Sähkö on useimmille ihmisille arkipäiväinen ja elintärkeä ilmiö. Ja kuten kaikkia tuttuja asioita, niitä huomataan harvoin. Harva kysyy, mistä se tulee, miten se toimii tai mitä sillä voidaan tehdä. Sitä on kuitenkin tutkittu jo kauan ennen Kristusta, ja jotkin mysteerit ovat edelleen vailla vastauksia.
Sisältö
Mitä tarkoitetaan sähkövirralla
Sähkö on monimutkainen ilmiö, johon liittyy sähkövarauksia. Yleisimmin käytetty sana, jolla viitataan sähkövirtaan ja kaikkiin sen aiheuttamiin prosesseihin.
Sähkövirta on sähkökentän vaikutuksesta tapahtuvaa varausta kantavien hiukkasten suuntaista liikettä.
Kuka keksi sähkön - historia
Sähkön erityisiä ilmenemismuotoja on tutkittu jo kauan ennen meidän aikakauttamme. Mutta niiden yhdistäminen yhdeksi teoriaksi, jolla selitettäisiin salamoiden välähdykset taivaalla, esineiden vetovoima, kyky aiheuttaa tulipaloja ja turruttaa ruumiinosia tai jopa ihmisen kuolema, on osoittautunut haasteelliseksi.
Tutkijat ovat tutkineet sähkön kolmea ilmenemismuotoa jo antiikin ajoista lähtien:
- Kalat tuottavat sähköä;
- Staattinen sähkö.;
- Magnetismi.
Muinaisessa Egyptissä parantajat olivat tietoisia Niilimonnin oudoista kyvyistä ja yrittivät käyttää sitä päänsärkyjen ja muiden vaivojen hoitoon. Muinaiset roomalaiset lääkärit käyttivät sähköpistiäistä vastaaviin tarkoituksiin. Muinaiset kreikkalaiset tutkivat yksityiskohtaisesti rauskujen outoja kykyjä ja tiesivät, että otus pystyi tainnuttamaan ihmisen ilman suoraa kosketusta kolmikärjen ja kalaverkkojen avulla.
Hieman aikaisemmin oli havaittu, että jos meripihkaa hierotaan villapalaan, se alkaa vetää puoleensa villaa ja pieniä esineitä. Myöhemmin löydettiin myös toinen materiaali, jolla oli samanlaiset ominaisuudet, turmaliini.
Noin 500 eKr. Intialaiset ja arabialaiset tiedemiehet tunsivat aineita, jotka kykenivät vetämään puoleensa rautaa, ja käyttivät tätä kykyä aktiivisesti eri aloilla. Noin 100 eKr. kiinalaiset tiedemiehet keksivät magneettikompassin.
Vuonna 1600 William Gilbert, Elisabet I:n ja Jaakko I:n hovilääkäri, havaitsi, että koko planeetta oli yksi valtava kompassi, ja esitteli käsitteen "sähkö" (kreikan kameerista). Hänen kirjoituksissaan meripihkan hieromista villaan koskevat kokeet ja kompassin kyky osoittaa pohjoiseen alkoivat yhdistyä yhdeksi teoriaksi. Alla olevassa kuvassa hän esittelee magneettia Elisabet I:lle.
Vuonna 1633 insinööri Otto von Guericke keksi sähköstaattisen koneen, joka voi sekä vetää puoleensa että hylkiä esineitä, ja vuonna 1745 Pieter van Muschenbroek rakensi maailman ensimmäisen sähkövarauksen akun.
Vuonna 1800 italialainen Alessandro Volta keksii ensimmäisen sähköenergian virtalähde - sähköakku, joka tuottaa tasavirta. Hän pystyi myös lähettämään sähkövirtaa pitkän matkan päähän. Monet pitävätkin tätä vuotta sähkön keksimisvuonna.
Vuonna 1831 Mike Faraday löysi sähkömagneettisen induktion ilmiön ja avasi tien erilaisten sähkövirtaan perustuvien laitteiden keksimiselle.
1800- ja 1900-lukujen vaihteessa Nikola Teslan työn ansiosta tehtiin valtava määrä löytöjä ja edistysaskeleita. Hän keksi muun muassa korkeataajuusgeneraattorin ja muuntajasähkömoottori, radiosignaalien antenni.
Sähkön tiede
Sähkö on luonnollinen ilmiö. Sitä tutkitaan osittain biologian, kemian ja fysiikan oppiaineissa. Sähkövarauksia tutkitaan perusteellisimmin elektrodynamiikan - yhden fysiikan osa-alueen - puitteissa.
Sähkön teoriat ja lait
Sähköä koskevia lakeja on vähän, mutta ne kuvaavat ilmiötä täysin:
- Energian säilymislaki on peruslaki, jota myös sähköiset ilmiöt noudattavat;
- Ohmin laki - sähkövirran peruslaki;
- Sähkömagneettisen induktion laki - sähkömagneettisista ja magneettikentistä;
- Amperen laki - kahden johtimen ja virran vuorovaikutuksesta;
- Joule-Lenzin laki - sähkön lämpövaikutuksesta;
- Coulombin laki - sähköstaattisista ilmiöistä;
- Oikean ja vasemman käden säännöt - magneettikentän voimaviivojen ja magneettikentässä johtimeen vaikuttavan ampeerivoiman suuntien määrittäminen;
- Lenzin sääntö - induktiovirran suunnan määrittäminen;
- Faradayn lait - elektrolyysistä.
Ensimmäiset kokeet sähköllä
Ensimmäiset sähköä koskevat kokeilut olivat luonteeltaan lähinnä viihdyttäviä. Niiden ydin oli kevyitä esineitä, jotka vetivät puoleensa ja hylkivät toisiaan huonosti tunnetun voiman vaikutuksesta. Toinen viihdyttävä kokemus oli sähkönsiirto kädestä pitävien ihmisten ketjun kautta. Sähkön fysiologisia vaikutuksia tutki aktiivisesti Jean Nollet, joka pakotti sähkövarauksen 180 ihmisen läpi.
Mistä sähkövirta koostuu
Sähkövirta on varattujen hiukkasten (elektronien, ionien) suunnattu tai järjestetty liike. Tällaisia hiukkasia kutsutaan sähkövarauksen kantajiksi. Jotta liikettä voisi tapahtua, aineessa on oltava vapaita varattuja hiukkasia. Varautuneiden hiukkasten kyky liikkua aineessa määrittää aineen johtavuuden. Johtavuuden mukaan aineet jaetaan johtimiin, puolijohteisiin, dielektrisiin aineisiin ja eristeisiin.
Metalleissa elektronit siirtävät varausta. Itse aine ei virtaa pois - metalli-ionit ovat tiukasti kiinni rakenteen solmupisteissä ja värähtelevät vain hieman.
Nesteissä ionit kantavat varauksen: positiivisesti varautuneet kationit ja negatiivisesti varautuneet anionit. Hiukkaset ryntäävät kohti vastakkaisen varauksen omaavia elektrodeja, joissa ne muuttuvat neutraaleiksi ja laskeutuvat pois.
Kaasuissa plasma muodostuu voimien vaikutuksesta, joilla on erilaiset potentiaalit. Vapaat elektronit ja ionit kantavat varausta molemmista navoista.
Puolijohteissa varauksen kuljettavat elektronit, jotka kulkevat atomista toiseen ja jättävät jälkeensä aukkoja, joita pidetään positiivisesti varattuina.
Mistä sähkövirta tulee?
Sähkö, joka virtaa johtojen kautta koteihin, tuotetaan sähkögeneraattorilla erilaisissa voimalaitoksissa. Näissä generaattori on kytketty jatkuvasti pyörivään turbiiniin.
Suunnittelu generaattorin on roottori eli kela, joka on sijoitettu magneetin napojen väliin. Kun turbiini pyörittää tätä roottoria, magneettikenttään indusoituu tai syntyy sähkövirta fysiikan lakien mukaisesti. Generaattorin tarkoituksena on siis muuntaa pyörimisestä aiheutuva liike-energia sähköksi.
Turbiini voidaan saada pyörimään monin eri tavoin ja eri energialähteitä käyttäen. Nämä jaetaan kolmeen tyyppiin:
- Uusiutuva - energia, joka on peräisin ehtymättömistä luonnonvaroista: vesivirroista, auringonvalosta, tuulesta, geotermisistä lähteistä ja biopolttoaineista;
- Uusiutumaton - energia, joka on peräisin luonnonvaroista, joita syntyy hyvin hitaasti, kulutuksen tahtiin nähden suhteettomasti: hiili, öljy, turve, maakaasu;
- Ydinvoima - solujen ydinfissioprosessista peräisin oleva energia.
Sähköä saadaan useimmiten seuraavien laitteiden toiminnasta:
- Vesivoimalaitokset (HPP) - rakennetaan jokien varteen ja valjastetaan veden virtauksen voima;
- Lämpövoimalaitokset (TPP) - toimivat polttoaineen polttamisesta saatavalla lämpöenergialla;
- Ydinvoimalaitokset - toimivat ydinreaktioprosessista saatavalla lämpöenergialla.
Muunnettu energia kulkee johtoja pitkin muuntaja- ja kytkinasemille ja sieltä loppukuluttajalle.
Nykyään kehitetään aktiivisesti niin sanottuja vaihtoehtoisia energiamuotoja. Näitä ovat tuuliturbiinit, aurinkopaneelit, geotermisten energialähteiden käyttö ja kaikki muut keinot, joilla sähköä saadaan epätavallisista ilmiöistä. Vaihtoehtoiset energialähteet ovat suorituskyvyltään ja takaisinmaksukyvyltään paljon huonompia kuin perinteiset energialähteet, mutta tietyissä tilanteissa ne auttavat säästämään rahaa ja vähentämään sähköverkon kuormitusta.
On myös myytti olemassaolosta BTGS - Polttoaineeton generaattori. Internetissä on videoita, joissa näytetään, miten ne toimivat, ja niitä tarjotaan myyntiin. Näiden tietojen aitoudesta on kuitenkin paljon kiistaa.
Sähkön tyypit luonnossa
Yksinkertaisin esimerkki luonnossa esiintyvästä sähköstä on salama. Pilvien vesihiukkaset törmäävät jatkuvasti toisiinsa ja varautuvat positiivisesti tai negatiivisesti. Kevyemmät, positiivisesti varautuneet hiukkaset päätyvät pilven yläosaan, kun taas raskaammat, negatiivisesti varautuneet hiukkaset liikkuvat alaspäin. Kun kaksi tällaista pilveä on riittävän lähellä toisiaan, mutta eri korkeuksilla, toisen pilven negatiiviset hiukkaset vetävät puoleensa toisen pilven positiivisia varauksia. Tällöin tapahtuu salamointi. Tätä ilmiötä esiintyy myös pilvien ja maapallon pinnan välillä.
Toinen sähkön ilmentymä luonnossa ovat kalojen, rauskujen ja ankeriaiden erityiselimet. Ne voivat käyttää niitä luodakseen sähkövarauksia puolustautuakseen saalistajilta tai tainnuttaakseen uhrinsa. Niiden potentiaali vaihtelee ihmiselle näkymättömistä hyvin heikoista purkauksista tappaviin. Jotkut kalat luovat ympärilleen heikon sähkökentän, joka auttaa niitä löytämään saaliinsa ja navigoimaan sameassa vedessä. Mikä tahansa fyysinen esine vääristää sitä tavalla tai toisella, mikä auttaa sinua luomaan ympäristösi uudelleen ja "näkemään" ilman silmiäsi.
Sähkö ilmenee myös elävien organismien hermostossa. Hermoimpulssi välittää tietoa solulta toiselle, minkä ansiosta voit reagoida ulkoisiin ja sisäisiin ärsykkeisiin, ajatella ja hallita liikkeitäsi.
Aiheeseen liittyvät artikkelit:
