15 näyttävää fysiikan demoa, osa 1
Espoon koulutuspäivillä 2022 fysiikan demoshow’ssa esitettiin 15 näyttävää fysiikan demoa. Tässä artikkelissa käydään lyhyesti läpi demot, taustalla oleva ilmiö sekä annetaan muutamat vinkit demon pitämiseen.
Plasmapallo ja loisteputki
Plasmapallot saattavat olla jo mennyttä aikaa, mutta niiden avulla voidaan demonstroida atomien virittymistä ja fluoresenssia. Plasmapallon sisällä on alipaineessa jalokaasua ja keskellä on korkean jännitteen elektrodi. Elektrodi luo ympärilleen voimakkaan sähkökentän, jonka vaikutus voidaan havaita plasmana, kun se ionisoi jalokaasun. Sähkökenttä ulottuu myös plasmapallon ulkopuolelle. Plasmapallon lähellä tuotu loisteputki alkaa loistaa.
Loisteputken toiminta perustuu putken sisällä olevan elohopeakaasun virittymiseen ja viritystilojen purkautumiseen. Loisteputken sisällä elohopea-atomit virittyvät sähkökentän vaikutuksesta. Kun nämä viritystilat purkautuvat, emittoituu UV-säteilyä. Lampun pinta on päällystetty fosforilla, joka vuorovaikuttaa UV-säteilyn kanssa. Lampun sisällä syntynyt UV-säteily aiheuttaa lampun pinnassa olevalla eineelle fluoresenssin, jossa pinnoite absorboi suurempi energistä säteilyä kuin se itse emittoi. Fluoresoiva aine emittoi näkyvää valoa.
Hevoskastanjan fluoresenssi
Hevoskastanjasta leikattu oksa asetetaan veteen ja vettä valaistaan UV-valolla. Hevoskastanjasta liukenee veteen aeskuliinia. Aeskuliini absorboi UV-valoa ja emittoi näkyvää valoa. Näkyvän valon aallonpituus vastaa sinisen valon aallonpituutta ja näyttää todella siistiltä. Ilmiö on jälleen fluoresenssi ja tämän demonstraation pointtina on se, että luonnosta löytyy aineita, jotka fluoresoivat. Vinkki! Oksaan kannattaa leikata mahdollisimman iso leikkauspinta, jotta aeskuliinia liukenee veteen mahdollisimman paljon.
Kuva: Piia Muuttonen
Kaljatölkki ja PVC-putki
Talvella pitkät hiukset ja niiden sähköisyys saattaa aiheuttaa päänvaivaa. Hiukset nousevat pystyyn ja osoittavat joka suuntaan. Riittävä varautuminen johtaa talvella myös helposti staattisiin sähköiskuihin metalliesineitä. Kyseessä varausten jakautuminen eli polarisaatio ja influenssi. Polarisaatio tarkoittaa varausten jakautumista eristeessä ja influenssi johteessa. Tätä voidaan demonstroida hinkkaamalla muoviputkea turkiksella, jonka jälkeen sen avulla voidaan pyörittää metallista tölkkiä tasaisella alustalla koskematta siihen.
PVC-putken hinkkaaminen turkiksella varaa putken negatiivisesti, koska se saa ylimääräisiä elektroneja turkiksesta. Putki luo ympärilleen sähkökentän. Kun putki tuodaan metallitölkin lähelle, sähkökenttä aiheuttaa varausten jakautumisen tölkissä. Tölkin metallin positiiviset varaukset pysyvät paikoillaan, mutta putken sähkökenttä aiheuttaa metallitölkin vapaisiin elektroneihin sähköisen voiman ja siirtää ne poispäin putkesta. Koska lähelle putkea jää positiivisesti varautunut osa, syntyy näiden välille Coulombin lain mukainen voima, joka saa tölkin liikkumaan kohti putkea.
Jaakobin tikapuut
Tämä työ on hengenvaarallinen, joten oppilaat eivät missään tapauksessa saa tehdä demoa! Myös opettajan tulee tietää, mitä tekee!
Muuntajalla voidaan muuntaa vaihtojännitteen ja -virran suuruutta. Jaakobin tikapuissa demonstroidaan jännitteen kasvattamista muuntajan avulla. Ensiökäämissä on 600 ja toisiokäämissä 23000 kierrosta. Käämit on kytketty rautasydämellä induktiivisesti toisiinsa. Toisiokäämiin kytketään taivutetut kaarevat metallitangot. Tankojen alaosat asetetaan noin 5 mm etäisyydelle toisistaan. Liitetään ensiökäämi johtimilla kytkimelliseen pistorasiaan ja kytketään virta pistorasiasta. Tällöin toisiokäämiin kytkettyjen tankojen välille syntyy valokaari, joka etenee kohti tankojen yläosaa.
Muuntajan toisiopuolen jännite saadaan laskettua muuntajan muuntosuhteella. Kyseisillä käämien kierrosten lukumäärien avulla ja verkkojännitteen tehollisarvolla saadaan toisiokäämin jännitteen tehollisarvoksi 8800 V. Tämä riittää ylittämään ilman läpilyöntikestävyyden ja syntyy valokaari. Jos valokaari on vaikea saada aikaan pelkällä ilmalla, tankojen alapuolella voi laittaa palavan kynttilän. Palokaasuissa on ioneja, jotka pienentävät ilman läpilyöntikestävyyttä. Kokeile toisiokäämiin kytkettyjen tankojen eri etäisyyksiä. HUOM! MUISTA AINA KYTKEÄ JÄNNITE POIS KÄÄMEISTÄ, KUN DEMO ON TEHTY!
Induktiolamppu
Induktiolevyn ja lampun avulla voidaan näyttää, miten sähköenergiaa voidaan siirtää langattomasti. Tähän ideaan perustuu muun muassa kännyköiden langaton lataus. Myös muuntajien toiminta perustuu samaan ilmiöön eli sähkömagneettiseen induktioon. Lamppu on kiinnitetty käämiin, joka asetetaan induktiolevylle. Kun induktiolevy kytketään päälle, lamppu syttyy palamaan. Meillä on sähköä ilman suoraa kosketusta!
Induktiovirran suuruutta ja lampun kirkkautta voidaan muuttaa säätämällä induktiolevyn voimakkuutta, käämin pinta-alaa tai käämissä olevaa kierrosmäärää. Tämän voi teettää opiskelijoilla pohdinnan muodossa eli havainnoida eri tekijöiden vaikutusta lampun kirkkauteen.
Laitteiston rakentamiseen tarvitaan lamppu ja lampun kanta, johdinta sekä induktiolevyn. Jos mahdollista, on suotavaa käyttää pienemmällä, esimerkiksi 24 V, jännitteellä toimivaa lamppua (hissilamppu tai halogeenilamppu). Käämitään johdosta noin induktiolevyn kokoinen käämi. Aluksi osan johdosta voi jättää käämimättä ja katsoa toimiiko koejärjestely. Käämi tarvittaessa lisää. Älä kuitenkaan katkaise johtoa ennen kuin olet varma, että laitteisto toimii. Johtoa on helppo käämiä esim. 110 mm viemäriputken ympärille ja sitoa yhteen nippusiteillä.
Langaton tiedonsiirto
Vaikka langaton sähköenergian siirto onkin hienoa, vielä mahtavampi keksintö on langaton tiedonsiirto. Mobiililaitteilla kaikki maailman tieto on käsiemme ulottuvilla – ja kuitenkin käytämme tämän lahjan meemien lähettämiseen. Kytketään mp3-soitin laseriin. Laser osoittaa fotodiodiin, tai esitetyssä laitteistossa tarkemmin sanottuna fototransistoriin. Tämä on kytketty kaiuttimeen. Kun musiikki laitetaan soimaan, Rick Astleyn kauniit lyriikat voidaan kuulla kaiuttimen kautta. Monimutkainen informaatio on juuri siirtynyt langattomasti laserin välityksellä!
Ilmiön ymmärtäminen edellyttää aalto-opin keskeisen käsitteen, interferenssin, ymmärtämisen. Sen avulla voidaan selittää, miten analoginen signaali kulkee sähköisessä muodossa. Jokaisen instrumentin luomat taajuudet lisätään yhdeksi summa-aalloksi, joka sisältää valtavan määrän informaatiota aina laulun sanoista ja sävelestä kitarasoundiin. Tasaisesti valoa tuottava laser saa käyttöjännitteensä joukkoon musiikin tuoman signaalin eli summa-aallon. Tämä saa laserin sykkimään musiikin tahdissa, välillä voimakkaammin ja välillä heikommin. Fotodiodi puolestaan muuttaa saapuvan valon jännitteeksi, jonka voimakkuus riippuu valon intensiteetistä. Laserin intensiteetin vaihtelu muuttuu siis fotodiodin kautta takaisin analogiseksi sähkösignaaliksi, joka johdetaan kaiuttimelle.
Ohjeet tämän rakentamiseen saa parhaiten kysymällä niitä artikkelin kirjoittajilta. Projekti ei ole vaativa tai monimutkainen, mutta sisältää muutamia huomionarvoisia asioita.
Soiva putki
Kukapa meistä ei olisi joskus soittanut nokkahuilua. Puhallinsoittimien toiminta perustuu soittimen läpi virtaavan ja putken suuaukolta putken sisälle takaisin heijastuneen paineaallon synnyttämään seisovaan aaltoon.
Hedronin putki on noin 50 cm pitkä ja 4 cm halkaisijalta oleva metalliputki. Putken toiseen päähän putken sisälle on taiteltu metalliverkkoa. Demonstraatiossa putki asetetaan kaasupolttimen yläpuolelle. Palavalla kaasulla kuumennetaan noin 20 sekuntia putken sisällä olevaa metalliverkkoa. Kun putki on palavan kaasun yläpuolella, putki ei tuota ääntä. Siirretään putki pois palavan kaasun yläpuolelta ja putki alkaa soida. Kun putki käännetään vaakasuuntaiseksi, huomataan, että äänen tuotto loppuu.
Kun putkessa olevaa metalliverkko kuumennetaan palavalla nestekaasulla, putken läpi virtaa kuumaa kaasua liian suurella nopeudella ja putki ei tuota ääntä. Kun putki siirretään kaasupolttimen päältä pois, putken sisällä oleva metalliverkko lämmittää putkessa olevaa kaasua ja se alkaa virrata putken läpi. Virtausnopeus on juuri sopiva ja putken sisällä olevaan kaasuun syntyy seisova aaltoliike, joka kuullaan äänenä. Demonstraation voi kuvata myös lämpökameralla, jolloin kaasun virtaus putken läpi näkyy selvemmin. Myös putken pituutta ja paksuutta voidaan vaihdella. Näitä löytyy valmiina demonstraatiovälineinä hakusanalla “singing pipe” tai “soiva putki”.
Artikkelin kirjoittajille voi laittaa viestiä, jos haluaa tarkempaa tietoa, miten jokin demonstraatioväline toimii tai rakennetaan. Hauskoja hetkiä demonstraatioiden parissa!
Seuraavat MAOLin koulutuspäivät Kokkolassa 6.-7.10.2023, ohjelmassa jälleen monipuolinen kattaus ohjelmaa fysiikan, kemian, matematiikan ja tietotekniikan opettajille. Kohdataan Kokkolassa!
