Sähäkästi sähköstä, makeasti magnetismista Fysiikan ja kemian pedagogiset perusteet, kevät 2012 Kari Sormunen
Oppilaiden ennakkokäsityksiä virtapiireihin liittyen a) Yksinapamalli, jonka mukaan paristosta lähtee vain toisesta navasta sähköä. Toinen johdin on tarpeeton. Todellisuudessa virtapiirin tulee olla suljettu. Sähkövirta kulkee vain, jos paristosta lähtee johdin takaisin pariston toiseen napaan. b) Törmäävien sähkövirtojen malli, jonka mukaan lamppu palaa, koska eri navoista tulevat virrat törmäävät polttimossa. Todellisuudessa sähkövirta kulkee virtapiirissä samaan suuntaan. Sähkövirta lähtee pariston plus-navasta ja kulkee miinusnapaan. [Huom. Elektronien varsinainen liikkumissuunta on päinvastoin! Loistava paikka keskustella luonnontieteellisen toiminnan ja tiedon luonteesta!]
c) Vaimennusmalli, jonka mukaan sähkövirta vaimenee kulkiessaan komponenttien läpi. Todellisuudessa sähkövirta pysyy virtapiirissä samana. Paristosta lähtevä sähkövirta on yhtä suuri kuin paristoon tuleva sähkövirta, ja polttimot ovat yhtä kirkkaat, jos ne ovat samanlaisia. Sähkövirran vaimennusmalliin perustuva virhekäsitys (c-kohta) on havaittu olevan helpoin korjata. d) Sähkövirran jakomalli, jonka mukaan sarjaan kytketyt polttimot palavat yhtä kirkkaasti, koska ne jakavat virran tasaisesti. Sähkövirta tosin vaimenee piirissä. Todellisuudessa sähkövirta pysyy virtapiirissä samana. Paristosta lähtevä sähkövirta on yhtä suuri kuin paristoon tuleva sähkövirta, ja polttimot ovat yhtä kirkkaat, jos ne ovat samanlaisia.
e) Paristo vakiovirran lähteenä on hyvin pysyvä virhekäsitys ja sitä on melko vaikea muuttaa. Todellisuudessa:
f) Paikallinen ja sarjallinen ajattelu tarkoittavat sitä, että oppilas tarkastelee virtapiirin komponentteja (esimerkiksi lamppuja) yksitellen eikä ota huomioon muiden komponenttien vaikutusta. Oppilaan mielestä muutos virtapiirissä on aina paikallinen, toisin sanoen lampun vaihtaminen vaikuttaa vain vaihdettavaan lamppuun ja sen läpi kulkevaan sähkövirtaan ja jännitehäviöön. Lampun vaihtamisella ei hänen mielestään ole vaikutusta muihin osiin.
Kuinka johdattaa oppilaita oikeille jäljille esimerkiksi virtapiirien ymmärtämisessä? A. Miten osoittaa oppilaalle, että virta ei kulu virtapiirissä? Ohje oppilaalle: Rakenna kuvan 1 mukainen virtapiiri; kutsutaan lamppua A virrannäyttäjäksi. Tutki virrannäyttäjän kirkkautta, kun se on paikassa A (kuva 2). Tutki virrannäyttäjän kirkkautta, kun se on B-lampun toisella puolella. Mitä havaitset? Tutki vielä virrannäyttäjän kirkkautta, kun se on paristojen välissä (kuva 3). Muuttuuko kirkkaus? Oppilas havaitsee, että A-lamppu palaa kaikissa kohdin virtapiiriä yhtä kirkkaasti. Sähkövirta on siis sama virtapiirin joka kohdassa eli sähkövirta ei kulu virtapiirissä.
B. Miten osoittaa oppilaalle, miten lamppujen sarjaan kytkeminen vaikuttaa niiden kirkkauteen? Ohje oppilaalle: Jatka tutkimuksiasi ns. virrannäyttäjän avulla virtapiiriä, jossa kaksi lamppua ja virrannäyttäjä ovat kytketty sarjaan (peräkkäin). Tutki virrannäyttäjän kirkkautta, kun se on sijoitettu kahden muun lampun väliin (ylempi kuvio). Millainen virrannäyttäjän kirkkaus on verrattuna, jossa sen lisäksi on vain yksi lamppu (keskimmäinen kuvio)? Millaisia muiden lamppujen kirkkaudet ovat keskenään? Entä verrattuna piiriin, jossa virrannäyttäjän lisäksi oli vain yksi lamppu? Millainen virrannäyttäjän kirkkaus on, kun se siirretään paikkaan B (alin kuvio)? Muuttuuko muiden lamppujen kirkkaus? Oppilas havaitsee, että kun lamput kytketään sarjaan, ne palavat sitä himmeämmin, mitä enemmän niitä on peräkkäin. Sarjaan kytketyssä virtapiirissä sähkövirta on sama joka kohdassa. Samanlaiset lamput palavat yhtä kirkkaasti. Paristosta lähtee yhtä suuri sähkövirta kuin sinne tulee, joten sähkövirta ei kulu virtapiirissä.
Oppilaiden virhekäsityksiä magnetismiin liittyen Oppilaat samaistavat sähköiset ja magneettiset ilmiöt. Sähköinen vuorovaikutus (sähkövarausten välillä) on aivan eri ilmiö kuin magneettinen vuorovaikutus (magneettien N- ja S-napojen välillä). Syy on luultavasti siinä, että vuorovaikutusten ilmenemät eli työntö- ja vetovoimat aiheuttavat samankaltaista liikettä. Toisaalta puhutaan sähkömagnetismista, joka sinänsä on oikea käsite ja ilmiömaailmansa (esimerkiksi sähkömagneetti), mutta joka tarkoittaa vain tiettyjä, muuttuviin sähkö- ja magneettikenttiin liittyviä ilmiöitä ja käsitteitä. Tämän käsityksen muuttaminen vaatii kärsivällisyyttä. Magneetin N- tai S-napa voi olla yksinään (voitaisiin eristää ns. magneettinen monopoli ). Syy on luultavasti analogisessa ajattelussa eli siinä, että sähköiset varaukset voivat olla yksin eli +- ja -varaukset voivat esiintyä toisistaan riippumatta. Tämän muuttaminen onnistuu, jos on varaa katkoa kestomagneettisauvoja.
Ennakkokäsitystestissä kysyttyä 1) Jos katkaistaan sauvamagneetti, jolla on pohjois- ja eteläkohtiot, saadaan a) erikseen pohjois- ja eteläkohtiot b) kaksi pienempää magneettia, joilla on sekä pohjois- että eteläkohtio c) katkaistu magneetti ei ole enää magneettinen -> pitäisi olla selvä asia 2) Mikä seuraavista on oikein? a) Virtapiirissä oleva lamppu kuluttaa sähkövirtaa b) Paristosta saadaan aina sama sähkövirta c) Lampun kirkkaus riippuu sähkövirran suuruudesta -> lamppu ei siis kuluta virtaa eikä paristosta saada vakiovirtaa 3) Paristo ja kolme lamppua muodostavat virtapiirin. Tietyllä hetkellä ainoastaan yksi lampuista palaa, joten a) virtapiiri on suljettu b) virtapiiri on avoin c) en tajua väitettä -> koska yksi lampuista palaa, niin virtapiirin täytyy olla suljettu toki siinä on myös avoimia piirejä niiden lamppujen kohdalla, jotka eivät pala
Sähköturvallisuudesta 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.
Sulakkeet 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.
Sähkölaitteiden 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.