Sähköfaktoja lapsille

Sähkö on sähkövarauksen läsnäoloa ja virtausta. Sähköä käyttämällä voimme siirtää energiaa tavoilla, joiden avulla voimme tehdä yksinkertaisia askareita. Sen tunnetuin muoto on elektronien virtaus johtimien, kuten kuparijohtojen, läpi.

Sanaa ”sähkö” käytetään joskus tarkoittamaan ”sähköenergiaa”. Ne eivät ole sama asia: sähkö on sähköenergian siirtoväline, kuten merivesi on aaltoenergian siirtoväline. Esinettä, joka sallii sähkön liikkua sen läpi, kutsutaan johtimeksi. Kuparijohdot ja muut metalliesineet ovat hyviä johtimia, jotka sallivat sähkön liikkua niiden läpi ja siirtää sähköenergiaa. Muovi on huono johdin (sitä kutsutaan myös eristeeksi), eikä se päästä paljonkaan sähköä kulkemaan sen läpi, joten se estää sähköenergian siirtymisen.

Sähköenergian siirtyminen voi tapahtua luonnossa (kuten salamaniskussa) tai olla ihmisten tekemää (kuten generaattorissa). Sitä voidaan käyttää koneiden ja sähkölaitteiden käyttövoimana. Kun sähkövaraukset eivät liiku, sähköä kutsutaan staattiseksi sähköksi. Kun varaukset liikkuvat, ne muodostavat sähkövirran, jota kutsutaan joskus ”dynaamiseksi sähköksi”. Salama on tunnetuin – ja vaarallisin – luonnossa esiintyvä sähkövirran laji, mutta joskus staattinen sähkö aiheuttaa luonnossa myös asioiden tarttumista toisiinsa.

Sähkö voi olla vaarallista erityisesti veden läheisyydessä, koska vesi on eräänlainen hyvä johdin, koska siinä on epäpuhtauksia kuten suolaa. Suola voi auttaa sähköä kulkemaan. 1800-luvulta lähtien sähköä on käytetty joka puolella elämäämme. Siihen asti se oli vain ukkosmyrskyn salamoissa nähty kuriositeetti.

Sähköenergiaa voi syntyä, jos magneetti kulkee lähellä metallilankaa. Tätä menetelmää käyttää generaattori. Suurimmat generaattorit ovat voimalaitoksissa. Sähköenergiaa voidaan vapauttaa myös yhdistämällä purkissa olevia kemikaaleja ja kahta erilaista metallitankoa. Tätä menetelmää käytetään akussa. Staattista sähköä voi syntyä kahden materiaalin – esimerkiksi villalakin ja muovisen viivoittimen – välisestä kitkasta. Tämä voi synnyttää kipinän. Sähköenergiaa voidaan luoda myös auringon energian avulla, kuten aurinkokennoissa.

Sähköenergia saapuu koteihin johtoja pitkin paikoista, joissa sitä tuotetaan. Sitä käytetään sähkölampuissa, sähkölämmittimissä jne. Monet laitteet, kuten pesukoneet ja sähköliedet, käyttävät sähköä. Tehtaissa sähköenergia pyörittää koneita. Ihmisiä, jotka käsittelevät sähköä ja sähkölaitteita kodeissamme ja tehtaissamme, kutsutaan ”sähköasentajiksi”.

Miten se toimii

Sähkövarauksia, jotka työntävät ja vetävät toisiaan puoleensa,

on olemassa kahta erilaista sähkövarastoa: positiivisia varauksia ja negatiivisia varauksia. Sähkövaraukset työntävät tai vetävät toisiaan, jos ne eivät kosketa toisiaan. Tämä on mahdollista, koska jokainen 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 tuohon pisteeseen laitetaan negatiivinen varaus, sitä työnnetään täsmälleen päinvastaiseen suuntaan.

Se toimii kuten magneetit, ja itse asiassa sähkö luo magneettikentän, jossa samanlaiset varaukset hylkivät toisiaan ja vastakkaiset varaukset vetävät puoleensa. Tämä tarkoittaa sitä, että jos laitat kaksi negaatiota 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 tykkäävät hylkiä”.

Kaikki maailmankaikkeuden aine koostuu pienistä hiukkasista, joilla on positiivinen, negatiivinen tai neutraali varaus. Positiivisia varauksia kutsutaan protoneiksi ja negatiivisia varauksia elektroneiksi. Protonit ovat paljon painavampia 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 isossa 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 muodostaakseen 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 ”tasapainossa”. 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.

Sähkövirta

Elektronit voivat liikkua ympäri materiaalia. Protonit eivät koskaan liiku ympäri kiinteää esinettä, 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 muitakin materiaaleja.

Johtimen sisällä elektronit pomppivat ympäriinsä, mutta ne eivät pysy yhdessä suunnassa pitkään. Jos johtimen sisälle asetetaan sähkökenttä, elektronit alkavat kaikki liikkua vastakkaiseen suuntaan kuin mihin kenttä osoittaa (koska elektronit ovat negatiivisesti varautuneita). 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 käytetty johtava johdin on usein kääritty eristeeseen, kuten kumiin. Tämä johtuu siitä, että virtaa johtavat johdot ovat hyvin 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. On syytä olla varovainen pistorasioiden ja paljaiden, mahdollisesti virtaa johtavien johtojen läheisyydessä.

Sähkölaite on mahdollista liittää virtapiiriin niin, että sähkövirta kulkee laitteen läpi. Tämä virta välittää sähköenergiaa, joka saa laitteen tekemään 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.

Tässä on muutamia termejä, joihin ihminen voi törmätä tutkiessaan, miten sähkö toimii. Tutkimusta sähköstä ja siitä, miten se mahdollistaa sähköpiirit, kutsutaan elektroniikaksi. On olemassa tekniikan ala nimeltä sähkötekniikka, jossa ihmiset keksivät uusia asioita sähkön avulla. Kaikki nämä termit on tärkeää tietää.

• Virta on sähkövarauksen määrä, joka virtaa. Kun 1 coulomb sähköä kulkee jostain ohi 1 sekunnissa, virta on 1 ampeeri. Mitataksemme virran yhdessä pisteessä käytämme ampeerimittaria.

• Jännite, jota kutsutaan myös ”potentiaalieroksi”, on virran takana oleva ”työntövoima”. Se on työn määrä sähkövarausta kohti, jonka sähkölähde voi tehdä. Kun 1 coulombin sähköllä 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 nopeutta, jolla varaus virtaa aineen läpi. Jos 1 voltin sähköjännite ylläpitää 1 ampeerin virran johdon 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 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 virtaukset voimajohtoja pitkin mitataan watteina. Jos sähköenergia muunnetaan muuksi energiamuodoksi, se mitataan watteina. Jos osa siitä muunnetaan ja osa varastoidaan, se mitataan volttiampeereina, tai jos se varastoidaan (kuten sähkö- tai magneettikentissä), se mitataan volttiampeereina reaktiivisena.

Sähköenergian tuottaminen

Sähköenergiaa tuotetaan enimmäkseen paikoissa, joita kutsutaan nimellä ”voimalaitokset”. Useimmissa voimalaitoksissa käytetään lämpöä veden keittämiseen höyryksi, joka pyörittää höyrykonetta. Höyrykoneen turbiini pyörittää konetta, jota kutsutaan ”generaattoriksi”. Generaattorin sisällä olevat kelatut johdot saadaan pyörimään magneettikentässä. Tämä saa aikaan sen, että johdoissa virtaa sähköä, joka kuljettaa sähköenergiaa. Tätä prosessia kutsutaan sähkömagneettiseksi induktioksi. Michael Faraday keksi, miten tämä tehdään.

On monia lämmönlähteitä, joita voidaan käyttää sähköenergian tuottamiseen. Lämmönlähteet voidaan jakaa kahteen tyyppiin: uusiutuviin energialähteisiin, joissa lämpöenergian tarjonta ei koskaan lopu, ja uusiutumattomiin energialähteisiin, joissa tarjonta loppuu aikanaan.

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

Kuvia lapsille

• 

  Thales, varhaisin tunnettu sähkön tutkija

• 

  Benjamin Franklin tutki laajasti sähköä 1700-luvulla, kuten Joseph Priestleyn (1767) teos History and Present Status of Electricity osoittaa, jonka kanssa Franklin kävi laajaa kirjeenvaihtoa.

• 

  Michael Faradayn löydöt muodostivat perustan sähkömoottoritekniikalle

• 

  Kullan lataus kultalähteenä.lehtien sähköskooppi saa lehdet näkyvästi hylkimään toisiaan

• 

  Sähkökaari antaa energisen demonstraation sähkövirrasta

• 

  Tasojohtimen yläpuolella olevasta positiivisesta varauksesta lähtevät kenttälinjat

• 

  Pari AA-paria. +-merkki ilmaisee pariston napojen välisen potentiaalieron napaisuuden.

• 

  Magneettikenttä kiertää virran ympärillä

• 

  Sähkömoottorissa hyödynnetään erästä tärkeätä sähkömagnetismin vaikutusta: magneettikentän läpi kulkeva virta kokee voiman, joka on suorassa kulmassa sekä kenttään että virtaan nähden

• 

  Italialainen fyysikko Alessandro Volta esittelee ”akkuaan” Ranskan keisarille Napoleon Bonapartelle 1800-luvun alussa.

• 

  Sähköpiirin perusrakenne. Vasemmalla oleva jännitelähde V ajaa virran I piirin ympäri, jolloin sähköenergiaa kulkee vastukseen R. Vastuksesta virta palaa takaisin lähteeseen, jolloin virtapiiri on valmis.

• 

  Pinta-asennettavat elektroniikkakomponentit

• 

  Budapestiläinen 1900-luvun alkupuolelta peräisin oleva vaihtovirtageneraattori, Unkarissa, vesivoimalaitoksen sähköntuotantohallissa (Prokudin-Gorskin kuva, 1905-1915).

• 

  Tuulivoiman merkitys kasvaa monissa maissa

• 

  Sähköankerias, Electrophorus electricus