Vuoden 2018 opettaja: Sähkömagneettinen induktio kotikonstein

Kirjoittaja: 

Kalle Vähä-Heikkilä, FM, fysiikan lehtori, Lauttakylän lukio, Huittinen, email: kalle.vaha-heikkila@huittinen.fi

Kaikki lehden lukijat muistavat Tapani-myrskyn. Se osoitti, miten riippuvaisia olemmekaan sähköstä. Tänä talvena sähköttömyydestä on kärsinyt Itä-Suomi. Nykyinen sähköverkon sähköntuotanto perustuu sähkömagneettiseen induktioon, joka on sovellutuksineen yksi yleisimmistä arkielämässä kohtaamistamme fysiikan asioista. Käyn tässä artikkelissa läpi kokemuksia sähkömagneettisesta induktiosta.

Musiikkiharrastus on kulkenut elämässäni vahvasti mukana. On erittäin mukavaa napata sähkökitara laukusta, kytkeä radio päälle ja soitella fiilispohjaisesti biisin tahdissa. Harrastukset ovatkin hyvä keino linkittää opetusta oppilaan arkielämään, oli sitten kyseessä musiikki, liikunta, kädentaidot tai vaikka teatteri. Lähestyn monesti opetuksessani aiheita harrastusten näkökulmasta ja kannustan oppilaita miettimään harrastuksiin liittyvää fysiikkaa.

Opiskelijaryhmiini on osunut useampia kitaran soittajia. Yksi opiskelija halusi kerran jopa pitää kokonaisen tunnin sähkökitaran fysiikasta. Olin ilman muuta mukana ajatuksessa. Sähkökitaraa linkitettiin eri fysiikan aihealueisiin, tehtiin jännitemittauksia erilaisilla kitaramikrofoneilla, keskusteltiin äänen soinnista ja tehtiin mittauksia muun muassa materiaalien vaikutuksesta kitaran äänen spektriin. Kyseisessä ryhmässä oli paljon musiikin harrastajia, joten aihe sopi ryhmälle mitä parhaiten. Lopputunnista luokka oli täynnä kaikkea, mistä vain irtosi ääntä ja koko ryhmä teki mittauksia ja pohti havaintoja. Aiheesta jatkettiin musiikin opettajan kanssa musiikin luokassa ja huomattiin, miten paljon musiikin ensimmäinen kurssi sisältääkään fysiikkaa. Lopuksi vielä rakensimme käytetyistä sähkökitaran kielistä, käämilangasta, magneetista ja laudasta yksinkertaisen sähkökitaran. Ääni tuntuukin olevan erittäin sopiva aihe teemaopinnoiksi lukioon tai aihekokonaisuudeksi peruskouluun. Hienolta tuntui myös se, että tunnin pitänyt opiskelija innostui asiasta erittäin paljon ja päätyi lopulta yliopisto-opintojen jälkeen töihin signaalikäsittelyalalle.

Sähkökitaran signaalin mittaaminen (Kuva 1) on monella tapaa erittäin opettavaista. Ensinnäkin pitää tutustua kitarajohtimen rakenteeseen ja rakentaa sopiva johto mittaamista varten. Mittauksessa nähdään kielen vaimeneva värähtely (Kuva 2), opitaan tekemään FFT analyysi taajuuksien määrittämiseksi, nähdään kieleen syntyneet perus- ja ylävärähtelytaajuudet sekä voidaan tutkia äänen spektriä. Työ sopii erityisesti työkurssille eri kursseja kertaavaksi työksi.

Kuva 1. Sähkökitaran induktiosignaalin mittaaminen Vernierin jänniteanturilla.

 


Kuva 2. Sähkökitarasta saatu signaali: vaimeneva värähtely ja FFT-analyysi.

 

Langatonta sähköä

Sähkömagneettiset ilmiöt kiehtovat muuallakin kuin vain sähkökitarassa. Uusia kännyköitä ladataan langattomasti samoin kuin sähköhammasharjaa on ladattu jo pidemmän aikaa. Generaattorilla alettiin tuottaa vaihtosähköä jo noin 150 vuotta sitten Michael Faradayn sähkömagneettisen induktion keksinnön jälkeen. Monelle meistä mm. polkupyörän dynamo, kaiutin, mikrofoni, metallinpaljastin, induktiojarru, ABS-anturi, varashälytin sekä induktioliesi ja -uuni ovat tuttuja induktion sovellutuksia.

Nykyään 230 V verkkojännitteellä toimivia induktioliesiä saa sopivan huokealla hinnalla perusmarketeista. Päätin kokeilla rakentaa langattoman sähkösiirtäjän. Fysiikan välinevarastosta löytyi 3,8 V:n hehkulamppuja, joten lähdin liikkeelle niistä. Kierros koulun remontissa sähkömieheltä jäänyttä sähköjohtoa 110 mm viemäriputken ympäri ja johto kolvilla kiinni lamppuun. Näin on saatu aikaan yksinkertainen virtapiiri. Asetetaan johdinsilmukka induktiolevyn päälle ja silmukan päälle ferromagneettisesta aineesta tehty kattila, jotta induktiolevy käynnistyy. Saadaan lamppu syttymään ja loistamaan kirkkaasti. Sitten vain kokeilemaan eri jännitteillä toimivia lamppuja (Kuva 3 ja 4).


Kuva 3. Eri jännitteillä toimivia lamppuja kytkettynä langattomasti induktioliedelle.

 


Kuva 4. Hehkulamppuun indusoitunut jännite induktiolevyllä.

 

Silmukka, joka oli tehty kiertämällä yksi kierros sähköjohtoa 110 mm viemäriputken ympärille, toimi hyvin noin 4 V:n lampulle, joten käytin tätä jännitteen ja kierrosten suhdetta seuraavissa silmukoissa. Koulun varastosta löytyi 24 V piirtoheittimen halogeenilamppu. Tämän jälkeen menin sähköliikkeeseen ja kysyin eri jännitteillä toimivia lamppuja: 12 V suojaerotusmuuntajan lamppu (3 kierrosta käämiä), 24 V hissin lamppu (6 kierrosta käämiä) ja 230 V hehkulamppu (60 kierrosta käämiä). Kuka muuten tiesi, että hisseissä käytetään 24 V hehkulamppua? Kuvassa 3 on erilaisia käämejä kytkettyinä lamppuihin. Käytin enemmän kierroksia sisältävissä käämeissä sähköliikkeestä ostamaani 1,5 mm² monisäiejohtoa, jotta käämistä ei tulisi liian paksua. Lieden täytyy tunnistaa ferromagneettinen kattila ja siksi käämi ei saa olla liian paksu.

Laitteistolla pystyy demonstroimaan hienosti erilaisten lamppujen sähkötarvetta ja pohtimaan oppilaiden kanssa, miksi hehkulamput on korvattu LED-lampuilla. Indusoitunut jännite riippuu käämin läpi kulkevasta magneettivuosta, mikä näkyy upeasti muutettaessa silmukan pinta-alaa induktiolieden päällä.

Jotta demonstraatiot eivät olisi pelkkiä kvantitatiivisia, voidaan silmukkaan kytkeä kiinni jänniteanturi ja mitata silmukkaan indusoitunutta jännitettä. Mittausta tehdessä jänniteanturi kannattaa suojata toisella teräskattilalla, sillä lieden voimakas sähkömagneettinen kenttä saattaa sekoittaa mittausta. Induktioliedellä voi tutkia lamppujen lisäksi myös pyörrevirtojen vaikutusta Al-folioon tai Al-vuokiin, joskin se kannattaa tehdä paloturvallisessa paikassa ;)

Faradayn jousi

Kouludemoista tutuimpia induktiodemoja on magneetin pudottaminen kupari- tai alumiiniputkessa tai Aragon koe. Kokeen voi tehdä myös askarteluliikkeestä (esim. www.slojd-detaljer.fi) ostetuilla 0,5 mm paksuilla kupari- ja alumiinilevyillä Kuvan 5 mukaisesti. Suoritin liu’utuskokeen Al- ja Cu-levyjen sekä valkoisen hyllylevyn päällä. Samalla voi suorittaa videoanalyysin (Vernier Video physics tai LoggerPro) kännykällä otetusta videosta ja laskea induktion sekä kitkan aiheuttaman summavoiman. Tässä työssä saa mukavasti yhdistettyä lukion uuden OPS:n FY4- ja FY6-kurssin.


Kuva 5. Indusoituneen jännitteen vaikutus Al- ja Cu-levyllä liukuvaan magneettiin.

 

Pudotusdemon voi tehdä putken ohella myös ympyrämagneeteilla ja alumiinitangolla. Kuvassa 6 on esitetty Faradayn jousi. Käytin toisena sauvana puusauvaa, jotta voidaan vertailla, mikä on induktion vaikutus magneetin liikkeeseen. Faradayn jousessa magneetit painetaan lähemmäs toisiaan ja päästetään irti. Induktion vaikutus on huomattava.


Kuva 6. Faradayn jousi saadaan tehtyä alumiinitangosta ja ympyrämagneeteista.

 

Kaikenkarvaisia kaiuttimia

Oppilailla liikkuu päivittäin mukana kaiutin ja mikrofoni yhtenä sähkömagnetismin ja induktion sovellutuksena. Nykyään ainakin lukion fysiikan kirjasarjoista on poistunut kaiuttimen toiminta, mikä on harmittavaista. Toisaalta on hyvä, että fysiikassa keskitytään fysiikan ilmiöihin ja niiden ymmärtämiseen, mutta toisaalta kaipaan myös enemmän teknisten sovellutusten toimintaperiaatteiden läpikäymistä. Sitä tarvitaan etenkin kokeellisen fysiikan ja insinööritieteiden puolella. Kaiutin arkipäivän esineenä sopii hyvin yhdeksi sovellukseksi.

Kaiuttimia on helppo rakentaa oppilaiden kanssa. Jarmo Sirviö esitteli muutama vuosi sitten Dimensio-artikkelissaan kaiutinta, jossa käämilangasta tehty käämi kiinnitettiin ämpärin pohjaan ja voimakas magneetti käämin lähelle. Itse kokeilin vastaavaa CD-levyllä ja se toimi oikein hyvin, vaikka värähtelypinta-alaa olisi voinut olla vähän enemmän. Joskus 15 vuotta sitten purin rikki menneen tietokoneen, jotta sain köyhänä jatko-opiskelijana vahvan neodiummagneetin demovälineeksi, niitä kun löytyi kiintolevyjen lukupäiden ohjausmagneeteista. Tarkemmin kiintolevyn rakennetta tarkastellessani huomasin, miten induktiolla ohjataan kiintolevyn toimintaa. Siinä oli käämi ja magneetti valmiina, joten kaiutinta tekemään. Liitin palan teippiä lukupään käämiin ja kolvasin käämiin kiinni 3,5 mm johdon äänilähdettä varten Kuvan 7 osoittamalla tavalla. Sovitin magneetin käämin ympärille ja laitoin musiikin soimaan. Kaiuttimella voi induktion lisäksi demonstroida samalla äänen resonanssia. Ilman kaikukoppaa ääntä ei juuri kuule, mutta kun laittaa lukupään kiinni luokan ikkunaan, saadaan luokkaan opettajan lempimusiikkia. Mielestäni tämä demo on hyvä väline osoittamaan oppilaille, miten luovalla alalla luonnontieteilijät työskentelevät. Samalla tulee opettaneeksi vähän tietokoneen komponentteja ja tiedon tallentamista. Voin kertoa, että oppilaat ovat aivan hämillään kiintolevykaiuttimesta. Vinkkinä mainittakoon, että kannattaa hommata kannettava CD-soitin. Sen tuottama kuulokelähtöteho on huomattavasti suurempi kuin kännykän.


Kuva 7. Tietokoneen kiintolevystä valmistettu kaiutin.

 

Sataa, sataa ropisee

Vuoden opettaja -artikkelien karikatyyrissa on MAOL ry:n Porin syyspäivillä 2012 esittelemäni induktio­sateenvarjo (Kuva 8), jonka kanssa ei sateeseen kannata mennä. Rakensin induktiovarjon maapallon magneettikentän määrittämistä varten. Teoreettisesti ajateltuna homma oli hieman järjetön, sillä maapallon magneettivuon muutosnopeus ei indusoi kovinkaan suurta jännitettä kyseiseen varjoon. Pakko oli silti kokeilla, saako varjolla mitään signaalia aikaiseksi. Signaalia ei tullut, vaikka kuinka nopeasti heilutti varjoa maapallon magneettikentässä. Kytkin varjon kiinni Vernierin virtavahvistimeen ja pieni piikki erottui taustasta. Jos jollain on käytössä Planckin vakion määrityslaite, niin sen virtavahvistimella saa signaalia esille jo paremmin.


Kuva 8. Induktiovarjo ei pidä sadetta, mutta innostaa oppilaita kyselemään induktioilmiöstä lisää.

 

Joskus sitä innostuu kokeilemaan aika mahdottomalta kuulostavia mittauksia ja demonstraatioita. Ja voi sitä onnellisuuden tunnetta, kun signaali löytyy! Tunne on opettajalla varmaan sama kuin CERNin tutkijoilla onnistuneen jäljen löytämisen jälkeen. Induktiovarjosta on hyötyä ennen kaikkea lukion markkinointitilaisuuksissa. Kun varjon asettelee näyttävästi fysiikan luokkaan, satelee uteliaita kysymyksiä ja asiaa voi demonstroida perinteisin menetelmin käämillä, magneetilla ja jännitemittarilla. Varjo toimiikin enemmän pr-tehtävissä kuin itse kokeellisissa mittauksissa. Mutta pr-tehtävät ne vasta tärkeitä ovatkin, varsinkin maaseutulukiossa opettaessa. Varjosta saa myös hyvän teoreettisen perustehtävän, jossa voi laskea mitä tahansa Faradayn ja Henryn lakiin liittyen.

Yksinkertaisia tasavirtamoottoreita

Yksinkertaiset tasavirtamoottorit ovat helppo tapa demonstroida sähkövirran synnyttämää magneettikenttää. Kuvassa 9 on esitetty yksi nopeasti toteutettava ja aina toimiva malli. Lisää voi katsoa YouTubesta, joka on niitä pullollaan. Taas kerran kehotan kuitenkin kokeilemaan moottorien tekoa, eikä pelkästään katsomaan YouTubesta. Aina ei moottorienkaan rakentaminen suju kuin Strömsössä. Olisikin kiva, jos joskus syyspäivillä joku pitäisi työpajan erilaisten yksinkertaisten tasavirtamoottorien rakentamisesta. Jokainen voisi tuoda ja jakaa omia ideoitaan ja vinkkejään.


Kuva 9. Kuparijohtimesta, paristosta ja parista magneetista saa helposti tehtyä yksinkertaisen tasavirtamoottorin.

 

Joku voi näiden demojuttujen jälkeen ajatella, missä välissä ehtii tehdä tuota kaikkea oppitunneilla. On pakko myöntää, että ei niitä oikein ehdikään. Mutta demot toimivat osittain pieninä motivaation herättäjinä paikka paikoin kurssien aikana ja oivina apuvälineinä oppiaineen markkinointitilaisuuksissa. Mikäs näitä värkätessä, kun työssään ja demojen parissa viihtyy.

 

Kallen demovideot

 

 

 

 

 

 

[Julkaistu: Dimensio 2/2018]

Lisää eDimensiossa

MAOL olemme me , 6. toukokuu 2018 - 15:16
Vuoden 2018 opettaja: Stadionilla jyrää , 6. toukokuu 2018 - 15:00
Dimensio 3/2018 , 6. toukokuu 2018 - 14:52
Luovuus, koulu ja matematiikka , 10. maaliskuu 2018 - 14:37
Teknologiateollisuus tutuksi , 10. maaliskuu 2018 - 12:16
Dimensio 2/2018 , 10. maaliskuu 2018 - 11:03
Faces of Women in Mathematics , 10. maaliskuu 2018 - 10:00
Luovuus matematiikassa , 11. helmikuu 2018 - 10:21
Kuka saa tuntea matematiikan ilon? , 11. helmikuu 2018 - 9:31
Analogiamalli sähköoppiin , 3. helmikuu 2018 - 9:30
Helsingin kerho 90 vuotta , 3. helmikuu 2018 - 9:20
Dimensio 1/2018 , 3. helmikuu 2018 - 9:00
Vuoden 2017 opettaja: Vesi, wasser, eau, voda , 19. marraskuu 2017 - 9:57
Dimensio 6/2017 , 19. marraskuu 2017 - 9:01
Opettaja artikkelin kirjoittajana , 16. marraskuu 2017 - 9:36
Dimensio 5/2017 , 29. lokakuu 2017 - 9:16
Mihin matematiikkaa tarvitaan , 16. elokuu 2017 - 9:00
Laskukone vauvan aivoissa , 16. elokuu 2017 - 9:00
Dimensio 4/2017 , 16. elokuu 2017 - 1:00
Dimensio 3/2017 , 23. huhtikuu 2017 - 9:00
Eurajoen vesitornin Foucault’n heiluri , 22. huhtikuu 2017 - 9:00
Historiaa, fysiikkaa ja fysiikan historiaa , 2. huhtikuu 2017 - 9:00
Dimensio 2/2017 , 31. maaliskuu 2017 - 9:00
Erään matematiikan vihaajan tunnustuksia , 2. helmikuu 2017 - 9:00
Dimensio 1/2017 , 26. tammikuu 2017 - 9:00
Dimensio 6/2016 , 6. joulukuu 2016 - 9:00
GeoGebra-täydennyskoulutuksia verkossa , 6. joulukuu 2016 - 9:00
MAOLin syyskoulutuspäivät Oulussa , 26. lokakuu 2016 - 9:00
Dimensio 5/2016 , 26. lokakuu 2016 - 9:00