Luku 28: Sähkölaitteet tarvitsevat sähkövirtaa toimiakseen
I Taustatietoa lukuihin
Johdantovideon pohdintaa:
Videolla halutaan tuoda esille ongelmaa, joka ilmenee melko useinkin ATK-luokassa. Tietokoneen sanotaan ensimmäiseksi olevan rikki, jos se ei käynnisty. Oppilaat eivät lähde tarkastelemaan, että voisiko syy olla jossain muualla, kuten esimerkiksi siinä, että virtajohto on irroitettu koneesta. Sähköoppi sisältää ongelmaratkaisuja vaativia asioita, kuten luvun lopussa olevasta sähköasentajan kertomuksesta selviää.
Sähköturvallisuustesti:
Sähköturvallisuustestin tuloksista on hyvä käydä keskustelua oppitunnilla. Se on myös hyvä lähtökohta tulevien kappaleiden käsittelylle.
Sähköturvallisuustestin ratkaisut:
1. Mitä seuraavista et saa tehdä itse?
c) sähkötöitä
2. Kuinka suuri on suunnilleen ihmiselle hengenvaarallinen sähkövirta?
a) 0,05 A
3. Mitä seuraavista ei saa tehdä, jos sähkölaite syttyy tuleen?
a) sammuttaa vedellä
4. Mikä seuraavista sopisi ohjeeksi liittyen sähkölaitteen käyttöä?
d) Sähkölaitteita tulee suojella lialta, pölyltä ja kosteudelta
5. Mikä seuraavista asioista ei ole sähköturvallisuuden kannalta hyvä asia?
b) oikosulko
6. Mikä seuraavista turvaa sekä sähkölaitetta että sen käyttäjää?
b) sulake
7. Seuraava merkintä tarkoittaa, että 
c) sähköpylväässä kulkee korkeajännite
8. Seuraava merkintä tarkoittaa, että
d) sähkölaite täyttää Euroopan unionin vaatimukset
9. Seuraava merkintä tarkoittaa, että
c) sähkölaite on kierrätettävä sähkö- ja elektroniikkaromuna
10. Seuraava merkintä tarkoittaa, että
a) sähkölaite sisältää lasersäteilylähteen
Huomioita tehtävistä:
28F. Kytkentäkaaviot - 1
Tehtävän avulla voidaan opettajajohtoisesti näyttää virtuaalilaboratorion toiminta, jos oppilailla on käytettävissä vain mobiililaitteita.
http://phet.colorado.edu/sims/circuit-construction-kit/circuit-construction-kit-ac-virtual-lab_fi.jnlp (HUOM! Vaatii Javan toimiakseen)
28G. Kytkentäkaaviot - 2
Tehtävän avulla voidaan opettajajohtoisesti näyttää virtuaalilaboratorion toiminta, jos oppilailla on käytettävissä vain mobiililaitteita. Tehtävä voidaan myös antaa kotitehtäväksi.
http://phet.colorado.edu/sims/circuit-construction-kit/circuit-construction-kit-ac-virtual-lab_fi.jnlp (HUOM! Vaatii Javan toimiakseen!)
Kytkentäkaavioiden piirtämisestä:
Kytkentäkaaviot piirretään tietynlaisesti. Johtimet piirretään suoriksi ja kulmat ovat (yleensä) 90 astetta. Rinnankytkentä voidaan piirtää eri tavoin.
EKSTRA-sivusta:
Sähköasentajan kertomus omista tekemisistään voi innostaa oppilaita opiskelun suhteen. Se kannattaa luetuttaa oppilailla aluksi. Tekstistä nähdään, että sähköasentajan ammatti vaatii monen kouluaineen hallintaa, kuten matematiikan ja fysiikan osaamista.
Diaesitys:
Piirrosmerkkien nimet:
1. johdin 2. lamppu 3. paristo 4. oppilasjännitelähde 5. vaihtojännitelähde 6. virtamittari 7. jännitemittari 8. katkaisija 9. vastus 10. säätövastus 11. sulake 12. vastusmittari 13. moottori 14. käämi 15. muuntaja 16. generaattori
Luvun tavoitteena on:
- sähköturvallisuusasiat- sähkövirran käsite
- virtamittarin käyttö
- avoin ja suljettu virtapiiri
- kytkentäkaavio ja piirrosmerkit
Arvio luvun käsittelyyn kuluvasta ajasta: 3-4 oppituntia
II Kokeellisuus
TYÖ 1: Virtamittarin kytkeminen
a) Mieti, miten virtapiirin rakentaminen kannattaa tehdä, jos apuna olisi vain kytkentäkaavio?
Kytkennän tekeminen kannattaa aina aloittaa jännitelähteen plusnavasta ja edetä kohti miinusnapaa. Jos johtimet haarautuvat, niin aina ensimmäisenä tehdään em. osan kytkennät ja vasta sitten haarat.
b) Mitä lampulle tapahtuu, kun virtapiiri saadaan valmiiksi?
Se syttyy palamaan.
c) Mitä virtamittarille tapahtuu, kun virtapiiri saadaan valmiiksi?
Virtamittari näyttää sähkövirran suuruuden.
d) Miten virtamittari tulee kytkeä virtapiiriin?
Virtamittarin kytketään aina sarjaan eli peräkkäin virtapiirin muiden komponenttien kanssa.
TYÖ 2. Paristojen vaikutus sähkövirtaan
Miten toisen pariston lisääminen vaikutti sähkövirran suuruuteen?
Pariston lisääminen suurensi sähkövirtaa.
TYÖ 3. Lamppujen vaikutus sähkövirtaan
Miten toisen lampun lisääminen sarjaan vaikutti sähkövirran suuruuteen?
Kytkentä 2: Lampun sarjaan kytkemisen jälkeen virtamittarin lukema pieneni. Jos lamput olivat samanlaisia, niin virta puolittui.
b) Miten toisen lampun lisääminen rinnan vaikutti sähkövirran suuruuteen?
Kytkentä 3: Toisen lampun rinnan kytkemisen jälkeen virtamittarin lukema kasvoi. Jos lamput olivat samanlaisia, niin virta kaksinkertaistui.
TYÖ 4. Katkaisijan vaikutus sähkövirtaan
Tee kuvan mukainen kytkentä. Tutki katkaisijan toimintaa virtapiirissä.
a) Palaako lamppu, kun virtapiiri on suljettu?
Kyllä.
b) Mitä lukemaa virtamittari näyttää, kun virtapiiri on suljettu?
Sähkövirta kulkee piirissä, kun piiri on suljettu eli mittarissa on nähtävissä jokin lukema.
c) Palaako lamppu, kun virtapiiri on avoin?
Ei.
d) Mitä virtamittari näyttää, kun virtapiiri on avoin?
Sähkövirta ei kulje piirissä, kun piiri on avoin eli mittari näyttää 0 A.
TYÖ 5. Sähkövirta virtapiirissä
1) Tee kuvan 1 mukainen kytkentä. Merkitse virtamittarin lukema ylös.
Vaihda virtamittari kuvan 2 mukaiseen paikkaan. Merkitse virtamittarin lukema ylös.
a) Mitä voit todeta lukemista?
Ne ovat yhtä suuret. Tämä tarkoittaa, että lamppu (yleisesti sähkölaite) ei kuluta sähkövirtaa.
2) Tee kuvan mukainen kytkentä. Kytke virtamittari ensin 1 kohtaan. Merkitse lukema ylös. Vaihda mittari kohtaan 2. Merkitse lukema ylös. Toista tämä vielä kohdissa 3 ja 4.
b) Mitä voit todeta mittarien lukemista kohdissa 1 ja 4?
Ne ovat yhtä suuret.
c) Mitä voit todeta mittarien lukemista kohdissa 2 ja 3?
Ne ovat yhtä suuret, mutta pienemmät kuin mittareissa 1 ja 4.
d) Mitä voit todeta mittarien 2 ja 3 summasta verrattuna mittarien 1 ja 4 lukemiin?
Mittarien 2 ja 3 summa on yhtä suuri kuin mittarin 1 tai mittarin 4 lukema. Sähkövirta jakaantuu kahteen (yhtä suureen) osaan. Samat virrat summautuvat ja sähkövirran suuruudeksi tulee sama kuin ennen jakaantumista.
III Tehtävien vastaukset
28A. Tarkista tietosi
1. Sähkövirran tunnus on
b) I
2. Sähkövirran yksikkö on
c) ampeeri
3. Sinä saat
a) kytkeä valaisimen valaisinliittimeen
4. Sinä et saa
b) suorittaa kotona uuden sähköpistokkeen asennusta
5. Suljettu virtapiiri tarkoittaa, että
b) virtapiirissä kulkee sähkövirta
6. Mittari, jolla mitataan sähkövirran suuruutta, on
c) ampeerimittari
7. Sähkövirran mittaus tapahtuu siten, että sähkövirtaa mittaava mittari kytketään virtapiiriin
b) sarjaankytkennällä
8. Kuvan piirrosmerkki on
c) lamppu
9. Kuvan piirrosmerkki on
a) paristo
10. Kuvan piirrosmerkki on
b) säädettävä jännitelähde
11. Kuvan piirrosmerkki on
c) virtamittari
12. Kuvan piirrosmerkki on
a) jännitemittari
13. Kuvan piirrosmerkki on
c) katkaisin
14. Kuvan piirrosmerkki on
b) sulake
15. Kuvan piirrosmerkki on
a) vastus
28B. Täydennä lauseet
Erilaiset sähkölaitteet tarvitsevat sähkövirtaa|Sähkövirtaa toimiakseen. Sähkövirta muuntuu|Muuntuu laitteissa eri energiamuodoiksi.
Sähkölaitteita on käytettävä turvallisesti ja ohjeiden mukaisesti, koska väärinkäytettynä sähkölaitteesta voi saada sähköiskun|Sähköiskun, joka voi olla ihmiselle hengenvaarallinen. Laite voi myös ylikuumentua, jolloin voi syttyä sähköpalo|Sähköpalo, jota ei saa sammuttaa vedellä.
Virtapiiri muodostuu jännitelähteestä|johtimista|Jännitelähteestä|Johtimista, johtimista|jännitelähteestä|Johtimista|Jännitelähteestä ja piiriin kytketyistä komponenteista|Komponenteista. Virtapiiri, jossa kulkee sähkövirta, on suljettu|Suljettu. Virtapiiri, jossa ei kulje sähkövirtaa on avoin|Avoin. Virtapiirin heikoin kohta on sulake|Sulake, jonka rikkoutumisen tarkoituksena on turvata sähkölaitteen käyttäjää.
28C. Sanaristikko
pystyyn:
1. rinnankytkentä: Kytkentätapa, jossa johdin haarautuu.
3. johde: Aine, joka johtaa hyvin sähköä.
4. sähköeriste: Aine, joka ei johda hyvin sähköä.
6. ampeerimittari: Laite, jolla mitataan sähkövirtaa.
7. sähköpalo: Voi olla seurauksena sähkölaitteen ylikuumenemisesta.
12. vesi: ei saa käyttää sähköpalon sammuttamisessa
vaakaan:
2. virtamittari: Laite, jolla mitataan sähkövirtaa.
4. sähkövirta: sen tunnus on I.
5. sarjaankytkentä: Tapa, jolla virtamittari tulee kytkeä virtapiiriin.
7. sähköisku: On hengenvaarallinen ihmiselle.
8. suljettu: Virtapiiri on sellainen, kun virtapiirissä kulkee sähkövirtaa.
9. puolijohde: Aine, jolla on sekä johteen että eristeen ominaisuuksia
10. sulake: Virtapiirin heikoin “lenkki”.
11. avoin: Virtapiiri on sellainen, kun virtapiirissä ei kulje sähkövirtaa.
28D. Etuliitteitä
Muunna perässä olevaksi yksiköksi.
a) 50 mA = 0,05|0,050 A
b) 750 mA = 0,75|0,750 A
c) 0,2 mA = 0,0002 A
d) 0,06 A = 60 mA
e) 0,008 A = 8 mA
f) 1,5 A = 1500:s mA
g) 3,5 kA = 3500 A
h) 0,055 kA = 55 A
i) 0,735 kA = 735 A
j) 5875 A = 5,875 kA
k) 3,5 A = 0,0035 kA
l) 0,095 kA = 95000 mA
m) 805000 mA = 0,805 kA
Tehtävän tarkoituksena on palauttaa mieleen etuliitteiden käyttö yksiköiden kanssa. Harjoituksen tarkastuksen yhteydessä on hyvä keskustella järkevän etuliitteen käytöstä.
28E. Ota selvää 1 - komponentit
a) Sulake kytketään aina sarjaan sähkölaitteiden kanssa. Sulake on tarkoituksella virtapiirin heikoin kohta. Sen tarkoituksena on suojata sähkölaitteen käyttäjää vikatilanteessa ja/tai estää johtimien kuumeneminen ja siten tulipalon syttyminen.
b) Katkaisin voidaan kytkeä sekä sarjaan että rinnan virtapiiriin. Katkaisimella virtapiiristä saadaan tehtyä helposti avoin tai suljettu. Siten sähkälaitteen toimintaa voidaan ohjata. Laite saadaan katkaisimesta päälle, kun sitä halutaan käyttää ja sammuttaa, kun laitetta ei enää käytetä.
c) Virtamittari kytketään aina sarjaan muiden sähkölaitteiden kanssa. Virtamittarin asteikoksi pitää ensiksi valita suurin asteikko ja vaihtaa sitten pienempään, jos sille on tarvetta. Mittarin kytkeminen ei vaikuta virtapiiriin mitenkään (eli sen resistanssi on miltei nolla), jotta se mittaisi todenmukaisesti sähkövirran suuruuden.
28F. Kytkentäkaaviot - 1
a) paristo, katkaisin ja lamppu sarjassa.
b) 2kpl paristoa sarjassa, lamppu ja virtamittari. Lamput palavat, virtamittari mittaa sähkövirtaa.
c) 2kpl paristoja rinnan, 2kpl lamppuja ja virtamittari, joka mittaa virtapiirin sähkövirtaa.
28G. Kytkentäkaaviot - 2
a) Tarkoituksenasi on rakentaa virtapiiri, jossa lamppu palaa ja virtamittari mittaa lampun läpi kulkevan sähkövirran.
http://phet.colorado.edu/sims/circuit-construction-kit/circuit-construction-kit-ac-virtual-lab_fi.jnlp (HUOM! Vaatii Javan toimiakseen!)
b) Tarkoituksenasi on rakentaa virtapiiri, jossa kaksi lamppua on kytketty sarjaan ja kolmas on kytketty rinnan niiden kanssa. Virtamittari mittaa rinnankytketyn lampun läpi kulkevaa sähkövirtaa.
28H. Onko virtapiirissä sähkövirtaa - 1
a) ei
b) kyllä
Huomioita: a, b kohdat: ero avoimen ja suljetun virtapiirin välillä
c) kyllä
Huomioita: Ei tarvita virtamittaria, jotta olisi sähkövirtaa. Piirin tarvitsee olla suljettu.
d) ei
Huomioita: Tarvitaan aina jokin jännitelähde, jotta sähkövirtaa voisi olla. Lisäksi pitää olla suljettu virtapiiri. On hyvä korostaa, että jännite aiheuttaa sähkövirran.
e) ei
f) ei
Huomioita: e, f kohdat: sähkövirran suunta plussalta miinukselle. Jos oppilas virheellisesti ajattelee, että koska mittari on ennen avointa katkaisijaa, virtaa on.
g) kyllä
Kyseessä on oikosulkukytkentä eli pariston navat on yhdistetty suoraan toisiinsa. Tällöin virtapiirissä on suurin mahdollinen sähkövirta.
28I. Onko virtapiirissä sähkövirtaa - 2?
a) kyllä
b) kyllä
a, b kohdat: Vaikka katkaisin on auki, niin virtapiireissä on sähkövirtaa. Toinen reitti on suljettu. B-kohdan virtamittari ei näyttäisi mitään lukemaa, koska se on avoimen piirin osassa, mutta lamppu palaisi.
c) ei
28J. Palaako lamppu?
a) ei
Huomioita: Virtapiirissä ei ole jännitelähdettä (paristoa), joten piirissä ei kulje sähkövirtaa ja lamput eivät pala.
b) kyllä
c) kyllä
Huomioita: Lamppu on suljetun virtapiirin varrella, joten se palaa, vaikka katkaisin onkin auki.
d) ei
Virtapiiri ei ole suljettu kummankaan kierroksen osalta, joten lamput eivät pala.
e) kyllä
Huomioita: Ylempi lampuista palaa, alempi ei. Virtamittari ei näyttäisi mitään virtalukemaa, koska sekin on avoimen piirin osassa.
Tehtävässä on tietoisesti käytetty osittain samoja kytkentöjä kuin edellä. Tehtävän kysymys on eri. Tällöin saadaan selville ne oppilaat, jotka ajattelevat lampun palavan vaikkei sähkövirtaa olisikaan.
28K. Ota selvää 2 - sähköturvallisuus
a) Mitä eroa on suojaeristetyllä ja suojamaadoitetulla laitteella?
Suojaeristetty laite sisältää peruseristyksen lisäksi lisäeristyksen, jonka tarkoituksena on estää jännitteen pääsy kosketeltaviin osiin. Suojamaadoitetussa laitteessa pistotulpan välityksellä kosketeltavat metalliosat osat on liitetty suojajohtimen avulla maadoitukseen.
Lisämateriaalia:
http://www.tukes.fi/kodinsahkoturvallisuus/1_3.html
b) Miksi sähkölaitteissa on maadoitus?
Vikatilanteessa jännite purkautuu maadoitusta pitkin maahan, jolloin laitteen käyttäjä ei saa sähköiskua.
Lisämateriaalia:
http://fi.wikipedia.org/wiki/Maadoitus
c) Mitä eroa on hehkulampulla ja energiansäästölampulla?
Hehkulampussa lasin alla on hehkulanka, joka sähkövirran vaikutuksesta alkaa hehkumaan ja tuottaa siten valoa (ja lämpöä!). Energiansäästölampussa on elohopeaa, joka saadaan sähkövirran avulla virittymään ja säteilemään valoa. Energiansäästölampuissa on parempi hyötysuhde kuin hehkulampulla (1,5%-2,5% VS. 7%-10%).
Lisämateriaalia:
http://www.stek.fi/sahkon_kaytto_kotona/valonlahteet_lamput/fi_FI/energiansaasto_vai_hehkulamppu/
http://fi.wikipedia.org/wiki/Energians%C3%A4%C3%A4st%C3%B6lamppu
http://fi.wikipedia.org/wiki/Loisteputki
28L. Rakenna virtapiiri
Suunnittele virtapiiri, kun käytettävissäsi on paristo, johtimia, lamppu ja katkaisija
a) siten, että katkaisijan käyttäminen sytyttää lampun
Pohdintaa: Virtapiirissä katkaisija toimii normaalista. Kun se on auki, lamppu ei pala ja kun se laitetaan kiinni, lamppu syttyy.
b) siten, että katkaisijan käyttäminen sammuttaa lampun. Pohdi kytkentöjen eroja.
Pohdintaa: Virtapiirissä katkaisija toimii päinvastoin. Kun se on auki, lamppu palaa ja kun se laitetaan kiinni lamppu sammuu. Huomioitavaa on, että kyseessä on oikosulkukytkentä, jolloin virtapiirissä on maksimi sähkövirta. Pariston kemiallinen energia kuluu nopeasti loppuun, jos sitä pidetään pitkään oikosuljettuna.