Tehdään näkymättömästä sähköstä näkyvää! Kondensaattorin purkautumiskoe käsinlaskulla ja uusilla sensoreilla

Tervehdys! Olen Ken Kuwako, tiedevalmentajasi. Minulle jokainen päivä on uusi koe.

Älypuhelimet ja kodinkoneet ovat välttämätön osa arkeamme. Lähes jokaisen laitteen sisältä löytyy pieni elektroninen komponentti nimeltään kondensaattori, joka varastoi sähköä hetkellisesti ja vapauttaa sitä tarvittaessa. Mutta miten voimme nähdä näkymättömän sähkön varastoitumisen tai tietää, kuinka paljon sitä on tallessa?

Tällä kertaa lähdemme paljastamaan tämän sähköisen varaston salaisuuksia. Esittelen kondensaattorin lataus- ja purkukokeen, joka on suunnattu yläkoululaisille ja kaikille tieteestä kiinnostuneille. Pääsette todistamaan upeaa hetkeä, jolloin matematiikan integraalilaskenta kohtaa todellisen fysiikan ilmiön.

Kokeen valmistelu: Täytetään sähköämpäri

Tämän kokeen tavoitteena on laskea kondensaattoriin varastoituneen sähkön määrä manuaalisesti integraalin eli kerryttämisen avulla ja määrittää kondensaattorin kapasitanssi (C).

Aluksi latasimme kondensaattorin täyteen 5 voltin (V) jännitteellä virtalähteen avulla. Kondensaattoria voi ajatella kuin kuppina tai ämpärinä, jolla on tietty rajallinen tilavuus sähkölle. Jotta voisimme seurata sähkön purkautumista rauhassa, lisäsimme virtapiiriin 51 ohmin (Ω) vastuksen hidastamaan prosessia.

Lataus suoritettiin virtalähteellä.

Digitaalisuus avuksi: iPad pysäyttää ajan

Ennen vanhaan tutkijat joutuivat tuijottamaan herkeämättä ampeerimittarin neulaa ja raapustamaan muistiinpanoja minkä ehtivät. Nykyään meillä on käytössämme iPadin videokuvaus, joka helpottaa työtä huomattavasti.

Kuvasimme viiden minuutin videon purkautumisprosessin alusta alkaen. Asettamalla videon alkupisteen eli nollahetken tarkalleen purkamisen alkamiseen, saimme kerättyä erittäin tarkkaa dataa.

Videon muokkausvaiheessa varmistimme, että aloitusajat ovat synkronoituja.

Tauottamalla videota ja säätämällä aikaa alareunasta, voimme lukea sähkövirran arvon rauhassa aina 10 sekunnin välein.

Videon avulla voimme ikään kuin pysäyttää ajan ja lukea virtalukemat tarkasti. Se on kuin nykyajan tiedemagiaa!

Onko integraali vain palikoilla leikkimistä? Datan muuttaminen kuvaajaksi

Kun lukemat oli saatu ylös, oli aika analysoida data käsin. Tässä vaiheessa kuvaan astuu integraalin käsite. Se saattaa kuulostaa vaikealta matemaattiselta kaavalta, mutta kyse on yksinkertaisuudessaan siitä, että laskemme kulkeneen sähkövirran määrän yhteen lyhyissä aikajaksoissa.

Kun viiden minuutin data koottiin kuvaajaksi, näkyviin tuli kaunis purkauskäyrä, joka osoittaa sähkövirran vähenemisen ajan kuluessa.

Oppilaat huomasivat innostuneina, että koulun matematiikantunneilta tuttu integraali onkin työkalu, jolla voidaan oikeasti laskea juuri nyt virtaavan sähkön kokonaismäärä. Oman työn tuloksena syntynyt oivallus oli hienoa nähtävää!

Yllättävä lopputulos: Yhden faradin raja

Laskelmien jälkeen moni ryhmä pääsi tulokseen, joka oli hyvin lähellä yhtä faradia (1 F). Yksi faradi on todella suuri kapasiteetti. Tavallisissa elektroniikkalaitteissa käytetään usein mikrofaradeja (miljoonasosa faradista), joten tässä kokeessa käytetty kondensaattori oli todellinen jättiläisämpäri.

Sähkön hupeneminen sensorin silmin

Lopuksi teimme havainnollistavan kokeen uusimmalla virta-anturilla. Käsin vaivalla piirretty kuvaaja alkoi piirtyä ruudulle reaaliajassa.

On hienoa seurata livenä, miten virta vähenee. Oppilaat olivat innoissaan! Anturi laskee integraalin silmänräpäyksessä; kun valitset tietyn aikavälin, laite laskee automaattisesti käyrän alle jäävän pinta-alan eli sähkömäärän.

On todella kiehtovaa nähdä heti, kuinka paljon sähköä kondensaattorissa on vielä jäljellä.

Vaikka huipputekninen sensori tekee laskut hetkessä, juuri käsin tekeminen auttaa ymmärtämään, mitä nuo numerot todellisuudessa tarkoittavat. Näkymättömän sähkön muuttuminen näkyväksi tiedoksi on fysiikan kokeiden parasta antia.

Yhteystiedot ja tiedustelut

Tiede on ihmeellistä ja hauskaa, kun sen tuo lähelle arkea! Sivustoltani löydät vinkkejä kotona tehtäviin kokeisiin ja selkeitä selityksiä ilmiöille. Tutustu rohkeasti!

Tiedemuistiinpanoistani on julkaistu kirja. Lue lisää täältä.

Lisätietoa minusta (Ken Kuwako) löytyy täältä.

Toimeksiannot (artikkelit, luennot, tiedepajat, TV-konsultointi jne.) täältä.
– Seuraa päivityksiä X-palvelussa!

Tiedevideot YouTube-kanavallani!

３月のイチオシ実験！

• 押し花を作ろう！：梅や桜の花の押し花を作ってみましょう。特別なケースに入れると、長く保存できて、しおりにもなります。

テレビ番組・科学監修等のお知らせ

• 「月曜から夜更かし」（日本テレビ）にて科学監修・出演しました。
• 2月27日放送予定「チコちゃんに叱られる」（NHK）の科学監修しました。

書籍のお知らせ

• 1/27 『見えない力と遊ぼう！電気・磁石・熱の実験』（工学社）を執筆しました。
• サクセス15 ２月号にて「浸透圧」に関する科学記事を執筆しました。
• 『大人のための高校物理復習帳』（講談社）…一般向けに日常の物理について公式を元に紐解きました。特設サイトでは実験を多数紹介しています。※増刷がかかり６刷となりました（2026/02/01）
• 『きめる!共通テスト 物理基礎 改訂版』（学研）…　高校物理の参考書です。イラストを多くしてイメージが持てるように描きました。授業についていけない、物理が苦手、そんな生徒におすすめです。特設サイトはこちら。

講師・ショー・その他お知らせ

• 3/20（金）　日本理科教育学会オンライン全国大会2026「慣性の法則の概念形成を目指した探究的な学びの実践」について発表します。B会場 第３セッション： 学習指導・教材（中学校）③　11:20-12:20
• 7/18（土）　教員向け実験講習会「ナリカカサイエンスアカデミー」の講師をします。お会いしましょう。
• 10/10（土）　秘密兵器「帯電ガン」が炸裂！ビリビリ！ドキドキ！静電気サイエンスショー＠千葉市科学フェスタ（午後予定）
• 各種SNS　X(Twitter)／instagram／Facebook／BlueSky／Threads

Explore

• 楽しい実験…お子さんと一緒に夢中になれるイチオシの科学実験を多数紹介しています。また、高校物理の理解を深めるための動画教材も用意しました。
• 理科の教材… 理科教師をバックアップ！授業の質を高め、準備を効率化するための選りすぐりの教材を紹介しています。
• Youtube…科学実験等の動画を配信しています。
• 科学ラジオ …科学トピックをほぼ毎日配信中！AI技術を駆使して作成した「耳で楽しむ科学」をお届けします。
• 講演 …全国各地で実験講習会・サイエンスショー等を行っています。
• About …「科学のネタ帳」のコンセプトや、運営者である桑子研のプロフィール・想いをまとめています。
• お問い合わせ …実験教室のご依頼、執筆・講演の相談、科学監修等はこちらのフォームからお寄せください。