Näe näkymätön sähkö! Kelan salaperäinen vaihe-ero
Olen tiedevalmentaja Ken Kuwako. Joka päivä on uusi koe.
Tiesitkö, että jännite ja sähkövirta eivät aina kulje täysin samaan tahtiin?
Oletko koskaan tullut ajatelleeksi, että pistorasiasta tulevassa sähkössä jännite ja sähkövirta voivat olla hieman eri rytmissä, vaikka emme sitä näekään? Arjessa käyttämämme sähkö on vaihtovirtaa, jossa sekä jännite että virta vaihtelevat jatkuvasti aaltomaisesti. Mielenkiintoista on, että näiden aaltojen ajoitus voi riippuen sähkökomponentista osua täsmälleen yhteen tai siirtyä hieman toisistaan. Tässä kokeessa teimme tämän normaalisti näkymättömän ilmiön näkyväksi EasySense-anturin avulla.
Tässä mittauksessa tarkastelimme vaihtojännitteen synnyttämää jännitteen ja virran välistä vaihe-eroa kelassa. Mittausaika oli 500 ms ja näytteenottotaajuus 1000, joten dataa kerättiin erittäin tarkasti. Jälkikäteen ajateltuna noin 100 ms:n mittaus olisi ehkä tehnyt aaltomuodoista vielä helpommin hahmotettavia. Katso ensin tämä video.
Kuvaajassa punainen käyrä esittää jännitettä ja sininen sähkövirtaa.
Aloitetaan perusteista: vastuksessa jännite ja virta kulkevat täsmälleen yhdessä
Katsotaan ensin, mitä tapahtuu, kun vaihtovirta kulkee tavallisen vastuksen läpi.
Kuvaajasta näkee, että punainen jännitekäyrä ja sininen virtakäyrä kulkevat lähes kuin päällekkäin. Huiput ja pohjat osuvat täsmälleen samaan aikaan. Tämä johtuu siitä, että vastuksen tehtävä on yksinkertaisesti rajoittaa sähkövirtaa. Kun jännite kasvaa, myös virta kasvaa heti samalla hetkellä. Näiden kahden välillä ei synny viivettä.
Kelassa kaikki muuttuu – jännite johtaa ja virta seuraa perässä
Kun sama vaihtojännite kytketään kelan yli, kuva näyttääkin aivan erilaiselta.
Tällä kertaa jännitteen huippu ilmestyy ensin, ja vasta hieman myöhemmin virran huippu seuraa sitä. Tilanne muistuttaa vähän hippaleikkiä: jännite lähtee ensimmäisenä juoksuun ja sähkövirta yrittää kiriä perässä. Tämä viive on tarkalleen 90 astetta eli neljäsosa koko aaltokierroksesta. Kun jännite saavuttaa huippunsa, virta saavuttaa omansa vasta neljännesjakson myöhemmin.
Miksi juuri kelassa sähkövirta jää jälkeen?
Selitys löytyy kelan ainutlaatuisista ominaisuuksista. Kun kelassa kulkee sähkövirta, sen ympärille muodostuu magneettikenttä. Vaihtovirralla virta muuttuu jatkuvasti, joten myös magneettikenttä muuttuu koko ajan.
Tällöin kela synnyttää ilmiön nimeltä itseinduktio. Se tuottaa vastakkaissuuntaisen jännitteen, joka pyrkii vastustamaan virran muutosta.
Voisi ajatella, että tämä toimii kuin jarru. Vaikka jännite ”käskee” virtaa kasvamaan, kelan synnyttämä vastajännite hidastaa muutosta. Siksi virta ei reagoi heti, vaan seuraa hieman viiveellä. Tämä näkyy mittauksissa selkeänä 90 asteen vaihe-erona.
Tätä ilmiötä hyödynnetään monissa arjen laitteissa
Kelan ominaisuudet eivät ole tärkeitä vain fysiikan laboratoriossa. Niitä hyödynnetään esimerkiksi loistevalaisimien kuristimissa, muuntajissa, sähkömoottoreissa, kaiuttimissa ja älypuhelimien langattomissa latausjärjestelmissä.
Näissä laitteissa jännitteen ja virran vaihe-eroa joko hyödynnetään tarkoituksella tai pyritään pienentämään siitä aiheutuvia energiahäviöitä. Näin sähkö toimii tehokkaasti ja luotettavasti jokapäiväisessä elämässämme.
Vaikka sähköä ei voi nähdä paljain silmin, anturin piirtämä kuvaaja paljastaa, kuinka jännite ja sähkövirta liikkuvat kuin tanssipari: välillä täydellisessä tahdissa ja välillä hieman eri rytmissä.
Yhteydenotot ja yhteistyö
Tiede on hauskempaa, kun sen saa lähelle arkea! Sivustolta löydät runsaasti helposti toteutettavia tiedekokeita kotiin sekä selkeitä vinkkejä niiden tekemiseen. Tutustu rohkeasti muihinkin artikkeleihin!
・Tiedeaiheisista sisällöistäni on julkaistu myös kirja. Lisätietoja löydät täältä.
・Lisätietoja sivuston ylläpitäjästä Ken Kuwakosta löydät täältä.
・Kirjoitus-, luento-, tiedetyöpaja-, TV-asiantuntija- ja muut yhteistyöpyynnöt löytyvät täältä.
・Uusimmat artikkelit ja päivitykset löydät myös X:stä!
Science Notes -kanavalla julkaistaan uusia kokeita videomuodossa!
７月のイチオシ実験！
夏でプシュッと爽やか実験！
テレビ番組監修・イベント等のお知らせ
-
時速２００ｋｍで走るランボルギーニが、長さ１２ｍのテーブルクロスを一瞬で引き抜く——そんな常識破りの実験が、ふたたびテレビの世界で大きな話題になりました。しかも今回は「視聴者が選ぶワクワク実験ランキング」で、なんと堂々の第１位を獲得したのです。Tverでまだ見ることができるのでぜひご覧ください。
- 7月18日（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。
- 12月26日（土） ナリカサイエンスアカデミー（教員向け実験講習会）開催
書籍のお知らせ
- ７月16日発売 『高校入試 分解問題集 理科』（学研）…難しい問題も小さな問題に分解することで、問題を解くことができます。そんな分解の技術が身につくように深く関わりを持って作りました。
- 『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。
各種SNS（更新情報をお届け！）
【日本語】X(Twitter)／instagram／Facebook 【英語】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。
- Näe näkymätön sähkö! Kelan salaperäinen vaihe-ero
- Lyöntien määrä ja vahinko eivät ole sama asia! Becquerelit ja sievertit nyrkkeilyn kautta
- Kaada vettä ja kuutio ilmestyy tyhjästä！ CMY-vesilaatikon värien vähennyslaskun ihme
- Laite, joka näyttää äänen silmillesi — Styroksipalat leijuvat ilmassa Kundtin putkessa
- Kytkin poikki, mutta se ei pysähdy！Kelan sähkövärähtelyn salaisuus paljastuu sensorilla (EasySense V-Hub)
- Pyörrevirrat ampaisevat metallirenkaita ilmaan — sähkömagneettisen induktion ihme Tsukuban Expo-keskuksessa
- Kokeellinen havainto: Epäröikö sähkövirta oikeasti? Kelan 0,0005 sekunnin tarina
- Kaaoksesta kauneuteen — 15 heilurin salaisuus kahden minuutin tanssissa
- Luokka sekaisin! Raportti Van de Graaff -generaattorin ja Leyden-purkin ”sähköketju sadan ihmisen” kokeilun epäonnistumisesta
