Sähkö – mitä se on, miten se toimii ja mihin sitä käytetään

Ajatus sähköstä tai siitä, että meripihka saa hankaamalla voiman vetää puoleensa kevyitä esineitä, saattoi olla jo kreikkalaisen filosofin Thales Miletolaisen tiedossa, joka eli noin 600 eaa.

Toinen kreikkalainen filosofi, Theofrastos, totesi eräässä tutkielmassaan, että tämä voima on myös muilla aineilla.

Ensimmäinen tieteellinen tutkimus sähköisistä ja magneettisista ilmiöistä ilmestyi kuitenkin vasta vuonna 1600 jKr. englantilaisen lääkärin William Gilbertin tutkimusten perusteella. Gilbert käytti ensimmäisenä termiä sähköinen (kreikaksi elektron, "meripihka") siihen voimaan, jonka aineet aiheuttivat hankaamisen jälkeen. Hän myös erotti toisistaan magneettisen ja sähköisen vaikutuksen.

Ben Franklin vietti paljon aikaa sähkötutkimuksen parissa. Hänen kuuluisa leijakokeensa osoitti, että ilmakehän sähkö (joka aiheuttaa salaman ja ukkosen ilmiöitä) on identtinen Leydenin purkin sähköstaattisen varauksen kanssa. Franklin kehitti teoriansa, jonka mukaan sähkö on yksi ainoa "neste", joka on olemassa kaikessa aineessa, ja että sen vaikutukset voidaan selittää tämän nesteen yli- ja alijäämillä.

On olemassa kahdenlaisia sähkövarauksia, jotka työntävät ja vetävät toisiaan: positiivisia varauksia ja negatiivisia varauksia. Sähkövaraukset työntävät tai vetävät toisiaan, jos ne eivät kosketa toisiaan. Tämä on mahdollista, koska kukin varaus muodostaa sähkökentän ympärilleen. Sähkökenttä on alue, joka ympäröi varausta. Jokaisessa varauksen lähellä olevassa pisteessä sähkökenttä osoittaa tiettyyn suuntaan. Jos kyseiseen pisteeseen asetetaan positiivinen varaus, se työntyy kyseiseen suuntaan. Jos kyseiseen pisteeseen asetetaan negatiivinen varaus, sitä työnnetään täsmälleen päinvastaiseen suuntaan.

Se toimii kuten magneetit, ja itse asiassa sähkö luo magneettikentän, jossa samankaltaiset varaukset hylkivät toisiaan ja vastakkaiset varaukset vetävät puoleensa. Tämä tarkoittaa, että jos laitat kaksi negatiivista lähelle toisiaan ja päästät ne irti, ne siirtyvät erilleen. Sama pätee myös kahteen positiiviseen varaukseen. Mutta jos laitat positiivisen ja negatiivisen varauksen lähelle toisiaan, ne vetävät toisiaan puoleensa. Lyhyt tapa muistaa tämä on lause "vastakohdat vetävät puoleensa, tykkääjät hylkivät".

Kaikki maailmankaikkeuden aine koostuu pienistä hiukkasista, joilla on positiivinen, negatiivinen tai neutraali varaus. Positiivisia varauksia kutsutaan protoneiksi ja negatiivisia varauksia elektroneiksi. Protonit ovat paljon raskaampia kuin elektronit, mutta molemmilla on sama sähkövaraus, paitsi että protonit ovat positiivisia ja elektronit negatiivisia. Koska "vastakohdat vetävät puoleensa", protonit ja elektronit tarttuvat toisiinsa. Muutamat protonit ja elektronit voivat muodostaa suurempia hiukkasia, joita kutsutaan atomeiksi ja molekyyleiksi. Atomit ja molekyylit ovat vielä hyvin pieniä. Ne ovat liian pieniä nähdäksemme. Missä tahansa suuressa esineessä, kuten sormessasi, on enemmän atomeja ja molekyylejä kuin kukaan osaa laskea. Voimme vain arvioida, kuinka monta niitä on.

Koska negatiiviset elektronit ja positiiviset protonit tarttuvat toisiinsa muodostaen suuria esineitä, kaikki suuret esineet, jotka voimme nähdä ja tuntea, ovat sähköisesti neutraaleja. Sähköisesti on sana, joka tarkoittaa "sähköä kuvaavaa", ja neutraali on sana, joka tarkoittaa "tasapainoista". Siksi emme tunne, että esineet työntävät ja vetävät meitä kaukaa, kuten tuntisimme, jos kaikki olisi sähköisesti varautunutta. Kaikki suuret esineet ovat sähköisesti neutraaleja, koska maailmassa on yhtä paljon positiivista ja negatiivista varausta. Voisimme sanoa, että maailma on täsmälleen tasapainossa eli neutraali. Tutkijat eivät vieläkään tiedä, miksi näin on.

Elektronit voivat liikkua ympäri materiaalia. Protonit eivät koskaan liiku kiinteän kappaleen ympärillä, koska ne ovat niin raskaita, ainakin elektroneihin verrattuna. Materiaalia, joka päästää elektronit liikkumaan ympäriinsä, kutsutaan johtimeksi. Materiaalia, joka pitää jokaisen elektronin tiukasti paikallaan, kutsutaan eristeeksi. Esimerkkejä johtimista ovat kupari, alumiini, hopea ja kulta. Esimerkkejä eristeistä ovat kumi, muovi ja puu. Kuparia käytetään hyvin usein johtimena, koska se on erittäin hyvä johdin ja koska sitä on maailmassa paljon. Kuparia on sähköjohdoissa. Mutta joskus käytetään myös muita materiaaleja.

Johtimen sisällä elektronit pomppivat ympäriinsä, mutta ne eivät kulje yhteen suuntaan pitkään. Jos johtimen sisälle asetetaan sähkökenttä, kaikki elektronit alkavat liikkua kentän suunnan vastakkaiseen suuntaan (koska elektronit ovat negatiivisesti varattuja). Paristo voi luoda sähkökentän johtimen sisälle. Jos langanpätkän molemmat päät liitetään pariston kahteen päähän (joita kutsutaan elektrodeiksi), syntynyttä silmukkaa kutsutaan sähköpiiriksi. Elektronit virtaavat piirin ympäri niin kauan kuin paristo muodostaa sähkökentän johtimen sisälle. Tätä elektronien virtausta piirin ympäri kutsutaan sähkövirraksi.

Sähkövirran johtamiseen käytettävä johdin kääritään usein eristeeseen, kuten kumiin. Tämä johtuu siitä, että virtaa johtavat johdot ovat erittäin vaarallisia. Jos ihminen tai eläin koskisi paljaaseen, virtaa johtavaan johtoon, hän voisi loukkaantua tai jopa kuolla riippuen siitä, kuinka voimakas virta oli ja kuinka paljon sähköenergiaa virta välittää. Sinun on oltava varovainen pistorasioiden ja paljaiden, mahdollisesti virtaa johtavien johtojen lähellä.

Sähkölaite on mahdollista kytkeä virtapiiriin niin, että sähkövirta kulkee laitteen läpi. Tämä virta välittää sähköenergiaa, jotta laite tekee jotain, mitä haluamme sen tekevän. Sähkölaitteet voivat olla hyvin yksinkertaisia. Esimerkiksi hehkulampussa virta kuljettaa energiaa hehkulangaksi kutsutun erikoislangan läpi, mikä saa lampun hehkumaan. Sähkölaitteet voivat olla myös hyvin monimutkaisia. Sähköenergiaa voidaan käyttää sähkömoottorin käyttämiseen työkalussa, kuten porakoneessa tai kynänteroittimessa. Sähköenergiaa käytetään myös nykyaikaisten elektronisten laitteiden, kuten puhelinten, tietokoneiden ja televisioiden, käyttövoimana.

Joitakin sähköön liittyviä termejä

Seuraavassa on muutamia termejä, joihin voi törmätä tutkiessaan, miten sähkö toimii. Sähköä ja sitä, miten se mahdollistaa sähkövirtapiirien toiminnan, kutsutaan elektroniikaksi. On olemassa tekniikan ala nimeltä sähkötekniikka, jossa keksitään uusia asioita sähkön avulla. Kaikki nämä termit on tärkeää tietää.

• Virta on virtaavan sähkövarauksen määrä. Kun 1 coulomb sähköä kulkee jostain ohi 1 sekunnissa, virta on 1 ampeeri. Virran mittaamiseen yhdessä pisteessä käytetään ampeerimittaria.

• Jännite, jota kutsutaan myös "potentiaalieroksi", on virran taustalla oleva "työntövoima". Se on sähkövarausta kohden tehty työmäärä, jonka sähkölähde voi tehdä. Kun 1 coulombin sähköenergialla on 1 joule energiaa, sillä on 1 voltin sähköinen potentiaali. Kahden pisteen välisen jännitteen mittaamiseen käytetään volttimittaria.

• Resistanssi on aineen kyky "hidastaa" virran kulkua eli vähentää varauksen virtausnopeutta aineen läpi. Jos 1 voltin sähköjännite ylläpitää 1 ampeerin virran johtimen läpi, johdon resistanssi on 1 ohmi - tätä kutsutaan Ohmin laiksi. Kun virran kulkua vastustetaan, energia "kuluu" eli se muuttuu muuhun muotoon (kuten valoksi, lämmöksi, ääneksi tai liikkeeksi).

• Sähköenergia on kyky tehdä työtä sähkölaitteiden avulla. Sähköenergia on "säilyvä" ominaisuus, mikä tarkoittaa, että se käyttäytyy kuin aine ja että sitä voidaan siirtää paikasta toiseen (esimerkiksi siirtovälinettä pitkin tai akussa). Sähköenergiaa mitataan jouleina tai kilowattitunteina (kWh).

• Sähköteho on nopeus, jolla sähköenergiaa käytetään, varastoidaan tai siirretään. Sähköenergian virtaus voimajohtoja pitkin mitataan watteina. Jos sähköenergia muunnetaan muuksi energiamuodoksi, se mitataan watteina. Jos osa energiasta muunnetaan ja osa varastoidaan, se mitataan volttiampeereina, tai jos se varastoidaan (kuten sähkö- tai magneettikenttiin), se mitataan volttiampeereina reaktiivisena.

Sähköenergiaa tuotetaan useimmiten paikoissa, joita kutsutaan voimalaitoksiksi. Useimmissa voimalaitoksissa käytetään lämpöä veden keittämiseen höyryksi, joka pyörittää höyrykonetta. Höyrykoneen turbiini pyörittää generaattoriksi kutsuttua konetta. Generaattorin sisällä olevat kierrejohdot pyörivät magneettikentässä. Tämä saa aikaan sen, että johdoissa virtaa sähköä, joka kuljettaa sähköenergiaa. Tätä prosessia kutsutaan sähkömagneettiseksi induktioksi. Michael Faraday keksi, miten tämä tapahtuu.

Monia lämmönlähteitä voidaan käyttää veden keittämiseen generaattoreita varten. Lämmönlähteissä voidaan käyttää uusiutuvia energialähteitä, joissa lämpöenergian tarjonta ei koskaan lopu, ja uusiutumattomia energialähteitä, joissa tarjonta lopulta loppuu.

Joskus luonnonvirtaa, kuten tuuli- tai vesivoimaa, voidaan käyttää suoraan generaattorin pyörittämiseen, jolloin lämpöä ei tarvita.