Sähkövirran hiljainen draama: kondensaattorin purkautumisen tiede (opas anturipohjaiseen lataus- ja purkautumiskokeeseen)
Olen tiedevalmentaja Ken Kuwako. Joka päivä on uusi koe.
Miksi kondensaattorista purkautuva sähkövirta piirtää niin kauniin käyrän?
Entä jos näkymätön sähkövirta voitaisiin nähdä reaaliajassa graafina? Tällä kertaa päätin kokeilla juuri sitä. Käytössä oli suuri 1 F:n kondensaattori (nimellisjännite 5,5 V). Latasin sen kolmella paristolla ja purin sen 10 Ω:n, 5 Ω:n ja 20 Ω:n vastusten kautta. Lopputulos oli suorastaan hämmästyttävä: käyrä oli uskomattoman kaunis. Mittauksessa käytettiin Narikalta hankittua DataHarvest EasySense V-Hub -anturia.
Analoginen virtamittari ei koskaan näyttänyt koko totuutta
Kun tein samanlaisia kokeita aiemmin pelkän analogisen virtamittarin avulla, pystyin vain seuraamaan, kuinka neula liikkui hitaasti. Tiesin kyllä, että virta pieneni vähitellen, mutta en oikeastaan nähnyt, minkä matemaattisen lain mukaan se muuttui tai kuinka nopeasti muutos tapahtui.
Kun virta piirretään reaaliajassa anturin avulla, ilmiön todellinen luonne tulee selvästi näkyviin. Käyrä on niin sanottu eksponentiaalinen vaimeneminen, joka esiintyy kaikkialla luonnossa. Täsmälleen samanlainen matemaattinen muoto kuvaa esimerkiksi radioaktiivisten aineiden hajoamista ja kuuman teen jäähtymistä. Kondensaattoriin varastoitunut sähkö virtaa ulos vähitellen vastuksen läpi aivan kuin kuuma tee luovuttaisi lämpöään hitaasti ympäristöön. Näin mittaus näytti EasySense2-sovelluksessa.
Pieni mutta tärkeä vaihe: nollakalibrointi
Yksi EasySense2-sovelluksen mukavista ominaisuuksista on nollakalibrointi. Kun ±1 A:n anturi on kytketty, anturia liikutetaan hieman ja painetaan ”Set Tera” -painiketta. Tällöin sen hetkinen arvo määritellään nollaksi. Tämä toimii samalla periaatteella kuin keittiövaa’an taaraus: ensin poistetaan kulhon paino, jotta jäljelle jää vain mitattavan aineen massa. Samalla tavoin anturin pieni oma mittausvirhe poistetaan ennen varsinaista mittausta. Kyseessä on pieni valmisteluvaihe, mutta sillä on suuri vaikutus koko kokeen tarkkuuteen.
Purkaus alkaa – sähkövirran hiljainen draama
Kun kaikki on valmista, kondensaattori ladataan täyteen ja purkaus käynnistetään. Virta nousee heti suurimpaan arvoonsa ja alkaa sen jälkeen pienentyä hitaasti ajan kuluessa. Graafi muistuttaa maratonjuoksijaa, joka lähtee liikkeelle täydellä vauhdilla ja hidastaa askel askeleelta jatkaen kuitenkin tasaisesti eteenpäin. Hiljainen mutta kiehtova tarina piirtyy näkyviin käyrän muodossa.
Graafin hidas muuttuminen on jo sellaisenaan erittäin havainnollista. Sitä katsellessa tulee melkein tunne kuin seuraisi sydänmonitorin näyttöä.
Mitä käyrän alle jäävä pinta-ala kertoo?
Tässä on lopullinen mittausgraafi.
Ylempi vaaleanpunainen käyrä on mitattu 5 Ω:n vastuksella ja alempi punainen 10 Ω:n vastuksella.
Kun tarkastelee virtakäyrää, huomaa sen alle jäävän pinta-alan. Juuri tämä pinta-ala kuvaa kondensaattorista purkautuneen sähkövarauksen kokonaismäärää. Sen laskeminen on integraalilaskentaa. Aikaisemmin tämä tehtiin käsin tai laskemalla ruutupaperin ruutuja yksi kerrallaan, mutta EasySense laskee arvon hetkessä automaattisesti. Sen ansiosta koko koe voidaan tehdä ja analysoida oppitunnin aikana. Erityisen kiinnostavaa on se, että vaikka vastuksen arvo muuttuu, laskettu kapasitanssi pysyy lähes samana. Juuri näin teorian kuuluukin ennustaa, ja samalla oppilaat näkevät omin silmin, että fysiikan lait todella toimivat käytännössä.
Tulokset olivat seuraavat.
5 Ω:n vastuksella:
5,3 Ω, jännite 4,60 V, pinta-alaintegraali (sähkövaraus) 4,582 As
10 Ω:n vastuksella:
10,2 Ω, jännite 4,50 V, pinta-alaintegraali (sähkövaraus) 4,457 As
Vaikka vastuksen suuruus muuttui, kondensaattoriin varastoituneen sähkövarauksen kokonaismäärä pysyi lähes vakiona. Tuttu fysiikan laki muuttui tällä kertaa konkreettisiksi numeroiksi.
Arkinen koe, joka auttaa myös pääsykokeissa
Uskon, että tämä on juuri sellainen aihe, joka esiintyy usein myös pääsykokeissa ja ylioppilastason tehtävissä. Kondensaattorin purkautuminen on sähköopin perusilmiö, mutta samalla se johdattaa eksponentiaalisiin muutoksiin, jotka ovat yksi luonnon yleisimmistä matemaattisista ilmiöistä. Yksi ainoa käyrä kertoo paljon enemmän kuin pelkästään sähköstä – se paljastaa yleisen lain siitä, kuinka monet asiat luonnossa vähenevät ajan myötä. Kun sen oivaltaa, tavallinen laboratoriokoe näyttääkin aivan uudelta.
Yhteydenotot ja yhteistyö
Tehdään tieteestä entistä läheisempää ja hauskempaa! Sivustolta löydät helposti kotona toteutettavia tiedekokeita sekä selkeitä vinkkejä niiden tekemiseen. Tutustu rohkeasti muihinkin artikkeleihin!
・Tiedeaiheisista artikkeleistani on ilmestynyt myös kirja. Lisätietoja täältä
・Lisätietoja sivuston ylläpitäjästä Ken Kuwakosta täältä
・Kirjoitus-, luento-, tiedetyöpaja-, TV-asiantuntija- ja muut yhteistyöpyynnöt täältä
・Uusimmat artikkelipäivitykset löytyvät myös X:stä!
Science Notes -kanavalla julkaistaan säännöllisesti uusia tiedekokeiden videoita!
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。
- Sähkövirran hiljainen draama: kondensaattorin purkautumisen tiede (opas anturipohjaiseen lataus- ja purkautumiskokeeseen)
- ”Neutraloinnin” synnyttämä taianomainen valkoinen sameus: Kalkkiveden ja hiilidioksidin yllättävä kemiallinen reaktio
- Ämpäristä ja putkesta tiedelabra! Äänen aallonpituuden mittaaminen älypuhelimella (ilmapatsaan resonanssikoe)
- Miksi vatsa ei sulata itseään? Mitä 170 vuotta sitten sattunut räjähdysonnettomuus paljasti（Video: ”Ihmiskehon ruoansulatuksen ihme”）
- Näin rakennukset taistelevat maanjäristyksiä vastaan! Kaikki nesteytymisestä heiluriväsyttimiin selitettynä [Miraikan]
- 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
