Sähäkästi sähköstä, makeastimagnetismista
Fysiikan ja kemian pedagogiset perusteet, kevät 2012
Kari Sormunen
Oppilaiden ennakkokäsityksiävirtapiireihin liittyen
a)Yksinapamalli, jonka mukaanparistosta lähtee vain toisesta navastasähköä. Toinen johdin on tarpeeton.
Todellisuudessa virtapiirin tulee olla suljettu.Sähkövirta kulkee vain, jos paristosta lähteejohdin takaisin pariston toiseen napaan.
b)Törmäävien sähkövirtojen malli,jonka mukaan lamppu palaa, koska erinavoista tulevat virrat törmäävätpolttimossa.
Todellisuudessa sähkövirta kulkeevirtapiirissä samaan suuntaan. Sähkövirtalähtee pariston plus-navasta ja kulkee miinus-napaan.
[Huom. Elektronien varsinainenliikkumissuunta on päinvastoin! – Loistavapaikka keskustella luonnontieteellisentoiminnan ja tiedon luonteesta!]
c) Vaimennusmalli, jonka mukaansähkövirta vaimenee kulkiessaankomponenttien läpi.
Todellisuudessa sähkövirta pysyy virtapiirissäsamana. Paristosta lähtevä sähkövirta on yhtäsuuri kuin paristoon tuleva sähkövirta, japolttimot ovat yhtä kirkkaat, jos ne ovatsamanlaisia.
Sähkövirran vaimennusmalliin perustuvavirhekäsitys (c-kohta) on havaittu olevan helpoinkorjata.
d) Sähkövirran jakomalli,  jonka mukaansarjaan kytketyt polttimot palavat yhtäkirkkaasti, koska ne jakavat virrantasaisesti. Sähkövirta tosin vaimeneepiirissä.
Todellisuudessa sähkövirta pysyy virtapiirissäsamana. Paristosta lähtevä sähkövirta on yhtäsuuri kuin paristoon tuleva sähkövirta, japolttimot ovat yhtä kirkkaat, jos ne ovatsamanlaisia.
e) Paristo vakiovirran lähteenä on hyvin pysyvä virhekäsitysja sitä on melko vaikea muuttaa. Todellisuudessa:
f) ”Paikallinen ja sarjallinen ajattelu” tarkoittavatsitä, että oppilas tarkastelee virtapiirin komponentteja(esimerkiksi lamppuja) yksitellen eikä ota huomioonmuiden komponenttien vaikutusta.
Oppilaan mielestä muutos virtapiirissä on aina paikallinen,toisin sanoen lampun vaihtaminen vaikuttaa vainvaihdettavaan lamppuun ja sen läpi kulkevaan sähkövirtaanja jännitehäviöön. Lampun vaihtamisella ei hänen mielestäänole vaikutusta muihin osiin.
Kuinka johdattaa oppilaita ”oikeille jäljille”esimerkiksi virtapiirien ymmärtämisessä?
A. Miten osoittaa oppilaalle, että virtaei kulu virtapiirissä? – Ohje oppilaalle:
Rakenna kuvan 1 mukainen virtapiiri; kutsutaanlamppua A ”virrannäyttäjäksi”.
Tutki virrannäyttäjän kirkkautta, kun se onpaikassa A (kuva 2). Tutki virrannäyttäjänkirkkautta, kun se on B-lampun toisella puolella.Mitä havaitset?
Tutki vielä virrannäyttäjän kirkkautta, kun se onparistojen välissä (kuva 3). Muuttuuko kirkkaus?
Oppilas havaitsee, että A-lamppu palaakaikissa kohdin virtapiiriä yhtä kirkkaasti.Sähkövirta on siis sama virtapiirin jokakohdassa eli sähkövirta ei kulu virtapiirissä.
B. Miten osoittaa oppilaalle, miten  lamppujen sarjaan kytkeminenvaikuttaa niiden kirkkauteen? – Ohje oppilaalle:
Jatka tutkimuksiasi ns. virrannäyttäjän avulla virtapiiriä, jossakaksi lamppua ja virrannäyttäjä ovat kytketty sarjaan(peräkkäin).
Tutki virrannäyttäjän kirkkautta, kun se on sijoitettu kahdenmuun lampun väliin (ylempi kuvio).
Millainen virrannäyttäjän kirkkaus on verrattuna, jossa sen lisäksi onvain yksi lamppu (keskimmäinen kuvio)?
Millaisia muiden lamppujen kirkkaudet ovat keskenään? Entäverrattuna piiriin, jossa virrannäyttäjän lisäksi oli vain yksi lamppu?
Millainen virrannäyttäjän kirkkaus on, kun se siirretään paikkaanB (alin kuvio)? Muuttuuko muiden lamppujen kirkkaus?
Oppilas havaitsee, että kun lamput kytketään sarjaan, nepalavat sitä himmeämmin, mitä enemmän niitä on peräkkäin.Sarjaan kytketyssä virtapiirissä sähkövirta on sama jokakohdassa.  Samanlaiset lamput palavat yhtä kirkkaasti.Paristosta lähtee yhtä suuri sähkövirta kuin sinne tulee,joten sähkövirta ei kulu virtapiirissä.
Oppilaiden virhekäsityksiä magnetismiinliittyen
Oppilaat samaistavat sähköiset ja magneettiset ilmiöt.
Sähköinen vuorovaikutus (sähkövarausten välillä) on aivan eri ilmiö kuinmagneettinen vuorovaikutus (magneettien N- ja S-napojen välillä).
Syy on luultavasti siinä, että vuorovaikutusten ”ilmenemät” eli työntö- javetovoimat aiheuttavat samankaltaista ”liikettä”.
Toisaalta puhutaan sähkömagnetismista, joka sinänsä on oikea käsite jailmiömaailmansa (esimerkiksi sähkömagneetti), mutta joka tarkoittaa vaintiettyjä, muuttuviin sähkö- ja magneettikenttiin liittyviä ilmiöitä jakäsitteitä.
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 sähköisetvaraukset voivat olla ”yksin” eli +- ja -varaukset voivat esiintyätoisistaan riippumatta.
Tämän muuttaminen onnistuu, jos on varaa katkoakestomagneettisauvoja.
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 lampuistapalaa, 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 lamppujenkohdalla, jotka eivät pala
Sähköturvallisuudesta
Sähkötöitä saavat yleensä tehdä vain sähköalan ammattilaiset. Jokainensähkönkäyttäjä saa kuitenkin vaihtaa sulakkeen tai lampun, asettaaautomaattisulakkeen toiminta-asentoon, korjata tai valmistaa jatkojohdon, vaihtaasähkölaitteen rikkoutuneen liitäntäjohdon ja pistotulpan, kiinnittää valaisimensokeripalaan tai valaisinpistorasiaan, vaihtaa rikkoutuneen välikytkimen, irrottaajännitteettömän pistorasian kannen maalaamisen ajaksi.
Sähkötöitä saa tehdä vain, jos varmasti osaa tehdä ne oikein. Pistotulppa onirrotettava pistorasiasta tai sähköt on katkaistava pääkytkimestä tai asianmukainensulake on irrotettava aina ennen sähkötöitä.
Kaikki sähkölaitteisiin kohdistuvat työt on tehtävä jännitteettöminä irrottamallasähkölaite verkosta tai ottamalla sulakkeen pois. Laitteen sammuttaminen pelkästäänkatkaisijasta ei riitä.
Sähkölaitteen käyttäjällä tai korjaajalla on aina vastuu laitteen käytöstä. Väärinkäytettynä sähkölaite voi aiheuttaa hengen- tai palovaaran. Kotitalouksien 230 V:nverkkojännite on tappavan vaarallinen.
Sähköpääkeskuksessa on pääkytkin, jolla kiinteistö tai huoneisto saadaanjännitteettömäksi, kulutus- eli kilowattituntimittari ja eri virtapiirien sulakkeet.Sähkötöiden ajaksi virta katkaistaan pääkytkimestä.
Sulakkeet
Sulakkeen sisällä on ohut metallilanka, joka sulaa poikki ja katkaisee virtapiirin, kunsen läpi kulkeva sähkövirta ylittää sulakkeelle asetetun ylärajan.
Virtapiirissä olevalla sulakkeella suojellaan sähkölaitteiden käyttäjiä vaaratilanteiltaestämällä virran kasvaminen liian suureksi. Syynä liian suurelle virralle voi ollaesimerkiksi ylikuormitus tai rikki mennyt sähkölaite. Ennen, kuin rikkoutunut sulakevaihdetaan uuteen, tulee selvittää syy sen rikkoutumiselle ja korjata tilanne. Kodinsähköpäätaulussa tavanomaisimmat sulakkeet ovat 10 A:n ja 16 A:n sulakkeita.
Sähkölaitteen sisällä olevan sulakkeen tehtävänä on suojata laitteen sähköisiäkomponentteja rikkoutumasta esimerkiksi silloin, kun laitetta käytetään väärin.Viallinen laite voi aiheuttaa oikosulun, koska sähkövirta ei enää kulje laitteenvastusten läpi, vaan sähkövirta kulkee suoraan pistorasian navasta toiseen. Tällöinsähkövirta kasvaa laitteen johdossa ja seinän sisällä kulkevissa sähköjohdoissa, jolloinsähköjohdot lämpenevät ja tulipalon vaara on ilmeinen. Sulake voi rikkoutua, kunlaitteessa tapahtuu oikosulku . Ylikuormitus syntyy joskus, kun samaan pistorasiaankytketään jatkojohdon avulla useita sähkölaitteita samanaikaisesti. Sulake voirikkoutua ylikuormituksesta.
Sähkölaitteiden suojaus
Sähkölaitteiden käyttäjiä suojataan mahdolliselta sähkölaitteenrikkoutumiselta suojamaadoituksen, suojaeristyksen ja suojajännitteenavulla.
Suojamaadoitetussa pistotulpassa on metallisetsuojakosketinliuskat, jotka on yhdistetty johtimella sähkölaitteenmetalliosiin. Jos laite rikkoutuu ja metalliosat tulevat jännitteellisiksi,sähkövirta johtuu pistotulpan suojakosketinliuskojen kauttapistorasiaan eikä esimerkiksi laitteen käyttäjään. Suojamaadoitettupistotulppa voidaan liittää sekä tavalliseen että suojamaadoitettuunpistorasiaan.
Suojaeristetyssä laitteessa on peruseristyksen lisäksi lisäeristys.Lisäeristyksen tarkoituksena on estää sähkövirran pääsy laitteenulkokuoreen, jos peruseristys jostain syystä pettää. Laitteen ulkokuorion muovia tai muuta eristemateriaalia. Suojaeristetyn laitteenpistotulppa on litteä ja se voidaan liittää sekä tavalliseen ettäsuojamaadoitettuun pistorasiaan.
Suojajännitteellä tarkoitetaan sellaista jännitettä, joka ei olekäyttäjälleen vaarallinen. Suojajännite saadaan aikaan erilliselläsuojamuuntajalla, joka voidaan liittää sekä tavalliseen ettäsuojamaadoitettuun pistorasiaan. Suojajännitteisiä laitteita ovatesimerkiksi sähköllä toimivat lelut (jännite alle 25 V).  Pistotulppavoidaan liittää sekä tavalliseen että suojamaadoitettuun pistorasiaan.