Sähkö

Sähkö on luonnonilmiö, joka liittyy sähkövaraukseen. Sähkön virtaaminen (virta) on varattujen hiukkasten, yleensä elektronien, liikettä. Elektronit saa liikkeelle sähköinen potentiaali eli jännite. Sähkö liittyy yhteen perusvuorovaikutuksista, sähkömagneettiseen vuorovaikutukseen.
Sähkö on myös monin eri tavoin tuotettavissa oleva energian muoto. Se on keino siirtää energiaa pitkiä matkoja sähköverkon avulla, mutta sen varastoiminen on hankalaa.
Sanan alkuperä.
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. Hän sanoi, että kyseessä on "sähähtämällä säkenöiminen". Samoihin aikoihin Elias Lönnrot ehdotti elektrisiteetin suomenkieliseksi vastineeksi sanaa "lieke", joka ei kuitenkaan vakiintunut käyttöön.
Käsitteitä.
Sähkövaraus.
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.
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.
Sähkökenttä.
Idean sähkökentästä esitteli Michael Faraday. Sähkökenttä muodostuu sähkövarauksen ympärille, ja aiheuttaa voiman sähkökenttään asetettuun varattuun kappaleeseen. Sähkökenttä vaikuttaa kahden varauksen välillä samalla tavalla kuin gravitaatiokenttä vaikuttaa kahden massan välillä. Kuten gravitaatiokentän voimakkuus, myös sähkökentän voimakkuus on kääntäen verrannollinen etäisyyden neliöön. Sähkökentän aiheuttama voima voi olla joko veto- tai hylkimisvoima.
Sähköinen potentiaali.
Sähköinen potentiaali liittyy läheisesti sähkökenttään. Sähkökenttään asetettuun varattuun hiukkaseen kohdistuu voima. Hiukkasen siirtäminen voimaa vastaan vaatii työtä. Sähköinen potentiaali missä tahansa sähkökentän pisteessä on määritelty energiana, joka vaaditaan testivarauksen siirtämiseen tähän pisteeseen äärettömän pitkän välimatkan päästä. Yleensä sähköinen potentiaali mitataan volteissa. Jännitteeksi kutsutaan sähkökentän kahden pisteen välillä olevaa sähköistä potentiaalieroa.
Käytännön syistä on järkevää määritellä vertauspiste, johon potentiaalieroa verrataan. Tämä piste voisi olla äärettömyydessä, mutta on kätevämpää verrata potentiaalieroa Maahan. Vertauspisteen nimenä on siten luonnollisesti maa. Maan oletetaan olevan sähköisesti varautumaton.
Sähkön historiaa.
Ennen 1800-lukua.
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 ηλεκτρον, 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.
1800-luku.
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. Maailman ensimmäinen sähköntuotantolaitos avattiin New Yorkissa vuonna 1882.
1900-luku.
1900-luvulla sähkötekniikan merkitys kasvoi jatkuvasti, kun moninaiset sähkömoottorikäyttöiset koneet otettiin käyttöön. Sähkötekniikan pohjalta kehittyi nopeasti myös elektroniikka, ja vuosisadan kuluessa kehitettiin ja otettiin käyttöön monet elektroniset laitteet: esimerkiksi radio, televisio, tietokoneet ja matkapuhelimet. Elektroniikka sai monia sovellutuksia teollisuudessa, lääketieteellisessä tekniikassa, tieteellisessä tutkimuksessa, ajoneuvoissa ja viihde-elektroniikkalaitteissa. 1900-luvun lopulla lähes kaikki tekniikan alat käyttivät jo sähkötekniikkaa ja elektroniikkaa avuksi.
Sähköenergian tuottaminen ja siirtäminen.
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 ja aurinkoenergiaa.
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. Teollisuus on maailman suurin yksittäinen sähkönkuluttaja.
Sähköiset suureet ja niiden käyttö.
Jännite (sähköinen potentiaaliero) on volteissa (V) mitattava eräänlainen sähkön "voimakkuuden" yksikkö, jota voidaan verrata vesivoimalan putouskorkeuteen 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 (A). Sähkövirta rinnastetaan usein nesteen virtaukseen vesiputouksessa tai hydraulisessa järjestelmässä. Tyypillinen kodin sähkötaulun sulake rajoittaa virran 10 tai 16 ampeeriin.
Sähkön tuottamaa tehoa mitataan wateissa (W) tai kilowateissa (kW). Esimerkiksi sähkölämmittimen teho saattaa olla 2 000 W. Yleisesti teho on virran ja jännitteen tulo, kun kyseessä on puhtaasti resistiivinen kuorma. 230 V sähköverkossa 2 000 W lämmittimen virta on noin 9 A.
Energiaa mitataan yleensä sähköisissä yhteyksissä kilowattitunteina (kWh), vaikka joule onkin yleinen energian ja tehdyn työn yksikkö. Jos esimerkiksi kahden kilowatin tehoista laitetta käytetään kolmen tunnin ajan, energiaa kuluu 6 kWh.
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.