Sähkö

Sähkö on erittäin pitkälle jalostettu energianmuoto. Sen tuotantoa edeltävät monet välivaiheet.

Sähköiskun vaarasta varoittava merkki.

Salama on luonnossa tapahtuva sähköpurkaus.

Sähkö on sähkövarausten ylijäämästä (negatiivinen varaus) tai alijäämästä (positiivinen varaus) ja varattujen hiukkasten, yleensä elektronien, liikkeestä syntyvä luonnonilmiö.

Sähkön vanha nimi elektrisiteetti tulee kreikan meripihkaa tarkoittavasta sanasta ἤλεκτρον (ḗlektron). Sanan sähkö keksi 1840-luvulla suomen kielen kehittäjä, lääketieteen ja kirurgian tohtori Samuel Roos. Samoihin aikoihin Elias Lönnrot ehdotti elektrisiteetin suomenkieliseksi vastineeksi sanaa lieke, joka ei kuitenkaan vakiintunut käyttöön.

Sähkövaraus ja sähkövirta

Sähkövaraus on viime kädessä alkeishiukkasten perusominaisuus, joka liittyy niiden välillä vaikuttavaan sähkömagneettiseen vuorovaikutukseen. On olemassa kaksi vastakkaista sähkövarausta, positiivinen ja negatiivinen. Samanmerkkiset varaukset työntävät toisiaan luotaan, erimerkkiset vetävät toisiaan puoleensa. Coulombin lain mukaan tämä voima on suoraan verrannollinen molempien varausten tuloon ja kääntäen verrannollinen niiden välimatkan neliöön. Sähkövarauksen ympärillä on sähkökenttä, liikkeessä olevan varauksen ympärillä lisäksi magneettikenttä. Näitä kenttiä kuvaavat Maxwellin yhtälöt, jotka osoittavat sähkön ja magnetismin välisen yhteyden.

Aineen perushiukkasista protoneilla on positiivinen, elektroneilla negatiivinen varaus. Protoneja on atomiytimissä, elektroneja atomissa ytimen ympärillä. Normaalisti atomissa on yhtä monta elektronia kuin protonia, jolloin se kokonaisuutena on sähköisesti neutraali, mutta elektroneja voi myös siirtyä atomista toiseen, jolloin syntyy sähköisesti varattuja ioneja. Monet kiinteät aineet koostuvatkin ioneista eli ovat ioniyhdisteitä.

Yleensä makroskooppisissa kappaleissa on yhtä paljon positiivista ja negatiivista sähköä. Eräissä tapauksissa, esimerkiksi hangattaessa kahta kappaletta toisiaan vastaan, elektroneja tai ioneja voi kuitenkin siirtyä kappaleesta toiseen, jolloin molemmat saavat yhtä suuren, mutta vastakkaismerkkisen sähkövarauksen eli syntyy staattista sähköä.

Sähkövirta on ilmiö, jossa sähkövarauksellisia hiukkasia siirtyy tiettyyn suuntaan. Metallijohtimissa sähkövirta on elektronien, elektrolyyteissä sen sijaan ionien liikettä. Hetkellinen sähkövirta, sähköpurkaus, syntyy, kun vastakkaismerkkisesti varautuneiden kappaleiden välille asetetaan johdekappale. Tällöin elektronit virtaavat ylijäämästä alijäämään, kunnes varaukset ovat tasoittuneet. Jatkuva sähkövaraus voidaan saada aikaan muuttuvan magneettikentän tai kemiallisten reaktioiden avulla. Sähköneristeessä, esimerkiksi sähköjohdon muovipäällysteessä, elektronit eivät voi edetä, joten siihen ei myöskään muodostu sähkövirtaa.

Sähkövirta on saanut nykyajan teknologiassa erittäin keskeisen merkityksen, koska sen avulla voidaan tehokkaasti siirtää energiaa paikasta toiseen ja sen avulla toimivat mitä erilaisimmat sähkölaitteet.

Sähkön historiaa

Pääartikkeli: Sähkön ja elektroniikan historia

Benjamin Franklin oli merkittävä sähkön tutkija.

Hankaussähkö tunnettiin jo vanhalla ajalla. Sen mainitsi jo Thales. Tiedettiin, että varsinkin meripihka saa hangattaessa kyvyn vetää puoleensa lähellä olevia kevyitä esineitä ja saattaa lisäksi kipinöidä. Useissa nykyisissäkin kielissä sähköä tarkoittavat sanat johtuvat kreikan meripihkaa tarkoittavasta sanasta ελεκτρον, elektron.

Sähköoppi alkoi tieteenhaarana kuitenkin kehittyä vasta 1700-luvulla. Silloin havaittiin, että on olemassa kaksi vastakkaista sähköistä tilaa, joita alkujaan nimitettiin lasi- ja hartsisähköksi, myöhemmin positiiviseksi ja negatiiviseksi varaukseksi. Havaittiin, että samanmerkkiset varaukset hylkivät toisiaan, erimerkkiset vetävät toisiaan puoleensa. Myöhemmin Charles Augustin de Coulomb todensi nimeään kantavan lain, jonka mukaan niiden välinen voima on suoraan verrannollinen varausten tuloon ja kääntäen verrannollinen niiden etäisyyden neliöön. Sähköopin huomattavimpiin tutkijoihin kuului myös Benjamin Franklin, joka muun muassa todisti salaman olevan sähköpurkaus.

Vuonna 1800 Alessandro Volta keksi sähköparin, ensimmäisen laitteen, jolla voitiin tuottaa sähkövirtaa. 1800-luvun aikana sähkön luonnetta opittiin ymmärtämään monipuolisesti ja luotiin sähköisiin ilmiöihin liittyen jo laajasti sähkömagneettinen teoria. Myöhemmin Michael Faraday havaitsi, että sähkövirtaa voitiin tuottaa myös sähkömagneettisen induktion avulla, mihin perustuvat kaikki nykyiset sähkögeneraattorit. Vuosisadan loppupuolella sähkövirta sai jo suuren käytännöllisen merkityksen, kun kehitettiin toimivalle tasolle muun muassa sähkömoottori, sähkövalaistus, sähkölennätin ja puhelin. Ensin suurimmissa kaupungeissa, vähitellen muuallakin alettiin sähköenergiaa tuottaa ja jaella sekä teollisuuteen että yksityiskoteihin.

1900-luvulla sähkötekniikan merkitys kasvoi jatkuvasti, kun moninaiset sähkömoottorikäyttöiset koneet otettiin käyttöön. Sähkötekniikan perusteelle kehittyi nopeasti laajentuvaksi tekniikanalaksi myös elektroniikka, ja vuosisadan kuluessa kehitettiin ja otettiin käyttöön monet elektroniset laitteet: esimerkiksi radio, televisio, tietokoneet ja matkapuhelimet. Elektroniikka sai monia sovellutuksia teollisuudessa, lääketieteessä tekniikassa, tieteellisessä tutkimuksessa, ajoneuvoissa ja viihde-elektroniikkalaitteissa. 1900-luvun lopulla lähes kaikki tekniikan alat käyttivät jo sähkötekniikkaa ja elektroniikkaa avuksi.

Sähköenergian tuottaminen ja siirtäminen

Pääartikkeli: Sähköntuotanto

Tuulivoiman kasvu sähköntuotannossa on kasvanut viime vuosina.

Sähkövirtaa voidaan saada aikaan sähkömagneettisen induktion tai eräiden kemiallisten reaktioiden avulla. Kemiallisia reaktioita käytetään sähkövirran tuottamiseen paristoissa ja polttokennoissa. Niistä saatava virta on tasavirtaa. Akku on kemiallinen keino sähköenergian varastoimiseen. Sähkövoimaloissa sähkövirtaa tuotetaan sähkömagneettiseen induktioon perustuvien generaattorien avulla. Aurinkoenergiaa voidaan muuttaa sähköenergiaksi myös aurinkokennon avulla.

Sähkögeneraattorit muuttavat jostakin ulkoisesta oiden energianlähteenä saatavaa energiaa sähköenergiaksi, joka siirretään sähkövirran avulla käyttökohteeseen. Sähkövoimaloiden energianlähteinä käytetään muun muassa vesivoimaa, ydinvoimaa, kivihiilen tai muun polttoaineen palamisesta syntyvää kemiallista energiaa, tuulivoimaa, aurinkoenergiaa ja maalämpöa.

Sähkö siirretään käyttökohteisiin (esimerkiksi tehtaisiin ja kotitalouksiin) sähkönsiirtoverkkoa pitkin. Valtakunnallisessa siirtoverkossa on monia muuntamoja, joissa sähkön jännitetasoa vaihdetaan kyseiselle siirtovälille soveltuvaksi.

Sähkön käyttö

Useat teollisuuden ja kotien koneista ja laitteista toimivat nykyään sähköllä. Sähkölämmitys toimii muuttamalla sähköisissä vastuksissa sähkövirta lämpöenergiaksi. Sähkömoottorit käyttävät monia kodinkoneita, kuten kylmäkoneita, vatkaimia, pölynimureita, astianpesukoneita ja pyykinpesukoneita, sekä pyörittävät teollisuuden ja maatalouden tuotantorakennuksissa sijaitsevia koneita. Sähkömoottoreissa sähköinen energia muuttuu mekaaniseksi energiaksi. Radio, televisio ja puhelin ovat sähköllä toimivia elektronisia laitteita. Valaistus on maailman suurin yksittäinen sähkönkuluttaja.

Sähköiset suureet ja niiden käyttö

Jännite (sähköinen potentiaaliero) on volteissa mitattava eräänlainen sähkön "voimakkuuden" yksikkö, jota voidaan verrata vesiputouksen korkeuteen tai hydraulisen laitteen paineeseen. Verkkojännite Suomessa on 230 volttia nollajohtimen ja vaihejohtimen välillä (kahden vaihejohtimen välinen jännite on 400 V). Pienen pariston jännite voi olla 1,5 volttia.

Sähkövirtaa mitataan ampeereissa. Sähkövirta verrastetaan usein veden virtaukseen. Tyypillinen kodin sähkötaulun sulake rajoittaa virran 10 tai 16 ampeeriin.

Sähkön tuottamaa tehoa mitataan wateissa tai kilowateissa. Esimerkiksi sähkölämmittimen teho saattaa olla 2 000 wattia. Yleisesti teho on virran ja jännitteen tulo, kun kyseessä on puhtaasti resistiivinen kuorma.

Energiaa mitataan yleensä sähköisissä yhteyksissä kilowattitunteina (kWh), vaikka joule onkin yleinen energian yksikkö. Jos kahta kilowatin tehoista laitetta käytetään kolmen tunnin ajan, energiaa kuluu 6 kilowattituntia.

Sähkön tutkimus

Sähköä ja siihen liittyviä ilmiöitä tutkii sähköoppi ja sen alaisina sähködynamiikka, sähkömagnetismi ja sähköstatiikka. Sähköenergian tuottamista ja siirtämistä tutkii sähkövoimatekniikka. Elektroniikka on taas ala, joka tutkii ja kehittää elektronisista komponenteista tehtyjä laitteita kuten vaikkapa radioita ja laskimia. Automaatio käsittelee esimerkiksi tehtaiden sähköisiä tuotantolinjoja. Sähkövoimatekniikka, automaatio ja elektroniikka ovat sähkötekniikan eri alueita.

Katso myös

• Sähköntuotanto
• Sähkövalo
• Sähkön hinnan määräytyminen

Kirjallisuutta

• Ismo Lindell: Sähkön pitkä historia. Gaudeamus, 2009.
• Karttunen, Hannu: Fysiikka. Tiedettä kaikille. Ursan julkaisuja 89. Helsingissä: Tähtitieteellinen yhdistys Ursa, 2006. ISBN 952-5329-32-1.

Aiheesta muualla

• LTY:n sähkötekniikan peruskurssin kalvot
• Energianet.fi Sähkön kilpailutus