN AVULLA SYNNYTETÄÄN VAIHTOVIRTAA

TEHTÄVÄÄ MYÖS SÄHKÖMOOTTORIIN LIITTYEN

TEHTÄVÄ 1: Sähkövirta synnyttää aina ympärilleen magneettikentän, havaittiin tosiaan jo 1800-luvulla. Sitten lähdettiin miettimään, saadaanko tämän magneettikentän avulla tuotettua sähköä. Monissa kodinkoneissa on sähkömoottori, jonka toiminta perustuu juuri tähän sähköön.

Etsi seuraaviin vastauksia fysiikan kirjoista tai Internetistä

a)     sähköä tuottavien generaattoreiden toiminta perustuu sähkömagneettiseen induktioon. Kerro lyhyesti, mitä tämä tarkoittaa.

b)     otat tietokoneen virtajohdon seinästä, kun olet lähdössä lomalle, havaitset pienen kipinän. Onko syytä huoleen vai mitä tilanne tarkoittaa?

c)     kerro tähän muutamia esimerkkejä laitteista, joissa on magneetti tai sähkömagneetti.

TEHTÄVÄ 2: Koulussa, kotona ja työpaikoilla on tehokkuudeltaan erilaisia sähkölaitteita. Jos sähkölaitteen teho on liian suuri, polttaa se helposti sulakkeen. Suuritehoiset laitteet kytketään kolmivaihevirtaan.

Mitkä seuraavista olisivat laitteita, jotka tarvitsevat kolmivaihevirtaa?

a)     kahvinkeitin

b)     saunan kiuas

c)     sähköliesi keittiössä

d)     astianpesukone

e)     lämminvesivaraaja

f)       pöytälamppu

g)     tietokone

h)     hitsauskone

TEHTÄVÄ 3: Suomessa kotitalouksissa on käyttöjännite 230 V. Ulkomaille matkustettaessa, kannattaa tarkistaa, että omat sähkölaitteet toimivat kohdemaassa ja ellei näin ole, on muuntaja tarpeen.

a)     mitä merkitystä muuntajalla on sähkönsiirtämisen kannalta, kun sähköä siirretään voimalaitokselta kuluttajille?

b)     tiedetään, että muuntajalla saavutetaan hyvä hyötysuhde, mitä tämä käytännössä tarkoittaa?

c)     kerro yksinkertaisimmillaan muuntajan rakenne, mitä komponentteja se sisältää?

d)     kummalla virralla muuntaja toimii tasa- vai vaihtovirralla? Perustele vastauksesi.

TEHTÄVÄ 4: Selitä yksinkertaisen generaattorin eli polkupyörän dynamon toimintaperiaate. Miksi valo palaa kirkkaammin joskus ja milloin se taas ei pala yhtä kirkkaasti.

SÄHKÖTEHO JA -TYÖ

Johdanto: Tutustutaan muutamien sinulle tuttujen laitteiden avulla työhön, tehoon sähkölaitteiden osalta.

TEHTÄVÄ 5: Seuraavassa taulukossa on muutamia kodinkoneita sekä niiden tehoja. Tutustu huolellisesti taulukon alla olevaan laskutoimitukseen, jotta osaat tehdä seuraavia tehtäviä itsenäisesti.

Sähkölaitteen energiankulutus riippuu siitä, mikä on itse laitteen teho ja miten kauan laitetta käytetään.

Kun muutetaan tehot kilowateiksi sekä kerrotaan käyttöajalla tunteina, saadaan suoraan tietää, montako kilowattituntia meillä kuluu energiaa.

Esim. Jos mikroaaltouunissa paistat suklaapiirakkaa n. 6 minuuttia ja mikron teho on kuten edellä 550 W, niin energiaa kuluu seuraavasti: muutetaan ensin minuutit tunneiksi 6/60=0,1h ja sitten watit kilowateiksi 550/1000= 0,550 kW.

Nyt sitten energiankulutus on 0,1 h*0,550 kW=0,055 kWh. Kun 1 kilowattitunti maksaa keskimäärin 11 senttiä, niin hinta, jonka suklaapiirakan paistaminen vie = 0,055 * 11 snt= 0,605 snt.

TEHTÄVÄ 6. Kuivaat hiuksesi joka toinen aamu viikossa hiustenkuivaajalla ja aikaa kuluu noin 10 minuuttia. Lisäksi keität vettä vedenkeittimellä joka aamu, aikaa siihen kuluu 2 minuuttia. Imuroit 2 kertaa viikossa n. 10 minuuttia kerrallaan. Kuinka paljon energiaa kuluu kilowattitunteina ja paljonko kaikki maksaa viikossa yhteensä, kun oletetaan yhden kilowattitunnin hinnaksi 11 snt?

TEHTÄVÄ 7. Sähkövirta, joka kulkee laitteen läpi saadaan laskemalla, kun tiedetään, mitkä ovat laitteen teho watteina W ja jännite voltteina V.

Tutustu seuraaviin ja laske sitten tehtävä:

teho = jännite * virta eli (P = U * I, josta voidaan ratkaista I =P/U eli virta = teho/jännite)

Laske nyt, mikä virta kulkee esimerkin sähkövatkaimessa, kun vatkaimen teho on 150 W ja käyttöjännite on 230 V?

TEHTÄVÄ 8: Pöydällä olevassa lampussa lukee seuraava teksti: 11 W/230 V. Istut pöytäsi ääressä illan ja lamppu palaa noin 4 tuntia.

a)     laske kuinka lamppu kuluttaa energiaa kilowattitunteina tuona aikana?

b)     yhden kilowattitunnin hinta on 11 snt, paljonko tuli lampun käyttämisen hinnaksi sentteinä?

c)     jos teet saman 80 iltana vuodessa, paljonko tämä silloin maksaa?

TEHTÄVÄ 9: Jos sinulla on seuraavat sähkölaitteet kotonasi: Mikroaaltouuni 550 W, vedenkeitin 900 W, sähkövatkain 150 W ja hiustenkuivaaja 1200 W

Voitko liittää ne samaa pistorasiaan, joka on suojattu 10 ampeerin sulakkeella? Käyttöjännite on 230 V.

Miten lasketaan tehtävä:

a)     Laske ensin yhteen kaikkien laitteiden tehot Watteina?

b)     Laske sitten suurin mahdollinen teho, joka voi olla 10 ampeerin sulaketta käytettäessä.

Nyt siis 10 A* käyttöjännite =

c)     vertaa kahta edellistä lukua keskenään, mihin johtopäätökseen tulit, voiko kaikki sähkölaitteet kytkeä samaan pistorasiaan?

TEHTÄVÄ 10: Sähköenergian yksikkö on 1 kWh = 1000 Wh. Muuta tämä Jouleiksi, kun tiedät, että yksi Ws = J eli yksi wattisekunti on sama kuin Joule. Joule on energian ja työn yksikkö.

4.2. Sähköturvallisuus ja muita sähköön liittyviä kysymyksiä

Lähde: OTAVA (Ketolainen – Niskanen – Pennanen) Fysiikan ja kemian fuusio sosiaali- ja terveysala s. 103 – 107, OTAVA (Ketolainen – Niskanen – Pennanen) Fysiikan ja kemian fuusio matkailu-, ravitsemis- ja talousala s. 157 – 163, WSOY (Häikiö – Kahila – Ratilainen – Ängeslevä) KEFY s.180, 184 – 188 ja fysiikan eri oppikirjat)

Johdanto: Näissä tehtävissä mietitään joitakin sähköön liittyviä asioita. Sähkö on tuonut meille helpotusta moniin arkiaskareisiin esim. pyykkikoneen käyttäminen kodin tekstiilien huoltamiseen on suuri helpotus. Sähköenergiaa voidaan muuttaa muodosta toiseen ja tämä on mahdollistanut monien mekaanisten laitteiden käyttämisen kotitalouksissa kuten sähkövatkaimet, liedet, hiustenkuivaajat jne. Sähköenergian avulla voidaan lämmittää asuinrakennuksia jne. Kaikki tämä on mahdollista, koska sähköenergiaa voidaan siirtää aika pienin häviöin pitkiäkin matkoja ja nopeasti. Käytön ja siirron helppous on tehnyt siitä meille erittäin tärkeän energiamuodon.

TEHTÄVÄ 1: Mieti kotona olevia sähkölaitteita. Valitse niistä 5 tärkeintä, mistä et haluaisi missään muodossa luopua. Kirjoita ne tähän.

TEHTÄVÄ 2: Me kaikki olemme erittäin riippuvaisia sähköenergiasta. Pohdi, mitä ongelmia syntyy pitkän sähkökatkon aikana.

TEHTÄVÄ 3: Sähkö on helppo energiamuoto. Jotkut tekijät kuitenkin on huomioitava, jotta sähköä voidaan turvallisesti käyttää. Tee sähköön liittyvä Powerpoint -esitys sähkönvaaratekijöistä, joita seuraavassa luetellaan. Tee esityksestä sellainen, että siinä pohditaan eri dioissa seuraavia asioita:

Dia1: rispaantunut silitysraudan johto

Dia2: pyykkikone kylpyhuoneessa

Dia3: onkivapa sähkölinjan lähellä

Dia4: sähkö ”hyppää”, mitä tämä voisi tarkoittaa?

Dia5: liian suuri virta

Dia6: sähkölaitteet ja vesikalusteet samanaikaisesti kädessä

Dia7: sähkölaite vedessä

Dia8: kosteudelta suojaamaton laite kosteissa tiloissa

Dia9: laite, joka kestää tippu- ja roiskevettä, vaan ei runsasta vedenkäyttöä

Dia10: akun lataaminen väärällä laturilla

Dia11: auton kylmäkäynnistys toisen auton avulla

TEHTÄVÄ 4: Sähkövirralla on neljänlaisia vaikutuksia. Kerro jokin käytännön esimerkki omalta ammattialaltasi seuraaviin:

a)     magneettinen vaikutus

b)     valovaikutus

c)     lämpövaikutus

d)     kemiallinen vaikutus

TEHTÄVÄ 5: Seuraavassa on lauseita, joita sinun tulisi jatkaa omin sanoin.

a)     Ukonilmalla kaverin soittaessa sinulle, et voi olla varma ensimmäisestä soitosta, että puhelimesi soi, koska ääni voi johtua myös …

b)     Ukonilmalla kannattaa välttää …

c)     Saunassa sähkökiukaan sähkövastukset…

d)     Ilmankostuttimissa sähkövastusten tehtävänä on…

e)     Jatkojohdon käyttäminen on …

f)      Sulakkeen palaminen on merkki siitä, että…

g)     Kotona palaneen sulakkeen tunnistaa yleensä …

h)     Ulos tarkoitetuissa sähkölaitteissa on…

i)      Sähköauton yleistymistä Suomen olosuhteissa haittaa…

TEHTÄVÄ 6: Kerro omin sanoin lyhyesti, miten puhdistat sähkölaitteet turvallisesti

a)     pöytälamppu koulupöydän ääressä on erittäin pölyinen ja likainen

b)     vohvelirauta keittiössä

c)     kahvinkeitin

d)     pölynimuri

e)     juotoskolvi

TEHTÄVÄ 7: Jokainen meistä on varmasti joskus saanut sähköiskun. Mitä suurempi virta ja mitä pitemmän aikaa se kulkee ihmisen läpi, sitä vakavampia ovat yleensä seuraukset. Lievemmissä tapauksissa selvitään pelkällä säikähdyksellä.

a)     kerro esimerkki lievästä sähköiskusta

b)     kuinka suuri on sähkövirran voimakkuus milliampeereina, kun ihminen alkaa kouristella tai joutuu tajuttomuustilaan?

c)     millaisia vaikutuksia sähköiskuilla voi olla vakavimmissa tapauksissa. Kerro jonkin käytännön esimerkin avulla, tuleeko esim. haavoja, palovammoja, sydänpysähdyksiä, rytmihäiriöitä, sokaistumista tms.?

TEHTÄVÄ 8: Etsi Internetistä tai fysiikan oppikirjoista tietoa, mikä on eri energianlähteiden osuus sähkön tuotantoon Suomessa prosentteina?

TEHTÄVÄ 9: Kerro lyhyesti, miten toimit seuraavissa tilanteissa:

a)     saat oppitunnilla sähköiskun jostakin laitteesta ja tajuat itse tilanteen

b)     jokin sähkölaite syttyy luokassa palamaan

c)     huomaat, että kemian luokassa olevan keittolevyn pistotulppa on vaurioitunut

d)     huomaat, että sähkölaitteen pistotulppa ei sovi luokassa olevaan pistorasiaan

4.3. Varaus, potentiaali ja jännite

(Lähde: Delta tekniikan fysiikka ja kemian s. 100 – 138, OTAVA: Fysiikkaa ammattioppilaitoksille (Arén – Lehtilä – Luova) ja erilaiset fysiikan oppikirjat sekä itse kokeillut käytännön esimerkit)

Johdanto: Tässä tehtäväpaketissa tutustutaan sähkövaraukseen, potentiaaliin sekä jännitteeseen erilaisten tehtävien avulla.

4.3.1. SÄHKÖSTATIIKKAA

STAATTINEN SÄHKÖ

TEHTÄVÄ 1: Seuraavassa on esimerkkejä tilanteista, joista saat sähköiskun, vaikka et itse käytäkään tietoisesti sähkölaitetta tekemään puolestasi työtä eli kysymys on staattisesta sähköstä.

Esim.

a)     Lasket oppilaitoksen portaiden kaidetta alaspäin viidennestä kerroksesta neljännen kerroksen tasanteelle, voit saada sähköiskun.

b)     tulet tammikuun pakkasella kouluun ja otat kiinni ulko-oven metallikahvasta ja silloin säpsähdät. Sait juuri sähköiskun.

Keksi itse 3 käytännön tilannetta, jossa esiintyy vastaavaa eli saat sähköiskun ilman, että tietoisesti olet käyttänyt jotain sähkölaitetta.

TEHTÄVÄ 2: Staattista sähköä eli hankaussähköä pyritään käytännön tilanteissa välttämään. Miten sitä yritetään pienentää tai sen vaikutus poistaa seuraavissa tilanteissa

a)     tietokoneen sisällä

b)     vaatteiden valmistuksessa

c)     pyykkäämisessä

d)     hiusten harjaamisessa

e)     ukonilmalla

f)       sähkötekniikan opetustiloissa oppitunneilla

TEHTÄVÄ 3: Sähköstatiikka käsittelee paikallaan oleviin sähkövarauksiin liittyviä ilmiöitä kuten kahdessa edellisessä tehtävässä. Sähköstatiikassa on tärkeää muistaa atomin rakenne. Atomi koostuu ytimestä ja ytimen ympärillä olevasta elektronipilvestä.

a)     Mikä on ytimen sähkövaraus?

b)     Mikä on elektronipilven sähkövaraus?

c)     Atomi on kuitenkin ulospäin sähköisesti neutraali eli varaukseton. Miten tämä voi olla mahdollista a)- ja b)- kohdan vastausten perusteella.

d)     Elektronit sijaitsevat atomissa eri elektronikuorilla. Kaksi atomia voi esimerkiksi synnyttää tilanteen, jossa toinen atomi luovuttaa elektronin toiselle ja toinen atomi vastaavasti vastaanottaa elektronin toiselta atomilta. Tällöin syntyy ioni, jossa on sähkövaraus. Kumpi atomi saa positiivisen varauksen ja kumpi negatiivisen varauksen, elektronin luovuttava vai elektronin vastaanottava atomi?

e)     Esimerkkinä edellisestä voisi olla ruokasuola eli natriumkloridi. Siinä natriumatomi luovuttaa ainoan elektroninsa klooriatomille ja syntyy positiivisesti varautunut natriumioni. Samalla klooriatomista tulee negatiivisesti varautunut kloridi-ioni. Ionien välillä on sähköinen vetovoima, joka saa aikaan ruokasuolan muodostumisen. Jos tämä syntynyt yhdiste joutuu vesiliuokseen, hajoaa se ioneiksi ja vesiliuos on sähköä johtava.

Kerro jokin toinen vastaavanlainen esimerkki.

TEHTÄVÄ 4: Edellisessä tehtävässä huomattiin, että sähkövarauksia on kahdenlaisia, positiivisia ja negatiivisia. Toisaalta sähkövaraukset voivat siirtyä kappaleesta toiseen.

Staattinen sähkövaraus voi syntyä kappaleeseen joko hankauksen vaikutuksesta tai kappaleessa itsessään olevien sähköisten vetovoimien vaikutuksesta. Kerro käytännön esimerkki molemmista.

 4.3.2. SÄHKÖDYNAMIIKKA

 Johdanto: Seuraavissa tehtävissä sähkö on käytössä tilanteissa, joissa tietoisesti käytetään esim. sähkölaitteita tai kojeita ja niiden avulla muutetaan sähköenergiaa toiseen energiamuotoon. Esimerkkitilanteita dynamiikasta voisi siis olla esim. pölyimurin virran kytkeminen, valojen sytyttäminen lamppuun, hiustenkuivaajan käyttäminen, sähkölieden kytkeminen päälle jne. Tutustutaan tehtävien avulla muutamiin käytännön esimerkkeihin sähködynamiikasta ja näissä tehtävissä voit kysyä apua myös tarvittaessa käytännön ammattilaisilta. Haastattele siis jotain oppilaitoksesi sähköpuolen asiantuntijaa tai vaikka kotona olevaa ammattilaista.

KONDENSAATTORI

 TEHTÄVÄ 5: Otat perhejuhlissa kuvia ja käytät salamavaloa digikamerassa. Digikamera toimii tietyllä viiveellä, et voi siis ottaa kuvia salamaa käyttäen kovin nopeasti vaan joudut aina odottamaan hetken, jotta laite ehtii niin sanotusti toimintakuntoon. Mitä tämä tarkoittaa? Sähkövaraukset ovat varastoituneet kamerassa kondensaattoriin ja kondensaattorin täytyy ehtiä varata riittävä energiamäärä, joka tarvitaan kuvien ottamiseen.

a)     Joskus kuvan ottaminen salaman avulla uudelleen vaatii sen verran pitemmän ajan, että ns. ”h-hetki” voi mennä ohi ja silloin on hyvä, että on useita filmaajia paikalla. Miksi salaman uudelleen käyttäminen vaatii aina eripituisen ajan?

b)     Vaikuttaako kameran toimintaan, käyttääkö uusia vai vanhoja paristoja?

c)     Ihmisten pelastaminen sydänkohtauksen yllättäessä perustuu myös kondensaattorien varaukseen. Etsi Internetistä nimi laitteelle, jolla voidaan poistaa sydämen rytmihäiriöitä tai elvyttää sydäntä.

d)     Kondensaattorit eli konkat ovat laitteita, jotka voivat säilyttää varauksensa kauan. Mitä käytännön merkitystä edellisellä on sähköturvallisuuden kannalta kodin sähkölaitteitta liian aktiivisesti huoltavalle tee-se-itse-henkilölle?

SÄHKÖVARAUKSEN LASKEMINEN

Sähkövarauksen yksikkö on coulombi, jota merkitään C-kirjaimella. Toisaalta 1 C= 1 As eli 1 Ampeerisekunti. Tästä voidaankin johtaa kaava sähkövarauksen laskemiselle:

sähkövaraus = sähkövirta * aika eli Q=I*t. Tutumpi yksikkö sähkövaraukselle on Ampeeritunti.

TEHTÄVÄ 6:

Johdanto tehtävään: Olet laskettelu/eräreissulla. Heräät asuntovaunussa kylmän tunteeseen ja asuntovaunu lämmityslaite (PRIMUS) on sammunut. Se ei käynnisty, kun kokeilet käynnistää sitä uudelleen, mitä teet? (Sähkövirtaa ei ole käytössä). Sinulla on mukana henkilöauto, apukäynnistyskaapelit, auton laturin virrantuotto maksimissaan on 120 A ja asuntovaunun akku on 60Ah.

Tehtävässä on joitakin rajoituksia: PRIMUKSEN uudelleen käynnistäminen ei onnistu, toisaalta et voi ottaa auton akkua irti ja ladata asuntovaunun akkua sillä, koska autossa on tällä hetkellä ainoa toimiva akku.

Mitä siis tehdään? No irrotetaan akku asuntovaunusta, ajetaan pois asuntovaunualueelta, jotta muut nukkuvat eivät häiriinny. Ladataan sitten auton akun avulla toinen akku.

a)     Kerro miten teet rinnankytkennän eli kytket apukäynnistyskaapelit?

b)     Miten kauan lataaminen vie aikaa tunteina? Q=I*t -> t=Q/I (aika = sähkövaraus/sähkövirta)

c)     Selvitä Internetin tai fysiikan oppikirjojen avulla, miten jännitteen käy rinnankytkennässä, säilyykö se samana vai muuttuuko?

d)     Selvitä myös, mitä vaikutusta on sillä, että autoa käytetään suuremmalla käyntinopeudella kuin normaalisti?

e)     Selvitä Internetistä, voiko uudemmissa autoissa käyttää apukäynnistyskaapeleita. Rajoitteita on olemassa, ja mitä ne rajoitteet tässä tapauksessa ovat?

f)       Mitä merkitystä laturilla on latauksen yhteydessä?

TEHTÄVÄ 7: Laske edelleen, kuinka suuri varaus kulki auton akun läpi, kun lataamisen ajan akku syötti 120 A:n virtaa? Tehtävässä tarvittavan latausajan saat edellisestä tehtävästä. Nyt kaava laskemiseen on

Q = I*t eli sähkövaraus = sähkövirta * aika

(yksiköt tehtävässä: sähkövaraukselle C eli Coulombi = As= ampeerisekunti , sähkövirta = A= ampeeri, aika = s= sekunti)

 4.3.3. POTENTIAALI JA JÄNNITE

Johdanto: Sähkölaitteet kytketään ns. virtapiiriin, jotta saadaan sähkövirta kulkemaan ja esimerkiksi lamppu palamaan. Sähkövirta saadaan kulkemaan kun virtapiirissä on esim. paristo tai vastaava jännite- tai virtalähde. Paristojen kyljestä voit lukea niiden napojen välissä olevan jännitteen määrän voltteina esim. tavallinen paristo 1,5 V. Pariston jännitteen voi mitata jännitemittarilla kytkemällä pariston ja jännitemittarin plusnavat toisiinsa ja vastaavasti miinusnavat toisiinsa.

Tätä kannattaa kokeilla käytännön töissä.

Virtapiirissä yleensä jokin piste maadoitetaan ja siten se on potentiaalin ns. nollapiste eli potentiaali tuossa pisteessä on 0 V eli 0 volttia. Kahden eri potentiaalin välillä on jännite, joka lasketaan kyseisten pisteiden potentiaalien erotuksena.  Tämä jännite laittaa elektronit liikkeelle ja saa aikaan sähkövirtaa. Esim. pisteen A potentiaali on +20 V ja pisteen B potentiaali on +45 V, niin potentiaaliero eli jännite pisteiden A ja B välillä on 45 V – 20 V = 25 volttia.

TEHTÄVÄ 8: Sähkölaitteet maadoitetaan, jotta niitä on turvallista käyttää esim. vikatilanteessa. Tavallisissa huonetiloissa voi kotona olla maadoittamattomia pistorasioita, kun taas esim. kylpyhuoneeseen ei sellaista saa asentaa. Etsi Internetistä tietoa, millaisia pistorasioita käytetään seuraavissa tilanteissa?

a)     Kylpyhuoneessa tai kosteissa tiloissa

b)     ulkona

c)     uudessa asunnossa huomaat, että vain yksi olohuoneen kolmesta pistorasiasta on maadoitettu, mitä pitäisi tehdä välittömästi?

TEHTÄVÄ 9: Sähköverkoston jännite on erilainen eri maissa ja seuraavassa muutamia esimerkkejä. Etsi vastaukset Internetistä seuraaviin:

a)     Olet ostanut uuden pelin Japanin matkalta, se ei toimikaan Suomessa olevalla verkkojännitteellä. Mikä on Japanin verkkojännite ja miten muutat sen sopivaksi Suomeen?

b)     Matkustat työssäoppimaan Englantiin. Mikä on verkkojännite Englannissa? Tarkista sopivatko suomalaiset sähkölaitteesi suoraan Englannin sähköverkkoon.

TEHTÄVÄ 10: Seuraavassa taulukossa on esitetty erilaisten jännitelähteiden jännitteitä. Laadi niistä havainnollinen kuvaaja Excelillä.

a)

b)Selvitä kirjallisuudesta tai Internetistä, mitkä ovat jännitteiden arvot esim. ukonilmalla salamassa, sähkönsiirrossa ja kolmivaihevirrassa?

 Kuva 1. Jännitteet näkyvät kauas.

4.4.VIRTAPIIRI

(Lähde: EDITA (Aaltonen – Hänninen – Seikola – Vartiainen) Delta tekniikan fysiikka ja kemia s. 199 – 207, OTAVA (Ketolainen – Niskanen – Pennanen): Fysiikan ja kemian fuusio tekniikka ja liikenne s. 141 – 147, omat käytännön mittaukset, lisäksi erilaiset fysiikan oppikirjat…)

Johdanto: Näissä tehtävissä tutustutaan sähkövirran eri ominaisuuksiin ja tutustutaan muutamiin keskeisiin kytkentöihin. Kuva yleismittarista mittalaitteena tulee jonkin verran tutuksi jne.

4.4.1. SULJETTU VIRTAPIIRI

Johdanto: Yksinkertaisin esimerkki suljetusta virtapiiristä voisi olla päällä oleva taskulamppu. Valo palaa ja elektronit siirtyvät virtapiirissä pariston negatiiviselta navalta positiiviselle navalle. Sähkövirran suunta on elektronien virralle vastakkainen eli positiiviselta navalta negatiiviselle navalle. Energianlähteenä toimii paristo, josta saadaan käytettävä jännite.

KYTKENNÄT: Tutustu seuraaviin kytkentäkuviin. Kuvien jälkeen on kysymyksiä, joihin vastataan.

 Kuva 1.          Kytketty toisiinsa n. 9 V paristo sekä lamppu johtimilla -> suljettu virtapiiri

  Kuva 2.    Mitattu 9 Voltin pariston jännite ja saatu tulos jäi hiukan alle 9 V

 Kuva 3.    Pariston jännite mitattuna yleismittarilla, tulos oli 8,26 V

Kuva 4.        Jännitteen mittaaminen yhdestä paristosta n. 1,17 V

 Kuva 5.  Jännitteen mittaaminen, kun paristot (2 kpl) on kytketty sarjaan  n. 2,33 V

Kuva 6.    Jännitteen mittaaminen, kun paristot (3 kpl) on kytketty sarjaan n. 3,51 V

 Kuva 7.      Virran mittaaminen, kun paristot (3 kpl) kytketty sarjaan n. 0,41 A

 Kuva 8.    Virran mittaaminen, kun paristot (2 kpl) kytketty sarjaan, n. 0,41 A

 Kuva 9.         Virran mittaaminen yhdestä paristosta, n. 0,41 A

 TASA- JA VAIHTOVIRTA

TEHTÄVÄ 1. Sähkövirta voi olla tasa- tai vaihtovirtaa. Kerro omin sanoin, mitä eroa näillä kahdella on?

TEHTÄVÄ 2: Kuvassa 1 on suljettu virtapiiri

a)     mistä sen huomaa?

b)     mitkä laitteet kuvassa muodostavat suljetun virtapiirin?

c)     etsi Internetistä jokin kytkentäkaavio, jossa on esitetty piirrosmerkkien avulla suljettu virtapiiri.

TEHTÄVÄ 3: Kuvassa 2 on mitattu 9 voltin pariston jännite ja saatu tulos on jäänyt hiukan alle 9 volttia. Mikä mahdollisesti vaikuttaa tulokseen?

YLEISMITTARIN KÄYTTÖ

TEHTÄVÄ 4: Kuvassa 3 on mitattu 9 voltin pariston jännite yleismittarilla voltteina ja tulos on 8,26 V. Etsi tietoa Internetistä tai fysiikan oppikirjoista seuraaviin kysymyksiin:

a)     mitä pitää huomioida mittarin käyttöaluetta valittaessa?

b)     onko kuvassa suoritettu rinnan- vai sarjaan kytkentä?

c)     missä käytännössä hyödynnetään tällaista kytkentää?

TEHTÄVÄ 5: Kuvat 4, 5 ja 6 esittävät, mitä tapahtuu jännitteelle, muuttuuko se ja miten se muuttuu, kun paristot kytketään sarjaan eli peräkkäin?

a)     Kerro omin sanoin, miten jännitteelle käy sarjaankytkennässä?

b)     Etsi tietoa fysiikan oppikirjoista, miten käy jännitteen kun kytketään paristot rinnakkain ja jos paristojen jännitteet eivät ole samat?

c)     Miksi joissakin sähkölaitteissa kaikki paristot on vaihdettava samanaikaisesti?

TEHTÄVÄ 6: Kuvat 7, 8 ja 9 esittävät, mitä tapahtuu virralle, muuttuuko se ja miten se muuttuu, kun paristot on kytketty sarjaan?

a)     kerro omin sanoin kuvien perusteella, miten virralle käy sarjaankytkennässä?

b)     Etsi tietoa fysiikan oppikirjoista, miten käy virran, jos kytketään paristot sarjaan?

TEHTÄVÄ 7:  Kuvassa 4 on mitattu jännitteeksi yhdelle paristolle U = 1,17 V ja kuvassa 9 on mitattu virraksi samalle paristolle I = 0,41 A. Ohmin lain mukaan (U = R *I eli jännite = resistanssi * sähkövirta) voidaan laskea nyt paristolle resistanssi R.

a)     Laske R ohmeina (merkintä ohmille on Ω)

b)     Mitä resistanssilla tarkoitetaan?

c)     Mitä etua pienellä resistanssilla saavutetaan sähkönsiirrossa?

d)     Millainen resistanssi halutaan sähkölaitteisiin esim. vedenkuumentimiin ja miksi?

SÄHKÖN MAGNEETTISET OMINAISUUDET

SÄHKÖVIRTA SYNNYTTÄÄ MAGNEETTIKENTÄN, JOKA MUUTTUU JA SAA AIKAAN SULJETUSSA VIRTAPIIRISSÄ SÄHKÖVIRRAN

TEHTÄVÄ 8: Sähkövirralla on neljänlaista vaikutusta: valo-, lämpö-, kemiallisia- ja magneettisia vaikutuksia. Tutkitaan nyt magneettista vaikutusta. Mitkä seuraavista laitteistasi mielestäsi pohjautuvat sähkövirran magneettisten vaikutusten hyödyntämiseen?

a)     sulake

b)     metallinilmaisin esim. kadonnutta korua haettaessa

c)     metallien päällystäminen sähkövirran avulla

d)     sähkömoottorin toiminta esim. voimalaitoksissa, kun tuotetaan sähköä

e)     metallinilmaisimet lentokentän turvatarkastuksissa

f)       magneettinen erotin autoja murskattaessa, jossa muovit saadaan erilleen metalleista

g)     astianpesukoneen magneettiventtiili

TEHTÄVÄ 9: Etsi jokin käytännön esimerkki, jossa käyttöjännite 230 V muunnetaan muuntajan avulla sopivaksi laitteen käyttötarkoitukseen.