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.

Ennen 1800-lukua

Staattinen sähkö, hankaussähkö, tunnettiin jo vanhalla ajalla. Sen mainitsi jo Thales.[1] 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. William Gilbert totesi 1500-luvulla, että meripihkan lisäksi monet muutkin aineet kuten lasi, timantti ja eräät muut jalokivet, kovettuneet hartsit, rikki ja sinettilakka saivat hangattaessa samanlaisen vetovoiman. Hän nimitti tällaisia aineita meripihkamaisiksi eli elektrisiksi. Sitä vastoin metallit eivät tulleet hangattaessa sähköisiksi, ei myöskään marmori eikä smaragdi. Tällaisia aineita hän nimitti epäelektrisiksi.[1] Myöhemmin Stephen Gray totesi, että nämä epäelektriset aineet johtavat sähköä eli niiden välityksellä sähkövaraus voitiin siirtää paikasta toiseen.[2] Sähköoppi alkoi tieteenhaarana kuitenkin kehittyä vasta 1700-luvulla. Silloin Charles François Dufay havaitsi, että on olemassa kaksi vastakkaista sähköistä tilaa, joita alkujaan nimitettiin lasi- ja hartsisähköksi[3], kunnes Benjamin Franklin otti käyttöön termit positiivinen ja negatiivinen sähkö.[1] Havaittiin, että samanmerkkiset sähköt hylkivät toisiaan, erimerkkiset vetävät toisiaan puoleensa.[1] Vuonna 1784 Charles Augustin de Coulomb todensi nimeään kantavan lain, jonka mukaan niiden välillä voima on suoraan verrannollinen varausten tuloon ja kääntäen verrannollinen niiden etäisyyden neliöön.[4] Sähköopin huomattavimpiin tutkijoihin kuului myös Benjamin Franklin, joka muun muassa todisti salaman olevan sähköpurkaus.[5] Havainnot antoivat aihetta erilaisiin, keskenään ristiriitaisiin teorioihin sähkön luonteesta. Symmer esitti dualistisen teorian, jonka mukaan oli olemassa kaksi sähköainetta, jotka voivat virrata kappaleesta toiseen. Sähköttömässä kappaleessa oletettiin olevan molempia yhtä paljon, varautuneessa jompaakumpaa toista enemmän. Sähköopin huomattavimpiin tutkijoihin kuulunut Benjamin Franklin taas esitti vähän myöhemmin unitaarisen teorian, jonka mukaan oli vain yksi sähköaine, joka vastasi toista Symmerin teorian sähköaineista. Teorian mukaan varautumattomassa kappaleessa oli tätä ainetta tiettynä, tavallaan normaalina pitoisuutena, mutta kappaleen sähköainepitoisuus oli sitä suurempi tai pienempi, ilmenee erotus positiivisena tai negatiivisena sähkövarauksena[3]. Kysymystä siitä, kumpi teoria on oikea, pidettiin ratkaisemattomana elektronin löytymiseen saakka 1800-luvun lopulle.

1800-luku

Sähköteknisiä havaintoja 1800-luvulla

Vuonna 1800 Alessandro Volta keksi sähköparin, ensimmäisen laitteen, jolla voitiin tuottaa jatkuvaa sähkövirtaa.[6] Pian sen jälkeen keksittiin myös käänteinen ilmiö, elektrolyysi, jossa sähkövirta saa eräissä aineissa aikaan kemiallisia muutoksia.[6] Vuonna 1820 Ørsted havaitsi, että sähkö­virta sai lähellä olevan kompassinneulan kääntymään.[7] Tämä osoitti, että sähköllä ja magnetismilla on läheinen yhteys, ja tästä alkoikin sähkömagnetismin tutkimuksen nopea kehitys. Jo samana vuonna Ampère julkaisi sähkö­virran aiheuttamaa magneettikenttää koskevat lait. Myöhemmin Faraday keksi sähkö­magneettisen induktion eli osoitti, että magneetti­kentän avulla voidaan myös saada aikaan sähkö­virtaa. Tähän ilmiöön perustuukin koko nykyinen sähköenergian tuotanto. 1800-luvun aikana sähkön luonnetta opittiin ymmärtämään monipuolisesti ja luotiin sähköisiin ilmiöihin liittyen jo laajasti sähkömagneettinen teoria. Vuosisadan aikana kehitettiin toimivalle tasolla muun muassa sellaisia sähköisiä laitteita kuin generaattori, sähkömoottori, sähkövalaistus, sähkölennätin ja puhelin.

Sähköopin perusteorioiden kehittyminen 1800-luvulla

Skotlantilainen James Clerk Maxwell, kuuluisa 1800-luvulla elänyt fyysikko. Charles Augustin de Coulomb oli keksinyt 1784 varattujen kappaleiden vuorovaikutusta kuvaavan Coulombin lain[8]. Vuonna 1826 Georg Simon Ohm muotoili Ohmin lain, joka kuvaa sähkövirran, jännitteen ja resistanssin riippuvuuksia vastuksessa. Gustav Robert Kirchhoffin 1845 keksimät Kirchhoffin piirilait kuvaavat jännitteiden käyttäytymistä sähköpiirin silmukassa ja virtojen käyttäytymistä piirin navassa. Sähkö- ja magneettikenttien perusominaisuudet opittiin ymmärtämään 1800-luvun kuluessa. James Clerk Maxwell yhdisti 1864 erilaiset aiemmin havaitut lainalaisuudet kuvaamaan ilmiöitä sähkö- ja magneettikentissä Maxwellin yhtälöiksi:[9] kuinka sähkövaraus tuottaa sähkökentän (Gaussin laki sähkökentille, Carl Friedrich Gauss) kuinka magneettisia monopoleja ei ole olemassa (Gaussin laki magneettikentille, Carl Friedrich Gauss) kuinka muuttuva magneettikenttä tuottaa sähkökentän (Faradayn induktiolaki, Michael Faraday, 1831) ja kuinka sähkövirta ja muuttuva sähkökenttä tuottavat magneettikentän (Ampèren laki, André-Marie Ampère, 1820; Maxwellin lisäys)

Sähkötekniikan alkuajan keksijöitä ja keksintöjä

1800-luvulla sähkötekniikan kehittäminen oli vielä monen keksijän varsin henkilökohtaisten saavutusten varassa. Michael Faraday keksi 1821 ensimmäisen alkeellisen sähkömoottorin sekä kymmenen vuotta myöhemmin sähkömagneettisen induktion. Dynamoja, varhaisia sähkögeneraattoreita, alettiin rakentaa 1830-luvulla. Samuel Morse keksi 1837 sähkölennättimen ja Antonio Meucci vuonna 1849 puhelimen. Sähkömekaaninen rele keksittiin 1840-luvulla ja sitä käytettiin aluksi mm. lennättimissä. Thomas Alva Edison oli tuottelias keksijä, jonka merkittävimpiä saavutuksia olivat fonografi 1877 ja sähkövalaistus vuonna 1879. Emil Berliner keksi 1887 gramofonin ja Guglielmo Marconi radion vuonna 1896. Erilaisia sähkögeneraattoreita kehiteltiin 1800-luvun kuluessa ja sähköä alettiin jo tuottaa kaupallisestikin 1800-luvun lopulla. Sähkövalaistuksen käyttöönotto ajoittuu 1800-luvun lopulle. Edisonin kehittämä hehkulamppu on pääpiirteittäin samanlaisena käytössä edelleen. Suomessa rakennettiin kortteli- tai talokohtaisia valaistussähkölaitoksia 1880-luvulla ja ensimmäinen kaupunkisähkölaitos otettiin käyttöön Tampereella 1888.[10]

1900-luku

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 käyttö 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 energianlähteestä 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