Sähkö ja magnetismi 1

Transkriptio

1 Kokeellista fysiikkaa luokanopettajille Ari Hämäläinen kevät 2005 Sähkö ja magnetismi 1 Kestomagneetit Magneetit ovat tuttuja ainakin kaapinovien ja kynäpenaalien salvoista. Jääkaapin oveen kiinnitetään papereita nappimaisilla magneeteilla. Magneettinen vuorovaikutus on selvästi etävuorovaikutus: magneetti vaikuttaa esineeseen matkan päästä. Magneetti ei vuorovaikuta kaikkien esineiden kanssa. Kokeilemalla havaitaan, että esimerkiksi jääkaapimagneetti tarttuu rautaan ja teräkseen. Muut metallit eivät näytä vuorovaikuttavan magneetin kanssa, kuten ei myöskään puu, muovi, kumi yms. aineet. Tarkoilla tutkimuksilla voidaan havaita lähes kaikkien aineiden vuorovaikuttavan magneetin kanssa, mutta paljon heikommin kuin raudan. Esimerkiksi alumiinia ja nestemäistä happea magneetti vetää heikosti puoleensa; grafiittia taas magneetti heikosti hylkii. Alumiini on paramagneettinen, grafiitti on diamagneettinen. Rauta ja teräs ovat ferromagneettisia. Nykyisin on saatavissa opetuskäyttöönkin niin voimakkaita magneetteja, että para- ja diamagnetismi saadaan näkyviin. Laitetaan rautanaula kiinni magneettiin. Havaitaan, että magneetissa kiinni ollessaan rautanaulakin muuttuu magneetiksi: toiset naulat tarttuvat siihen. Naulat muodostavat ketjun, koska jokainen naula vuorostaan muuttuu magneetiksi. Sanotaan, että naulat magnetoituvat. Kun magneetti irroitetaan, naulaketju hajoaa: magneettisuus katoaa nauloista. Rautanaulat eivät siis magnetoidu pysyvästi. Sensijaan kovasta teräksestä valmistetut esineet, kuten puukot, ruuvimeisselit, sakset ja nuppineulat magnetoituvat pysyvästi. Kokeillaan seuraavaksi sauvamagneeteilla. Magneettinavat Käytetään kokeissa aluksi yksivärisiä magneetteja, tai magneetteja joiden napojen maalaukset on peitetty esimerkiksi teipillä. Kokeillaan, miten pienet naulat tarttuvat magneetteihin. Havaitaan, että magneettinen vuorovaikutus näyttää keskittyvän tiettyihin magneetin kohtiin, jotka sauvamagneeteissa ovat tavallisesti magneetin päissä. Kutsutaan näitä kohtia magneetin navoiksi. Todetaan, että jokaisessa magneetissa on vähintään kaksi napaa, mutta napoja voi olla useampiakin. Jatketaan kokeita sauvamagneeteilla, joissa on kaksi magneettisauvan päissä sijaitsevaa napaa. Havaitaan, että kahden sauvamagneetin tietyt navat tarttuvat voimakkaasti toisiinsa, mutta jos toinen magneetti käännetään, magneettien navat hylkivät toisiaan, eli ne eivät suostu pysymään yhdessä. Tutkitaan tätä systemaattisesti. Merkitään yhden sauvamagneetin yksi napa kirjaimella X. Tuodaan muiden magneettien molemmat päät vuorotellen X-pään lähelle. Todetaan, että jokaisen sauvamagneetin yksi napa vetää puoleensa ja toinen napa hylkii merkittyä napaa. Magneetin navat ovat siis erilaiset.

2 Merkitään jokaisesta magneetista X-napaa hylkivät navat kirjaimella A, ja jokainen X-napaa puoleensa vetävä pää kirjaimella B. Kokeillaan seuraavaksi A-napoja toisiinsa. Havaitaan niiden hylkivän toisiaan. Myös B-navat hylkivät toisiaan. Sen sijaan jokainen A-napa vetää puoleensa jokaista B-napaa. Ei löydy sellaista napaa, joka hylkisi sekä A- että B-napaa, tai vetäisi puoleensa sekä A- että B-napaa. Kokeista voidaan päätellä, että X-napakin on itse asiassa A-napa, koska X- ja A-navat hylkivät toisiaan. Johtopäätöksiä: Magneetissa on aina vähintään kaksi erilaista napaa. Magneettinapoja on tasan kahta lajia. Samanlaiset navat hylkivät toisiaan, erilaiset navat vetävät toisiaan puoleensa. Kompassi Tutkitaan kompassia. Siinä on keskeltä laakeroitu neulamainen sauva, joka pääsee kääntymään vaakasuunnassa. Tuodaan sauvamagneetti kompassin lähelle, jolloin havaitaan vuorovaikutus kompassin neulan ja magneetin välillä. Magneettia ja kompassia kääntelemällä todetaan, että kompassin neula on myös magneetti, jonka navat ovat neulan päissä. Kompassineula tunnetusti asettuu osapuilleen pohjois-etelä -suuntaan, jollei lähellä ole häiritseviä magneettisia esineitä. Koska magneettinen kompassineula käyttäytyy näin, niin voisi olettaa että sauvamagneetti toimii samoin. Kokeillaan asiaa edellisessä kokeessa käytetyillä sauvamagneeteissa, jossa on merkittynä A- ja B-navat. Ripustetaan sauvamagneetti lankaan riippumaan. kuva 0 Havaitaan että sauvamagneetitkin asettuvat pohjois-etelä -suuntaan, ja ne kaikki asettuvat samoin päin, ts. pohjoiseen osoittavat joko kaikkien magneettien A-navat, tai kaikkien magneettien B-navat. Se että kaikki magneetit suuntautuvat maantieteellisesti samalla tavalla, antaa mahdollisuuden nimetä magneettinavat yleispätevämmällä tavalla kuin edellä käytetyt A-B -nimitykset. Kutsutaan sauvamagneetin pohjoiseen osoittavaa napaa pohjoisnavaksi, ja etelään osoittavaa napaa etelänavaksi. Kompassineulan ja ripustettujen sauvamagneettien asettuminen pohjois-etelä -suuntaan johtuu siitä, että Maapallo on myös magneetti. Maapallomagneetin etelänapa on siis maantieteellisen pohjoisnavan lähellä, vastaavasti magneettinen pohjoisnapa on maantieteellisen etelänavan lähellä. Ylläoleva on yksinkertaistus, todellisuus on huomattavasti monimutkaisempi. Maapallomagneetilla on useita napoja. Magneettikenttä Aluetta, jossa magneettinen vuorovaikutus vaikuttaa, sanotaan magneettikentäksi. Ainakin kestomagneetin ympärillä siis on magneettikenttä. Magneettikentän suunnaksi on sovittu magneettikentässä olevan testimagneetin pohjoisnapaan vaikuttavan voiman suunta. Etelänapaan kohdistuva voima on magneettikentän suuntaa vastaan. Tästä seuraa, että vapaasti kääntyvä kompassineula kääntyy magneettikentässä niin, että neulan kärki osoittaa magneettikentän suuntaan.

3 Sauvamagneetin kentän suuntaa voi tutkia asettelemalla magneetin ympärille useita kompasseja alla olevan kuvan tapaan. Toinen tapa tutkia erilaisten magneettien kenttiä on laittaa magneetti piirtoheitinkalvon tai paperin alle, ja ripotella päälle rautaviilajauhetta. Jauhemuruset magnetoituvat, jolloin niistä tulee ikäänkuin pieniä kompassineuloja. Magnetoituneet muruset tarttuvat toisiinsa, aina pohjoisnapa etelänapaan, ja muodostavat näin magneettikentän suuntaisia ketjuja. Viilajauhekoe ei anna täysin oikeaa kuvaa magneettikentästä. Lähellä magneettia ei näy jauheen muodostamia ketjuja, koska siellä magneettinen vuorovaikutus on niin suuri, että jauhe lähtee liikkeelle ja kasautuu lähelle magneetin pintaa. Kannattaa varoa päästämästä rautaviilajauhetta tarttumaan magneettiin, koska magneetin puhdistaminen jauheesta on hyvin vaikeaa. kuva 1 kuva 2

4 Maapallon magneettikentän suuntaa ei voi nähdä kunnolla tavallisella kompassilla, koska sen neula kääntyy vain vaakasuunnassa. Viereinen kuva esittää ns. inklinaationeulaa. Se on kompassi, jossa neulan akselin suunta voidaan kääntää pystysuorasta vaakasuoraksi. Maan magneettikentän suunnan määritys tehdään seuraavasti: Kierretään neulan telinettä niin, että neulan akseli tulee pystysuoraan. Neula asettuu pohjois-etelä -suuntaan, siis vaakasuunnassa Maan magneettikentän suuntaiseksi. Käännetään laitteen jalustaa niin, että neula osoittaa kohti neulan telineen akselia (merkitty kuvaan nuolella). Kierretään neulan telinettä niin, että neulan akseli tulee vaakasuoraan. Neula asettuu myös pystysuunnassa Maan magneettikentän suuntaiseksi. Maan magneettikentän suunta poikkeaa Suomessa astetta vaakasuorasta alaspäin. kuva 3 Sähkövirta, paristo, virtapiiri Erilaiset sähköllä toimivat laitteet ovat kaikille tuttuja. Niillä tuotetaan ainakin valoa (sähkölamput), lämpöä (sähkölämmittimet ja lamput myös) ja pyörimisliikettä (sähkömoottorit).

5 Tarkastellaan aluksi tavallista taskulamppua. Valoa lähettävää osaa kutsutaan taskulampussa yleensä polttimoksi, mutta yleisempi nimitys on hehkulamppu. Siinä on lasikuvun sisällä hyvin ohut, kierteinen metallilanka. Havaitaan että lampun valo tulee juuri tästä langasta. Valaistessaan lamppu myös lämpenee. Ilmeisesti lanka valaisee siksi, että se on hehkuvan kuuma. Tästä syystä lankaa kutsutaan hehkulangaksi. Jos hehkulampun kanta puretaan, havaitaan että toinen hehkulangan pää on yhdistetty lampun kannan kärjessä olevaan metallikoskettimeen, ja toinen pää on yhdistetty lampun metalliseen kierreosaan. kuva 5 kuva 4 Tunnetusti taskulamppu ei toimi ilman paristoja. Kuvan taskulampussa paristoja on kaksi. Paristoissa on metalliset koskettimet eli navat, jotka on merkitty (+) ja (-) merkeillä. Kuvan esittämissä sauvaparistoissa (+)-napa on aina pariston päästä ulkoneva pieni metallilieriö, (-)-napa on aina pariston toisen pään peittävä metallilevy. Tarkastellaan taskulampun kytkimen toimintaa. Havaitaan, että silloin kun lamppu palaa, kytkimen metalliliuska koskettaa lampun kiinnitysosana toimivaan metallikaulukseen. Tällöin muodostuu yhtenäinen metalliosien ja paristojen piiri: ylempi paristo - ylemmän pariston (+)-napa - lampun kosketin - hehkulanka - lampun kierreosa - lampun kiinnityskaulus - kytkimen metalliliuska - kotelon pohjalle menevä metalliliuska - kierrejousi - alemman pariston (-) -napa - alempi paristo - alemman pariston (+)-napa - ylemmän pariston (-)-napa.

6 Jos tämä piiri katkaistaan mistä tahansa kohdasta, niin että piirin osien väliin tulee ilmaa tai jotain muuta eimetallista ainetta, lamppu ei pala. Lamppu ei pala yhdellä paristolla, koska yksi paristo ei kosketa yhtä aikaa lampun koskettimeen ja kierrejouseen. Leikataan pahvista kiekko, jonka halkaisija on hieman pienempi kuin paristolla. Laitetaan pahvikiekko vuorotellen kotelon pohjalle kierrejousen päälle, tai paristojen väliin, tai paristojen päälle lampun koskettimen alle. Missään näistä tapauksista lamppu ei pala. Toistetaan koe käyttäen pahvikiekon sijasta kolikkoa. Nyt lamppu palaa. Kolikko on metallia, joten siitä tulee osa piiriä. kuva 6 Kokeillaan saadaanko irrallinen lamppu palamaan korvaamalla taskulampun osat yhdellä metallijohtimella. Havaitaan, että lamppu palaa. kuva 7 Kokeillaan erilaisia tapoja kytkeä lamppu, kaksi paristoa ja johdin. Kuvien 8-10 kytkennöissä lamppu palaa kaikissa yhtä kirkkaasti. Ei ole väliä, onko lampun kärki vai kierre kytketty pariston (+)-napaan, kunhan lamppu on mukana piirissä. kuva 8 kuva 9 kuva 10

7 Mutta kuvan 11 kytkennässä lamppu ei pala: Siis paristojen pitää olla samoin päin, jotta lamppu palaisi. Kokeillaan vielä, mitä paristojen lukumäärän muuttaminen vaikuttaa: Yhdellä paristolla lamppu palaa himmeämmin kuin kahdella. kuva 11 kuva 12 Kolmella paristolla lamppu palaa kirkkaammin kuin kahdella, mikäli kaikki kolme paristoa ovat kytkennässä samoin päin. Jos yksi kolmesta paristosta on eri päin kuin muut kaksi, lamppu palaa suunnilleen yhtä kirkkaasti kuin yhdellä paristolla. kuva 13 kuva 14 Nyt on koossa tarpeeksi havaintoja, jotta voidaan tehdä johtopäätöksiä ilmiön luonteesta. Jotta lamppu palaisi, tarvitaan yhtenäinen paristoista ja metalliosista koostuva piiri. Syntyy mielikuva, että piirissä kiertää jotakin. Kutsutaan tätä jotakin sähkövirraksi, ja piiriä, jossa sähkövirta kiertää, virtapiiriksi. Paristo saa aikaan sähkövirtaa, koska ilman paristoa ei lamppua saada palamaan. Ilmeisesti sähkövirran kulku lampun hehkulangan läpi kuumentaa lankaa, ja saa sen hehkumaan. Sähkövirralla on siis lämpövaikutus, ja lämpövaikutus voi tuottaa myös valoa. Myöhemmin todetaan muitakin sähkövirran vaikutuksia. On havaittu, että lamppu voi palaa eri kirkkauksilla. Ilmeisesti lamppu palaa sitä kirkkaammin, mitä suurempi sähkövirta lampun läpi kulkee. Kun paristoja kytketään peräkkäin, eli sarjaan, siten että ne ovat kaikki samoin päin, niin piirissä kulkeva sähkövirta on sitä suurempi, mitä enemmän paristoja on. Siis kytkettäessä paristoja samoin päin sarjaan, yhdistelmän kyky saada aikaan sähkövirtaa kasvaa. Jos sarjaankytkennässä on mukana eri päin kytkettyjä paristoja, niin aina kaksi keskenään eri päin kytkettyä paristoa kumoaa toistensa kyvyn saada aikaan sähkövirtaa.

8 Piirrosmerkit Sähkökytkentöjen esittämiseen käytetään usein piirrosmerkkejä (symboleja). Piirrosmerkkien avulla kytkennän kuvaus eli kytkentäkaavio on helpompi ja nopeampi piirtää kuin komponenttien näköiskuvien avulla. Piirrosmerkeillä laadittu kytkentäkaavio on selkeä ja yksikäsitteinen. kuva 15. Lamppujen sarjaankytkentä, kyky vastustaa sähkövirran kulkua Verrataan lamppujen palamiskirkkautta kuvan 16 esittämissä kytkennöissä. Havaitaan, että kun lamppuja on vain yksi, se palaa kaikkein kirkkaimmin. Kaksi lamppua palaa vähän himmeämmin, ja kolme lamppua kaikkein himmeimmin. Lamput ovat virtapiirissä peräkkäin, eli sarjassa. On ilmeistä, että niiden kaikkien läpi kulkee sama virta. Tämä havaitaan siitäkin, että b)-kytkennässä lamput palavat keskenään yhtä kirkkaasti, samoin c)-kytkennässä.. Koska lamput himmenevät siirryttäessä a) :sta b):hen ja edelleen c):hen, voidaan päätellä että sähkövirran voimakkuus heikkenee siirryttäessä a) :sta b):hen ja edelleen c):hen. Kaikissa kytkennöissä on sama määrä paristoja, joten paristojen kyky saada aikaan sähkövirtaa on kaikissa kytkennöissä sama. Ilmeisesti siis lamppujen lisääminen muuttaa virtapiiriä niin, että samalla paristomäärällä piirissä kulkee pienempi sähkövirta, eli piirin kyky vastustaa sähkövirran kulkua kasvaa. Voidaan päätellä, että jokaisella lampulla on tietty lampulle ominainen kyky vastustaa sähkävirran kulkua, ja kun lammpuja kytketään sarjaan, yhdistelmän kyky vastustaa sähkövirran kulkua on sitä suurempi mitä enemmän kytkennässä on lamppuja. kuva 16

9 Lamppujen rinnankytkentä Verrataan lamppujen palamiskirkkautta kuvan 17 esittämissä kytkennöissä. Havaitaan, että kaikissa kytkennöissä kaikki lamput palavat suunnilleen yhtä kirkkaasti. Kytkennöissä b) ja c) virtapiiri haarautuu. Lamput on kytketty rinnan. Ilmeisesti haarautumiskohtaan tulevan sähkövirran täytyy olla yhtä suuri kuin haarautumiskohdasta lähtevän virran, koska sähkövirtaa ei synny tyhjästä eikä sitä häviä johtimista. Näin ollen, koska kaikissa tapauksissa lamput palavat yhtä kirkkaasti, täytyy b)-kytkennässä paristojen läpi kulkevan kokonaisvirran olla kaksinkertainen, ja c)-kytkennässä kolminkertainen, verrattuna a)-kytkentään. Koska kokonaisvirta kasvaa kytkettäessä lamppuja rinnan, ilmeisesti rinnan kytketyn lamppuyhdistelmän kyky vastustaa sähkövirran kulkua on sitä pienempi, mitä useampia lamppuja kytkennässä on. kuva 17