1. Sähkövaraus
Johdanto
Seuraat ukkosrintaman lähestymistä ikkunasta. Näet, kuinka salamat iskevät pilvestä toiseen sekä pilvestä maahan. Samalla kuulet ukkosen jyrähtelevän.
Yötaivas on valaistunut siniseksi salamaniskusta.
Sähkövaraus
Aine koostuu atomeista. Negatiivisesti varautuneet elektronit kiertävät atomin ydintä. Ydin koostuu positiivisesti varautuneista protoneista ja varauksettomista neutroneista. Negatiivisesti varautuneen elektronin sähkövaraus on yhden alkeisvarauksen suuruinen. Protonin varaus on yhtä suuri, mutta se on positiivinen. Atomi on varaukseton, koska atomissa on aina yhtä monta protonia kuin elektroneja.
Atomin pääosat ovat ydin ja elektronipilvi. Ydin koostuu positiivisista protoneista ja varauksettomista neutroneista. Elektronipilvessä on elektroneja.
Hankaussähköä muodostuu hankauksessa
Kappaleet sähköistyvät hankauksen seurauksena. Materiaalien välillä on eroja sen suhteen, miten ne varautuvat eli sähköistyvät. Esimerkiksi muovit sähköistyvät helposti ja metallit heikosti. Hankauksessa elektroneita siirtyy kappaleeseen tai kappaleesta pois. Tämän seurauksena kappaleesta tulee sähköisesti varautunut. Kun kappaleeseen siirtyy elektroneja, saa kappale negatiivisen varauksen. Kun kappaleesta siirtyy pois elektroneja, kappale saa positiivisen varauksen. Ilmiötä kutsutaan hankaussähköksi.
Varautuneesta kappaleesta käytetään mallia, jossa yhdellä +- tai –-merkillä osoitetaan kappaleen kokonaisvaraus. Kappale ilman +- tai –-merkkiä on varaukseton eli sähköisesti neutraali.
Kappaleen hankaaminen toista pintaa vasten mahdollistaa elektronien siirtymisen kappaleesta toiseen, vaikka atomin ydin vetää niitä sähköisesti puoleensa. Atomin ytimeen hankaaminen ei vaikuta, koska ytimen hiukkaset ovat niin voimakkaassa vuorovaikutuksessa keskenään.
Sähköinen vuorovaikutus
Varautuneiden hiukkasten välillä on sähköinen vuorovaikutus, joka on luonteeltaan etävuorovaikutus. Varautuneiden hiukkasten välillä voi esiintyä sähköisiä veto- ja poistovoimia. Samanmerkkisesti varautuneiden kappaleiden välillä esiintyy sähköinen poistovoima. Erimerkkisesti varautuneiden kappaleiden välillä esiintyy sähköinen vetovoima.
Varausten välillä on veto- ja poistovoimia.
Ilmapalloja hangataan eri materiaaleilla, jolloin ne saavat sähkövarauksen. Tämän seurauksena niiden välille syntyy sähköisiä vuorovaikutuksia. Millaisia vuorovaikutuksia ilmapallojen välillä esiintyy?
Sähkökenttä
Sähköisesti varautunut kappale luo ympärilleen sähkökentän. Sähkökenttää käytetään havainnollistamaan sähköistä vuorovaikutusaluetta. Sähkökenttää havainnollistetaan kenttäviivoilla. Kentän suunta on poispäin positiivisesta varauksesta ja kohti negatiivista varausta. Kenttäviivojen tiheys kertoo kentän voimakkuuden.
Polarisaatio
Eriste on aine, jossa elektronit pääsevät liikkumaan huonosti. Esimerkiksi erilaiset muovit ja puu ovat hyviä eristeitä. Jos eristekappaleen lähelle tuodaan varautunut kappale, se saa eristekappaleessa aikaiseksi sen atomien tai molekyylien kääntymisen eli polarisaation. Polarisaation seurauksena myös neutraalit eristekappaleet vuorovaikuttavat varatun kappaleen kanssa. Kyseessä on aina sähköinen vetovoima. Pölyn kerääntyminen sähkölaitteiden pinnoille johtuu polarisaatiosta.
Varattu kappale (kuvassa ilmapallo) saa aikaan eristeessä atomien tai molekyylien kääntymisen eli polarisaation. Jos kappale on varautunut negatiivisesti, eristeen atomit tai molekyylit kääntyvät siten, että varatun kappaleen puoleinen osa eristeestä saa positiivisen varauksen. Eriste saa puolestaan negatiivisen varauksen, jos kappale on varautunut positiivisesti.
Videolla havainnollistetaan polarisaatiota.
Sähköinen influenssi
Johde on aine, jossa elektronit pääsevät liikkumaan hyvin. Esimerkiksi metallit ja grafiitti ovat hyviä johteita. Jos johdekappaleen lähelle tuodaan varautunut kappale, se saa johdekappaleessa aikaiseksi varausten jakautumisen eli sähköisen influenssin.
Videolla havainnollistetaan sähköistä influenssia.
Salaman synty
Salama on erittäin voimakas kipinäpurkaus. Niitä syntyy, kun kesäpäivänä lämmin, harvempi ilma kohoaa ylöspäin.
Kylmässä pilvessä ylöspäin kulkevat virtaukset kuljettavat ylöspäin jääkiteitä, jotka hankautuvat pilvessä oleviin lumirakeisiin. Lumirakeet saavat negatiivisen ja jääkiteet positiivisen sähkövarauksen. Syntyneen ukkospilven alareuna saa negatiivisen sähkövarauksen ja yläreuna positiivisen sähkövarauksen. Polarisaation vaikutuksesta pilven alapuolinen maanpinta saa positiivisen varauksen. Kun varausero eli jännite kasvaa riittävän suureksi, se purkautuu salamana.
Salamatyyppejä on useita. Yleisimpiä ovat pilvestä maahan sekä pilvestä pilveen iskevät salamat. Voit seurata salamanlyöntejä internetin ukkostutkapalvelusta.
Ukkoselta suojautuminen on tärkeää niin ihmisten, laitteiden kuin rakennustenkin osalta. Ukkosenjohdatin on rakennelma, jonka tarkoituksena on suojata rakennuksia. Se johtaa salaman maahan niin, ettei salama aiheuta vahinkoa. Sähkölaitteiden suojana toimii metallinen kehikko, ns. Faradayn häkki, joka estää ulkoisen sähkövirran pääsyn laitteen sisälle. Esimerkiksi auton metallinen kori toimii Faradayn häkkinä, ja siksi auton sisällä on turvallista olla ukkosen aikana. Laitteita voidaan suojata myös ylijännitesuojalla, jonka tarkoituksena on suojata laite ylisuurilta jännitteiltä katkaisemalla virtapiiri.
Hankaussähköltä suojautuminen
Imuroit kotona huoneesi mattoa. Imurin suulake hankaa maton pintaa synnyttäen imurin varteen hankaussähköä. Saisit sähköiskun, ellei imurin vartta olisi suunniteltu siten, että syntyvät varaukset pääsevät purkautumaan maahan. Sähköisku saattaisi olla sinulle epämiellyttävä.
Lentokoneen siivet hankaavat ilmassa oleviin hiukkasiin lennon aikana. Tästä syntyvä hankaussähkö saattaisi aiheuttaa vaaratilanteen, ellei ilmiötä olisi otettu huomioon lentokoneen siiven suunnittelussa. Varauksilla on tapana kulkeutua kohti teräviä kärkiä. Siksi lentokoneen siivissä on piikkejä, joiden kautta syntyneet varaukset pääsevät purkautumaan ilmaan.
F1-auto ajaa suurella nopeudella radalla, jolloin auton kori hankautuu ilmassa olevien hiukkasten vaikutuksesta. Tämä synnyttää koriin sähkövarauksen. Auton tankkauksen yhteydessä hankaussähkö aiheuttaisi tulipalonvaaran. Tämä on estetty siten, että varikolle auton pysähdyspaikkaan on maahan asennettu metallisia johtimia, jotka koskevat auton pohjaan sen ajaessa varikolle. Tällöin varaukset purkautuvat maahan ja tankkaus voidaan suorittaa turvallisesti.
Imurin kahvassa on metallinen johdin, jota pitkin hankauksessa syntynyt varaus purkautuu imuroijan käsien kautta maahan. Lentokoneen siipeen on kiinnitetty metallisia johtimia, joiden kautta siipeen syntyvä varaus pääsee purkautumaan pois lentokoneen rungosta.
Herkkää elektroniikkaa, kuten tietokoneen kiintolevyä, suojataan hankaussähkön aiheuttamilta kipinäpurkauksilta tarkoitukseen kehitetyllä suojapussilla.
Jännite aiheutuu varauserosta
Ukkospilven ja maanpinnan välille syntyy jännite, joka purkautuu salamana, kuten edellä selitettiin. Jännitettä voi olla myös varatun ja neutraalin kappaleen välillä, kun ne ovat toistensa lähellä. Jännite purkautuu kipinäpurkauksena. Olet itsekin voinut kokea kipinäpurkauksen, kun olet istunut muovituolilla ja sen jälkeen olet koskettanut metallista ovenkahvaa.
Yllä olevalla simulaatiolla voit tutkia, miten hankaussähkö muodostuu ja purkautuu. Hankaa jalkaa ensin mattoon ja kosketa sen jälkeen ovenkahvaa. Kokeile, mitä eroa on lyhyellä ja pitkällä hankauksella. © PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, https://phet.colorado.edu.
Paristoissa materiaalien erilainen kyky hapettua aiheuttaa paristoon jännitteen. Pariston aineiden välille syntyy varausero. Elektronit kulkevat negatiiviselta navalta kohti positiivista napaa. Elektronien suunta on siten eri kuin sähkövirran suunnaksi sovittu suunta.
Avainsanat
Atomi: Eräs hiukkanen, josta aine voi koostua. Aine voi koostua myös molekyyleistä tai ioneista.
Elektroni: Elektroni on yksi atomin hiukkasista, joka kiertää atomin keskusta, ydintä. Elektronin varaus on negatiivinen.
Ydin: ydin on atomin keskus, jossa protonit ja neutronit sijaitsevat.
Alkeisvaraus: Alkeisvaraus on pienin tunnettu sähkövaraus. Protonin varaus on alkeisvarauksen suuruinen, ja se on positiivinen ja elektronilla vastaavasti negatiivinen.
Sähköisesti varautunut kappale: kappale, joka on saanut esimerkiksi hankauksen vaikutuksesta itselleen ylimääräisiä varattuja hiukkasia tai on luovuttanut hankauksessa varattuja hiukkasia.
Negatiivinen varaus: Kun kappale saa esimerkiksi hankauksen vaikutuksesta itseensä varauksen, se johtuu elektronien siirtymästä. Negatiivinen varaus on seurausta siitä, että elektroneja on siirtynyt aineeseen eli aineessa on enemmän negatiivisia elektroneja kuin positiivisia protoneja. Tällöin sen sähköinen varaus on negatiivinen.
Positiivinen varaus: Kun kappale saa esimerkiksi hankauksen vaikutuksesta itseensä varauksen, se johtuu elektronien siirtymästä. Positiivinen varaus on seurausta siitä, että elektroneja on siirtynyt aineesta pois eli aineessa on vähemmän negatiivisia elektroneja kuin positiivisia protoneja. Tällöin sen sähköinen varaus on positiivinen.
Sähköinen vuorovaikutus: Sähköinen vuorovaikutus syntyy joko sähköisesti varautuneiden kappaleiden tai sähköisesti varautuneen ja neutraalin kappaleen välille. Se on luonteeltaan etävuorovaikutus ja voi olla veto- tai poistovoima.
Sähköinen vetovoima: sähköinen vetovoima syntyy kahden sähköisesti varautuneen kappaleen välille, kun niiden varaukset ovat erimerkkiset.
Sähköinen poistovoima: sähköinen poistovoima syntyy kahden sähköisesti varautuneen kappaleen välille, kun niiden varaukset ovat samanmerkkiset.
Sähkövirta: Aikaisemmin sähkövirta määriteltiin sähkölaitteen tarpeeksi, jotta se voisi toimia. Nyt sähkövirran määritelmä tarkennetaan elektronien liikkeeksi johtimessa ja varautuneiden hiukkasten liikkeeksi liuoksessa.
Sähkökenttä: Sähkökenttä syntyy varautuneen kappaleen ympärille. Sähkökenttää käytetään havainnollistamaan sähköistä vuorovaikutusta, ja se esitetään kenttäviivojen avulla. Mitä tiheämmin kenttäviivat on piirretty, sitä voimakkaampi on sähkökenttä. Sähkökentän suunta on poispäin positiivisesta ja kohti negatiivista varausta.
Eriste: Aine, joka ei johda sähköä ollenkaan tai johtaa sitä hyvin heikosti. Koska sähkövirta on elektronien liikettä, eriste tarkoittaa ainetta, jossa elektronit eivät pääse liikkumaan tai ne liikkuvat huonosti. Esimerkiksi posliini ja lähes kaikki epämetallit grafiittia lukuun ottamatta ovat eristeitä.
Johde: Aine, joka johtaa sähköä hyvin. Toisin sanoen aineet, joissa elektronit pääsevät liikkumaan helposti, ovat johteita. Esimerkiksi metallit, suolaliuokset ja grafiitti ovat hyviä sähkönjohteita.
Kipinäpurkaus: Esimerkiksi salama on kipinäpurkaus. Se on keino, jolla ylimääräinen varaus pääsee purkautumaan.
Ukkosenjohdatin: Rakennelma, jonka tarkoituksena on suojata rakennuksia salamoilta. Ukkosenjohdatin on salamalle johdemateriaalista tehty reitti, joka johtaa salaman maahan.
Faradayn häkki: Metallinen kehikko, joka estää sähkökentän muodostumisen kehikon sisään. Käytetään suojaamaan esimerkiksi sähköisesti herkkää elektroniikkaa. Auton kori toimii Faradayn häkkinä, ja siksi auto on turvallinen paikka ukkosella.
Ylijännitesuoja: laite, joka suojaa muita laitteita ylisuurilta jännitteiltä katkaisemalla sähkövirran kulun.
Jännite: jännite aiheutuu varauserosta.
Varausero: varausero aiheuttaa jännitteen. Se johtuu aineiden erilaisesti kyvystä hapettua eli kyvystä luovuttaa elektroneja.