Jännitettä kehiin

Johdanto

Tässä harjoituksessa ei vielä ohjelmoida vaan kokeillaan kytkentää, jossa Arduino toimii pariston tapaan pelkkänä virtalähteenä. Alla olevassa videossa johdatellaan elektroniikan maailmaan - se voikin olla sinulle tuttua, jos olet rakennellut asioita tai lukenut esimerkiksi fysiikkaa.

Jokainen harjoitus alkaa tällä kurssilla Youtubeen linkatulla videolla. Videot eivät kaikki ole Mehackitin tekemiä, vaan niiden julkaisija näkyy videon otsikossa. Videoiden katsominen ei ole pakollista, mutta ne laajentavat ymmärrystäsi kurssin teemoista!

Curiosity Machine: What is electricity?

Tekstitykset

Electricity is all around us and most of us use it everyday. But do you really know what electricity is? To really understand electricity, you first have to start with an "atom". Everything in the universe is made up of atoms. Let's look at this ant. We think of ants as being pretty small. But, atoms are smaller. Much, much smaller. Atoms are so small, in fact, that one ant is made up of too many atoms to count. More than a billion! If you take an object and keep breaking it down to smaller units, eventually, you'll be left with only atoms. Which we can call the building blocks of everything. Atoms have a couple of different parts. And a really important part of an atom is called an "electron". Not all atoms have the same number of electrons. The number of electrons in an atom can change, because electrons can move between atoms. Electricity is the movement or flow of electrons from one atom to another. This flow of electrons is called current, "electric current". Electrons can move in all materials. But they can move through some materials better than others. If electrons can move quickly and easily in a material, then that material is a "conductor". A conductor is anything that allows electric current to flow from one point to another. The opposite of a conductor is an "insulator". An insulator is a material that does not let electrons move well and doesn't conduct electricity. Have you ever seen the inside of a wire? The inside is usually made up of copper or another conductive metal. While the outside is made of plastic, an insulator. The copper wire helps the electrons flow, while the plastic insulator helps keeps the electricity from being wasted and prevents us from being shocked. To use electric current to power things, you have to create a complete pathway for the electric current to follow. This is called an "electric circuit". An electric circuit is like a racetrack of conductive materials that let the electrons flow in a specific way. For example, let's try to light a lightbulb. First, you need a power source like a battery. Next, you need to connect wires to the battery. And finally, the lightbulb. Presto! Just like that the circuit has been completed and the lightbulb lights up! To learn more about electricity and circuits, explore the Curiosity Machine!

Tarvikkeet

Etsi seuraavat osat.

Osa	Kuva	Kuvaus
Mehackit-board (tai Arduino UNO)
USB-johto (A/B)		Tietokoneella kirjoitettu ohjelma lähetetään Arduinolle USB-johtoa pitkin. Johdon kautta Arduino saa myös virtaa.
Kytkentäjohtoja		Ohuita, erivärisiä kytkentäjohtoja tarvitaan tällä kurssilla runsaasti!
Koekytkentälevy
2 x LED		Pidempi jalka (kuvassa mutkallinen) eli anodi + -napaan eli Arduinon porttiin. Lyhyempi jalka eli katodi miinus-napaan eli maahan.
Vastus 330 Ω		Vastus vastustaa sähkövirran kulkua. Vastuksen arvo mitataan ohmeissa (Ω) ja ilmoitetaan komponentissa eri värisinä raitoina (tässä oranssi, oranssi, ruskea ja kulta).

Virtapiiri

Sähkövirta on elektronien liikettä jotain ainetta pitkin. Aineet, joissa elektronit pystyvät liikkumaan ovat sähköä johtavia. Metallit johtavat sähköä hyvin - varsinkin kupari, josta kurssilla käyttämäsi johdot koostuvat.

Johtimen päiden välillä olevaa sähkövarauksien eroa kutsutaan jännitteeksi. Esimerkiksi pariston + ja - napojen välillä on sähkövarauksien ero. Kun navat yhdistetään toisiinsa, ero pyrkii tasautumaan. Tällöin elektronit virtaavat johtimen läpi sähkövirtana.

Jotta piirissä voi kulkea sähkövirta, sen pitää olla suljettu. Piirin tulee kulkea katkeamattomana esimerkiksi patterin plus-navasta miinus-napaan.

Tehtävä

Rakenna kuvan mukainen virtapiiri. Ledin pidempi jalka on virtapiirikaaviossa aina se, joka on mutkalla ylhäältä. Ledin lyhyempi jalka yhdistetään aina maahan!

Piirin + -napa: 5V-portti
Piirin miinus-napa: maaportti eli GND

Sähkövirta kulkee ledien läpi, ja sitä rajoittaa vastus. Ilman vastusta ledit “imisivät” jännitelähteestä liian suurta virtaa, joka saattaisi hajottaa Arduinon portin. Ledien kanssa on aina käytettävä vastuksia!
Kuvan koekytkentälevyssä näkyy vihreällä korostuksella, kuinka virta pääsee kulkemaan levyssä.
Kytkennässä Arduinoa käytetään vain jännitelähteenä, sitä ei siis tarvitse erikseen ohjelmoida.

Tehtävä

Kokeile irrottaa toinen ledeistä. Mitä tapahtuu ja miksi? Vastaa lopuksi monivalintaan sivun alalaidassa.

Alla näet vielä, kuinka metalli yhdistää koekytkentälevyn reiät sähköä johtaviksi:

Mikä seuraavista väitteistä ei pidä paikkaansa?

Suljettu virtapiiri sisältää aina virtalähteen ja maadoituksen (GND).

Koekytkentälevyn kaikki reiät ovat toisiinsa yhteydessä.

Virtapiirissä ei kulje sähköä, jos se ei ole suljettu.

Mitä suurempi vastus, sitä pienempi virta.

Lisätään painonappi

Nyt rakentamaasi virtapiiriin kytketään painonappi. Etsi ensin Maker kitistä painonappi, jonka painikeosa on mustan sijaan valkoinen.

Tehtävä

Tutki nappia. Huomaatko, jalat ovat koko ajan yhteydessä keskenään? Mitkä jalat yhdistyvät vasta painettaessa?

Osa	Kuva	Kuvaus
Painonappi		Mehackit Maker Kitin painonappi on valkoinen, ei ruskea.

Napissa on neljä jalkaa - oikean puolen jalat ovat yhteydessä toisiinsa, samoin vasemman puolen jalat. Oikea ja vasen puoli yhdistyvät vasta kun nappi painetaan alas. Silloin nappi toimii kuin sähköjohdin ja virta pääsee napin läpi.

Virtapiiri 2

Muuta aiempaa virtapiiriä kuvan mukaan ja testaa nappia:

Virta kulkee virtalähteen positiivisesta navasta (5V) ledin positiiviselle jalalle (pidempi). Ledin läpäistyään virta kulkee painonapin toiselle jalalle. Kun nappi on painettu alas, virta kulkee napin toiselta jalalta vastuksen kautta maahan (GND), joka on virtapiirin negatiivinen napa.

Arduinoa ei ole ohjelmoitu tässä harjoituksessa millään tavalla! Kun yhdistät jotain 5V -porttiin, sieltä tulee jatkuvasti viiden voltin suuruista jännitettä - tähän porttiin kytketty led on aina päällä. Ohjelmoimalla voi vaikuttaa vain komponentteihin, jotka on liitetty digitaalisiin portteihin (0-13) tai analogisiin portteihin (A0-A5).

Tehtävä

Vaihda napin paikalle kaksi johtoa, jotka yhdistät. Tämä ajaa saman asian kuin nappi.

Tiesitkö että...

Painonappeja tai painamalla toimivia kytkimiä on ympärilläsi kaikkialla. Esimerkiksi valonkatkaisija, sähköpianon kosketin tai hissin nappi ovat hyviä esimerkkejä.

Seuraavassa harjoituksessa pääsetkin jo ohjelmoimaan!