1. JOHDANTO... 4 2.TUTKIMUSASETTELU... 5 2.1. Tutkimuksen taustaa... 5 2.2. Tutkimuskysymykset... 5 3. FYSIIKAN YHDENTYMISKEHITYS... 6 3.1. Mekaniikan haara... 6 3.2. Sähködynamiikan haara... 7 3.3. Suhteellisuusteoriat... 8 3.4 Kvanttifysiikka... 8 3.5 Theory Of Everything... 9 4. MAGNETISMI... 10 4.1. Magneettiset ilmiöt antiikin Kreikassa... 10 4.2. Magneettiset ilmiöt Kiinassa... 10 4.3. Magnetismin kokeellinen tutkimus keskiajalla... 11 4.3.1. Keskiaika... 11 4.3.2. Petrus Peregrinus... 12 4.3.3. Roger Bacon... 13 4.4. Maan magneettisuus... 13 4.4.1. Renessanssi... 13 4.4.2. De Magnete... 13 5. SÄHKÖSTATIIKKA... 16 5.1. Sähköiset ilmiöt antiikin Kreikassa... 16 5.2. Elektriset ja epäelektriset aineet... 17 5.3. Ensimmäinen sähköstaattinen generaattori... 18 5.4. Tieteen vallankumous... 19 5.5. Sähkön synnyttäminen ja siirtäminen... 20 5.5.1. Lasipallogeneraattori... 20 5.5.2. Sähkön johtuminen... 21 5.5.3. Lasi- ja lakkasähkö... 22 5.5.4. Sähkönkäytön ongelmia... 23 5.5.5. Leydenin pullo... 23 5.5.6. Physique amusante eli hupifysiikka... 24 5.5.7. Sähkön hyötykäyttö... 25 5.5.8. Piirin käsite... 25 5.6. Sähkö luonnonilmiönä... 26 5.6.1. Sähkön tutkimus Amerikassa... 26 5.6.2. Positiivinen ja negatiivinen sähkö... 27 5.6.3. Ukkosenjohdatin... 27 5.7. Sähköisten ja magneettisten voimien lait... 28 5.7.1 Sähköaineen ja tavallisen aineen väliset voimalait... 29 5.7.2 Coulombin kokeet... 30 6. SÄHKÖVIRTA... 32 6.1. Sähköpariston kehitys... 32 6.2. Animaalinen sähkö... 32 6.3. Voltan patsas... 33 6.4. Paristojen kehitys... 34 6.5. Sähkön käsitteet... 35 6.6. Sähkövirran mittaaminen... 36 6.7. Sähkövirran ja jännitteen yhteys. Ohmin laki... 36 6.8. Sähkön kemialliset vaikutukset... 37 1
7. SÄHKÖN JA MAGNETISMIN YHTEYS... 39 7.1. Sähkön ominaisuuksia... 39 7.2. Örstedin koe... 39 7.3. Örstedin tutkimusten tulokset... 40 7.4. Sähkömagnetismi... 41 8. SÄHKÖMAGNEETTINEN INDUKTIO... 43 8.1. Kentän käsite... 44 8.2. Elektrolyysilait... 45 9. SÄHKÖMAGNEETTINEN TEORIA... 46 9.1. Sähkömagneettisen kenttäteorian kehittyminen... 46 9.2. Maxwellin teorian todentaminen... 48 10. SÄHKÖOPIN KURSSIN SUUNNITTELUSTA... 49 10.1. Suunnittelun perusteista... 49 10.1.1. Historiallinen lähestymistapa... 49 10.1.2. Opetuksen kokeellisuus... 49 10.1.3. Arvioinnin monipuolistaminen... 50 10.1.4. Fysiikan kehitys tieteenä ja tulevaisuuden haasteet... 50 10.1.5. Erilaisten oppilaiden motivointi... 51 10.1.6. Yksilöllinen työkirja... 51 10.2. Sähkömagnetismin yhdentymiskehityksen solmukohdat ja peruskoulun fysiikka... 52 11. SÄHKÖOPIN OPETTAMINEN PERUSKOULUSSA YHDENTYMIS- KEHITYKSEN KANNALTA... 55 11.1. Magnetismi... 55 11.1.1. Magneettisen aineen tunnistaminen... 55 11.1.2. Magneettisen kappaleen magneettisuus ja Maan magneettisuus... 56 11.1.3. Rautakappaleen magnetointi... 56 11.1.4. Magneettikenttä... 57 11.2. Sähköiset ilmiöt... 57 11.2.1 Hankaussähkö... 57 11.2.2. Sähköstaattinen generaattori... 58 11.2.3. Sähkön johtuminen... 59 11.2.3.1. Sähkövarauksen mittaaminen... 59 11.2.3.2. Johteet ja eristeet... 60 11.2.4. Sähkön käyttö... 60 11.3. Sähkö luonnonilmiönä... 61 11.4. Magneettisten ja sähköisten vuorovaikutusten samankaltaisuus... 61 11.5. Kappaleen varautuminen ja atomin rakenne... 62 11.6. Sähkövirta... 62 11.6.1. Paristojen kehitys ja rakenne... 63 11.6.2. Sähkövirta... 63 11.6.2.1. Virrankuljettajat ja sähkövirran suunta... 64 11.6.2.2. Virtapiiri... 64 11.6.2.3. Sähkövirran ja jännitteen mittaaminen... 66 11.6.2.4. Ohmin laki... 69 11.6.2.5. Vastusten kytkennät... 71 11.7. Sähkövirran ja magnetismin yhteys... 72 11.7.1. Sähköstä liikettä... 73 11.8. Sähkömagneettinen induktio... 74 11.8.1. Muuntaja... 76 2
11.9. Sähköturvallisuus... 77 12. YHTEENVETO JA JOHTOPÄÄTÖKSET... 78 12.1. Opetuksen järjestelyistä... 78 12.2. Opiskelun motivointi... 79 12.3. Fysiikan kehittyminen tieteenä... 79 12.4. Tekniikan kehittyminen ja fysiikka... 80 Lähteet:... 81 Sähköiset lähteet:... 82 3
1. Johdanto Tiede rakentuu tiedoista kuten talo tiilistä, joukko irrallisia tietoja on tiedettä yhtä vähän kuin tiilikasa on talo (Henri Poincaré) (Kurki-Suonio, K & R, s. 112) Peruskoulun fysiikan oppikirjoissa tieto on usein pirstaleina. Kirja on saatettu jakaa hyvinkin tarkasti osa-alueisiin, esimerkiksi valo, ääni, lämpö, liike, energia, sähkö, magnetismi, jne. Tieteen yhdentymiskehitys jää tavallaan piiloon tämän jaottelun taakse. Oppilaalle jää käteen vain kasa tiiliä, tietoja fysiikan osa-alueista. Fysiikan koko nykyinen tietorakenne perustuu yhdentymiskehitykseen. (Kurki- Suonio, K. & R. 1998, s. 373) Peruskoulun fysiikassa yhdentymiskehitys tulee parhaiten esiin sähköopissa. Fysiikan käsitteellisessä oppirakennelmassa edetään perushahmotuksesta suureiden ja lakien kvantifiointiin. Lisäksi sähköopin ensimmäisten lakien kvantifiointiin riittää oppilaiden yhdeksännellä luokalla hallitsema koulumatematiikka. Useimmat sähkön yhdentymiskehityksen solmukohtien oivalluksiin liittyvät työt ovat koulussa toteutettavissa joko oppilastöinä tai demonstraatioina. Sähkön ja magnetismin yhdentymiskehitys on myös hyvä esimerkki tieteen kehityksestä ja vaikutuksesta teknologiaan ja yhteiskuntaan. 4
2.Tutkimusasettelu 2.1. Tutkimuksen taustaa Osallistuin Helsingin yliopistossa didaktisen fysiikan kurssille (DFCL 3) vuosina 2000 2001. Kurssin innoittamana ryhdyin miettimään, miten opetuksessani voisin tuoda esille fysiikan yhdentymiskehitystä ja historiaa sekä näiden vaikutusta tieteen ja yhteiskunnan kehitykseen. Pohdin myös, miten voisin detaljitiedon sijasta luoda oppilaille kokonaisvaltaisemman kuvan fysiikasta luonnontieteenä. Näihin aikoihin fysiikka tuli peruskoulun alaluokille oppiaineeksi. Opetusta suunnitellessani mietin, mitkä osa-alueet fysiikasta voitaisiin siirtää opetettavaksi alaluokilla, niin että huomioon otettaisiin sekä oppilaiden kehitystaso että opettajina toimivien luokanopettajien tieto ja taito fysiikassa. 2.2. Tutkimuskysymykset Tässä työssäni pyrin selvittämään, miten peruskoulun fysiikan sähköopin kurssi voidaan opettaa sähkön ja magnetismin yhdentymiskehityksen kautta ja löytämään vastauksia seuraaviin kysymyksiin: Mitkä ovat sähkömagnetismin yhdentymiskehityksen solmukohdat peruskoulun oppimäärässä? Miten sähkömagnetismin yhdentymiskehitys tukee peruskoulun oppimäärän omaksumista? Miten historialliseen yhdentymiskehitykseen nojautuva opetus motivoi oppilaita? Auttaako historialliseen yhdentymiskehitykseen nojautuva opetus oppilaita ymmärtämään, miten fysiikka tieteenä kehittyy ja miten tekniikan kehittyminen on sidoksissa tieteen kehittymiseen? 5
3. Fysiikan yhdentymiskehitys 1600-luvulla lämpö, ääni, sähkö, magnetismi ja valo olivat fysiikan riippumattomia osa-alueita. Lisäksi liikeilmiöt jaettiin maanpäällisiin ja taivaankappaleiden liikkeisiin, joilla kummallakin oli omat lakinsa. Näistä saivat alkunsa fysiikan kehityksessä havaittavat kaksi päähaaraa. Kuunyliset ja kuunaliset liikeilmiöt sekä lämpö ja ääni liittyivät yhteen mekaniikan haaraksi, sähkö, magnetismi ja valo sähködynamiikan haaraksi. 3.1. Mekaniikan haara Isaac Newton (1643-1727) osoitti vuonna 1687 ilmestyneessä kirjassaan Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, että kuunyliset ja kuunaliset liikeilmiöt noudattavat samoja lakeja. Ääni yhdistyi mekaniikkaan, kun ääni opittiin tuntemaan aineen värähdysliikkeenä. Lämpöopin palautuminen mekaniikkaan pohjautuu jo antiikin atomihypoteesiin, jonka mukaan kaikki aine koostuu pienistä hiukkasista, atomeista. Fysikaalisen merkityksen lämmön liittymiselle mekaniikkaan antoi 1700-luvulla kehitetty kineettinen kaasuteoria. 1800-luvun puolivälissä alkoi yleistyä käsitys, jonka mukaan lämpö on aineen hiukkasten liikettä ja 1800-luvun lopulla Ludwig Boltzmann (1844-1906) osoitti, miten lämpöopin suureet liittyvät hiukkasten liikkeiden tilastollisiin ominaisuuksiin. Näin lämpöopin toinen pääsääntö, jonka mukaan eristetyn systeemin entropia ei voi koskaan pienentyä, palautui mekaniikkaan. 6
3.2. Sähködynamiikan haara Sähkö kytkeytyi mekaniikkaan, kun Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) vuonna 1784 esitti sähköisten ja magneettisten veto- ja poistovoimien lait. Lait olivat 1/r 2 -lakeja kuten Newtonin gravitaatiolaki. Sähkö ja magnetismi yhdentyivät 1800-luvun alkupuolella. Vuonna 1820 tanskalainen Hans Christian Örsted (1777-1851) havaitsi sähkövirran vaikuttavan kompassiin. Sähkövirralla oli siis magneettisia ominaisuuksia. Englantilainen Michael Faraday (1791-1867) osoitti vuonna 1831, että magneettikentän muutokset synnyttävät sähkövirtaa. Faraday otti käyttöön myös kentän käsitteen. Näin mekaanisessa systeemissä vuorovaikuttavien hiukkasten rinnalle otettiin uudenlainen perusolioiden luokka, kenttä. Fysiikan ilmiöiden selittäminen palautui näin hiukkasten ja kenttien käyttäytymistä hallitsevien lakien tutkimiseen. Faradayn matemaattiset taidot eivät riittäneet sähkömagneettisen teorian matemaattiseen muotoiluun. Sen teki James Clerk Maxwell (1831-1879) vuonna 1864. Maxwellin teoria liitti yhteen sähkön ja magnetismin. Maxwellin lakien avulla valo voidaan selittää aaltoliikkeenä, jossa sekä sähköettä magneettikenttä värähtelevät säteilyn etenemissuuntaa vastaan kohtisuorassa tasossa. Valo on siis poikittaista aaltoliikettä. Näin optiikka liittyi sähködynamiikkaan. Maxwellin sähködynamiikka ja Newtonin mekaniikka muodostivat yhdessä klassisen maailmankuvan perustan. Vuorovaikuttavia perusolioita oli nyt kahdenlaisia, hiukkasia ja kenttiä, jotka vaikuttivat toisiinsa klassisen mekaniikan ja sähködynamiikan lakien mukaisesti. 7
3.3. Suhteellisuusteoriat Maxwellin teorian takana oli alun perin mielikuva, jonka mukaan valo oli eetterin sähköistä värähtelyä. Eetteri täytti koko maailmankaikkeuden ja toimi sähkömagneettisen aaltoliikkeen välittäjänä. Vuonna 1905 Albert Einstein (1879-1955) esitti suppeamman suhteellisuusteorian, joka yhdisti ajan ja avaruuden käsitteet kiinteästi toisiinsa. Tapahtumien kuvaamiseen alettiin käyttää neliulotteista aika-avaruutta. Suppeamman suhteellisuusteoriansa jatkoksi Einstein julkaisi vuonna 1915 yleisen suhteellisuusteoriansa, joka selittää painovoiman tarkemmin kuin Newtonin teoria. Newtonin teorian perustana olevan gravitaatiovuorovaikutuksen korvaa yleisessä suhteellisuusteoriassa kaareva avaruus. Massojen vaikutuksesta avaruus muuttuu kaarevaksi ja kappaleet liikkuvat pitkin ratoja, jotka ovat kaikkein suorimpia reittejä kaarevassa avaruudessa. Yleinen suhteellisuusteoria yhdisti gravitaation ajan ja avaruuden geometriaan. 3.4 Kvanttifysiikka Kvanttifysiikan syntyyn vaikutti mustan kappaleen lähettämä säteily, jonka aallonpituusjakaumaa ei voitu ymmärtää klassisen fysiikan avulla. Saksalainen fyysikko Max Planck (1858-1947) selitti vuonna 1900 mustan kappaleen säteilyenergian spektrisen jakauman olettamalla, että energia on jakautunut äärellisen kokoisiin annoksiin, kvantteihin. Kvanttimekaniikan avulla voitiin kuvata atomin rakenne. Kvanttimekaniikka rakentui klassisen fysiikan käsitteistölle antaen sille kuitenkin aivan uuden tulkinnan. Klassisten olioiden noudattamat lait korvautuivat todennäköisyyslaeilla, jotka suurten hiukkasjoukkojen rajalla palautuvat klassisiin lakeihin. 8
3.5 Theory Of Everything Kaikki vuorovaikutukset kattava teoria, Theory Of Everything (TOE), on nykyään yksi fysiikan tutkimuksen kiinnostavimmista aiheista. Maxwellin sähköiset ja magneettiset vuorovaikutukset yhdistävä teoria oli ensimmäinen yhtenäisteoria. 1960-luvulla osoitettiin, että sähkömagneettinen vuorovaikutus ja heikko ydinvuorovaikutus ovat saman sähköisheikon vuorovaikutuksen ilmentymiä. Yleisemmin suuren yhtenäisteorian pitäisi voida selittää kaikki vuorovaikutukset, myös gravitaatiovuorovaikutus, yhden perusvuorovaikutuksen erilaisiksi toteutumiksi. Gravitaatiovuorovaikutuksen saamiseksi mukaan yhtenäisteoriaan sille täytyisi saada kvanttimekaaninen teoria. Siinä vuorovaikutuksen välittävinä hiukkasina ovat gravitonit, joita kuitenkaan ei vielä ole onnistuttu löytämään. Suurelle yhtenäisteorialle on esitetty useita eri ratkaisuehdotuksia. Näitä ovat erityisesti nk. säieteoriat, joiden perustana ei enää ole tietyn paikan avaruudessa täyttävä hiukkanen vaan yksiulotteinen säie. Nämä teoriat edellyttävät jopa yli 10- ulotteista avaruutta, jonka ulottuvuuksista useimmat ovat käpertyneet niin pieneen tilaan, ettei niitä voida havaita. 9
4. Magnetismi 4.1. Magneettiset ilmiöt antiikin Kreikassa Magnetismi tunnettiin Euroopassa jo antiikin aikaan. Kreikkalainen filosofi Platon (427-347 e.a.a.) tunsi sähköisiä ilmiöitä ja hänen aikanaan osattiin jo rautakappale magnetoida magneettikiven avulla. Roomalainen sotapäällikkö Gaius Plinius Secundus eli Plinius vanhempi (23-79) kertoo kirjassaan Magnes - nimisestä paimenesta, joka huomasi sandaaliensa rautaisten naulojen ja paimensauvansa rautaisen kärjen tarttuvan kiinni tiettyihin kiviin. Paimenen nimestä olisi näin tullut sana magneetti. Toisaalta antiikin Kreikassa on ollut useita Magnesia nimisiä paikkoja, joissa on esiintynyt magneettikiveä. (Livingston 1997, s. 28) 4.2. Magneettiset ilmiöt Kiinassa Jo 100-luvulla ennen ajanlaskumme alkua Kiinassa tunnettiin magneettikivi ja sähköstaattiset voimat. Magneettineulan ensimmäisistä käyttötavoista on mainintoja sataluvulta j.a.a. Tällöin magneettikiveä ilmeisesti käytettiin lähinnä ennustamiseen ja shakkipelissä. (Korhonen 2001, s. 49-50) Magneetin avulla asetettiin talot, vuoteet ja muut esineet suotuisaan järjestykseen taivaan piirteiden mukaan. (Livingston 1997, s. 29) 500-luvulla Kiinassa osattiin jo magnetoida rautaa. Pienet magneettineulat saatiin osoittamaan pohjois-eteläsuuntaan asettamalla ne kynnen päälle tai laittamalla kellumaan veden pinnalle. Vuodelta 990 löytyy ensimmäinen kiinalainen maininta kompassista, jossa käytetään magnetoitua neulaa. Merenkulussa kiinalaiset käyttivät kompassia 1000-luvulla, mahdollisesti jo aikaisemmin. (Lindell 1994, s. 28) Samoihin aikoihin Kiinassa tunnettiin myös deklinaatio, magneettisen suunnan poikkeama maantieteellisestä pohjois-eteläsuunnasta. 10
Kiinassakin sähköiset ja magneettiset voimavaikutukset kuuluivat selittämättömiin luonnonilmiöihin. Sinapinsiemenet tarttuvat meripihkaan ja magneetti vetää puoleensa rautaa. Tämä johtuu niiden aitoudesta, sillä sellaista voimaa ei voida suoda muille aineille. Muut aineet voivat muistuttaa niitä, mutta niillä ei ole vetovoimaa. Miksi? Koska kun hengen qi luonne on erilainen, aineet eivät voi vaikuttaa toisiinsa. (Korhonen 2001, s. 50) 4.3. Magnetismin kokeellinen tutkimus keskiajalla 4.3.1. Keskiaika Keskiajan katsotaan alkavan Rooman valtakunnan tuhosta vuonna 476. Euroopassa vallitsi sekasortoinen aika. Isompia ja pienempiä sotia käytiin jatkuvasti. Kirkko hallitsi lujin ottein ja Eurooppaa koettelivat lisäksi erilaiset tautiepidemiat. Keskiajalla vallitsevan skolastisen filosofian mukaan ihmisen tuli käyttää järkeään Jumalan kunniaksi eikä uuden tiedon hankkimiseksi. Maallinen elämä oli vain valmistautumista tuonpuoleiseen. Työtä tehtiin vain, jotta pysyttiin hengissä. Kirkon totuus luonnosta, ja siis myös fysiikasta, oli Aristoteleen totuus. (Viiri, Dimensio 2/02, s. 50) Aristoteleen kirjoituksia luettiin ja kopioitiin ahkerasti luostareissa, joten antiikin aikainen tieto pysyi tallessa ja siirtyi jälkipolville. Aristoteles ei ollut pitänyt magnetismia mainitsemisen arvoisena asiana kirjoituksissaan, joten tietoa magnetismista oli ilmeisesti hyvin vähän. Kompassi tuli Eurooppaan 1100-luvulla ja 1200-luvulla se tunnettiin jo yleisesti ja siitä tuli tärkeä väline merenkulussa. Niinpä keskiajalla alettiin tutkia magnetismia. 11
4.3.2. Petrus Peregrinus 1200-luvun merkittävin magneettien tutkija oli Petrus Peregrinus, joka syntyi noin vuonna 1240. Peregrinus oli kokeellinen tutkija, jonka mukaan varmuus tieteistä tuli vain kokemuksen eikä väittelyn kautta. Peregrinukselta ei ole jäänyt muuta kirjallista tuotetta kuin yksi kirje. Kirje sisältää johdonmukaisen esityksen kokeellisen tutkimuksen alalta, mikä on harvinaista keskiaikaiselle tieteelle. Kirjeestä on olemassa useita kopioita, jotka kaikki kuitenkin sisältävät hiukan eri tekstin. Kirjeessä käsitellään magnetismin lisäksi mm. ikiliikkujan rakentamista. Peregrinus piti kiertoliikkeen aiheuttajana magnetismia. Kirjeessä osoitetaan vesiallaskokeella, että kahden magneettisen kiven erinimiset navat vetävät toisiaan puoleensa ja samannimiset navat karkottavat toisiaan. Kirjeessä esiintyy magneettinapojen käsite ja niiden määrittäminen magneettikiven avulla. Uutta tietoa on se, että magneettinapoja ei voi esiintyä yksinään, vaan että jakamalla magneetti kahteen osaan saadaan aina uudet navat. Yleisesti oli ollut vallalla käsitys, että magneetti veti puoleensa Pohjantähteä. Tämän Peregrinus osoitti vääräksi. Magneetti kääntyi maailman napoja kohti, siis pohjois-eteläsuuntaan. Kirjeessä Peregrinus esittää myös ensimmäisen akselilla ja asteikolla varustetun kompassin, mikä huomattavassa määrin paransi navigointitarkkuutta. Peregrinus teki kokeita pallomaisella magneetilla ja totesi magneettineulan käyttäytyvän samalla tavalla sekä magneettipallon että maan pinnalla. Tästä hän ei kuitenkaan osannut tehdä johtopäätöstä, että maapallo on itsessään suuri magneetti. Asian keksi 300 vuotta myöhemmin englantilainen William Gilbert (1544-1603) toistaessaan Peregrinuksen kokeita. 12
4.3.3. Roger Bacon Samoihin aikoihin Peregrinuksen kanssa vaikutti aikakauden tunnetuin luonnontieteilijä Roger Bacon (1214-1294). Hän toimi opettajana Pariisin ja Oxfordin yliopistoissa ja teki kokeita meripihkalla ja magneettikivillä. Bacon kirjoitti Peregrinuksen kokeista, jotka näin tulivat oppineiden tietoisuuteen. 4.4. Maan magneettisuus 4.4.1. Renessanssi Renessanssin luonnonfilosofiassa korostettiin sitä, että luonto on itsessään järjellinen ja ymmärrettävä kokonaisuus. Maailmankaikkeutta alettiin kuvata pikemminkin koneistona kuin jumaluutena. Renessanssin aikana platonismi nousi uuteen kukoistukseensa ja toi mukanaan matematiikan, erityisesti geometrian, arvostuksen. Näihin aikoihin Euroopassa perustettiin tieteellisiä akatemioita, joissa oli kirjastoja ja tiloja tieteellistä työskentelyä varten. Niissä oli myös mahdollisuus tavata kollegoja, keskustella ja vaihtaa mielipiteitä. Tutkijoiden kesken käytiin vilkasta kirjeenvaihtoa, mikä edisti uusien tutkimustulosten leviämistä ja kritisointia. Saksasta 1500-luvun alkupuolella liikkeelle lähtenyt uskonpuhdistus muutti käsitystä ihmisestä ja ihmisen tavasta tehdä työtä. Keskiajan mietiskelevän ihmisen tilalle tuli ihanne tekevästä ihmisestä. Lutherin mukaan Jumalaa voi palvella tekemällä uutterasti työtä. (Viiri, Dimensio 2/02, s. 51) 4.4.2. De Magnete William Gilbert oli englantilainen luonnonfilosofi ja lääkäri, joka on jäänyt historiaan teoksellaan De Magnete. De Magnete on kokeellisen tieteen 13
ensimmäisiä mestariteoksia. Esipuheessaan Gilbert sanoo: Varmoista kokeista ja todistetuista päättelyistä saadaan vahvempia syitä kuin todennäköisistä oletuksista ja filosofisten spekuloijien mielipiteistä.( Livinston 1997 s. 39) Teos kirjoitettiin vuonna 1600. Galileo Galilei (1564-1642) tunsi Gilbertin teokset ja sai niistä vaikutteita omiin kokeiluihinsa. Galilei kirjoitti Gilbertistä. Ylistän, ihailen ja kadehdin tätä kirjoittajaa mitä suurimmassa määrin siitä, että hän on keksinyt näin mahtavan ajatuksen. Lisäksi hän ansaitsee mielestäni erikoisen kiitoksen tekemistään monista uusista ja totuudenmukaisista havainnoista. (Livinston 1997 s. 39) De Magnete koostuu kuudesta osasta, joissa käsitellään sähköä, magnetismia, vetovoimaa, kompassineulan suuntautumista, deklinaatiota, inklinaatiota ja kiertoliikettä. Magneettisia ja sähköisiä ilmiöitä käsitellessään Gilbert kertoo ensin aikaisempia käsityksiä ilmiöistä, hylkää ne ja esittää omia kokeellisia tuloksiaan teorioidensa tueksi. Kokeet olivat yleisesti hyvin selitettyjä, joten ne voitiin helposti toistaa. Gilbert piti magnetismia paljon sähköä tärkeämpänä luonnonvoimana. Hän oli myös sitä mieltä, että magneettinen ja sähköinen voima olivat kaksi täysin erilaista voimaa. Väitteittensä tueksi hän esitti mm. seuraavia syitä: Meripihkaa piti hangata ennen kuin se tuli sähköiseksi, mutta malmikivessä magneettisuus oli luonnostaan. Magneetti vaikutti esimerkiksi puun, paperin, kankaan ja kuparin läpi, mutta sähkövoiman ne pysäyttivät. Ilmankosteus hävitti sähkövoiman, mutta magneettisuuteen se ei vaikuttanut. Gilbert tunsi Peregrinuksen kokeet ja toisti niitä. Hän tutki pallonmuotoista magneettia kompassineulan avulla ja vertasi tuloksia vastaaviin kompassineulan osoituksiin maapallolla. Näistä hän päätteli, että maapallo on itsessään suuri magneetti. Gilbert oli Nikolas Kopernikuksen (1473-1543) aurinkokeskeisen teorian kannalla. (Lindell 1994, s. 45) Peregrinuksen ikiliikkujateoriasta lähtien oli uskottu, että magnetismi aiheutti kiertoliikettä. Peregrinuksen teoriaan nojautuen 14
Gilbert selitti planeettojen kiertoliikkeen aiheutuvan magnetismista. Tässä kohdin Gilbertin perustelut olivat hyvin hataria ja aiheuttivat paljon keskustelua tiedemiespiireissä. 15
5. Sähköstatiikka 5.1. Sähköiset ilmiöt antiikin Kreikassa Vanhin sähköilmiöitä tutkinut filosofi oli kreikkalainen Thales (625-547 e.a.a.). Hän huomasi, kuinka villakuidut tarttuivat kehrääjien värttinöihin. Hän tutki ilmiötä ja havaitsi, että värttinöiden meripihkakoristeilla oli outo puoleensa vetävä voima. Ilmiötä pohtiessaan hän tuli siihen johtopäätökseen, että meripihkalla on sielu, koska se pystyi vetämään elottomia kappaleita puoleensa. Samoin hän selitti myös magneetin voimavaikutuksen. Meripihkan kreikankielinen nimi on elektron. Muutamaa poikkeusta lukuun ottamatta sähköä tarkoittava sana pohjautuu tähän kreikankieliseen sanaa. Poikkeuksia ovat suomenkielen lisäksi unkarin, heprean, kiinan ja japanin kielet. Suomen kielen sana sähkö tulee vuodelta 1845. Sen johti Samuel Roos sähkökipinän ominaisuudesta sähähtää säkenöimällä. (Lindell 1994, s. 4) Kreikkalainen filosofi Platon tunsi Elmon tulet ja hän mainitsee kirjoituksissaan myös sähkökalan tainnuttavasta vaikutuksesta. Sähkökalat olivat olleet tunnettuja egyptiläisille jo paljon aikaisemmin, noin 2750 e.a.a. Aristoteles (384-322 e.a.a.) tunsi salaman ja sähkökalat. Hän mainitsee kirjassaan myös Platonin meripihkakokeiluista. Hänen teostensa kautta tieto siirtyi 1500- luvun Eurooppaan. Kreikkalainen filosofi Theophrastus (372-287 e.a.a.) tunsi toisen aineen, lapis lyncurius, jolla oli samanlainen puoleensa vetävä vaikutus kuin meripihkalla. Ilmeisesti kyseessä oli eräs jalokivi, turmaliini. Roomalainen sotapäällikkö Gaius Plinius Secundus eli Plinius vanhempi kirjoitti luonnontieteellisen ensyklopedian Historia Naturalis, jossa on mainintoja meripihkasta, turmaliinista ja rubiinista. Hän kuvaili kirjassaan, kuinka meripihka 16
vetää puoleensa olkia, kuivia lehtiä ja lehmuksenkuorta, kun sitä hierotaan sormilla. (Lindell 1994, s. 4) Samoihin aikoihin huomattiin ensimmäisen kerran sähkörauskun terapeuttinen arvo. Roomalainen lääkäri Scribonius Largus kuvaili vuonna 46 teoksessaan Compositiones Medicae, kuinka sähkörauskun avulla voitiin parantaa päänsärkyä ja kihtiä. Kihtiä varten kirjassa annettiin hoito-ohje: Kihtiin liittyvän kivun alkaessa on asetettava musta elävä sähkörausku jalkojen alle. Potilaan on seistävä kostealla rannalla, jota meri huuhtelee, ja hänen on oltava siinä niin kauan kunnes jalat ovat tunnottomat polviin asti. Tämä poistaa olevan ja estää tulevan kivun. Tällä tavalla Anteros, Tiberiuksen vapautettu orja parani. (Lindell 1994, s. 5) Antiikin aikana sähkö tunnettiin ilmiön tasolla eikä eri ilmiöitä osattu yhdistää toisiinsa. Sähköistä vetovoimaa ei voinut nähdä, joten sen täytyi olla jotain ylevämpää, jopa jumalallista. Ainoa selitys oli, että jumala oli antanut meripihkalle, turmaliinille ja rubiinille sielun. 5.2. Elektriset ja epäelektriset aineet Gilbert jakoi aineet elektrisiin eli meripihkan kaltaisiin ja epäelektrisiin aineisiin. Elektrisiä aineita olivat meripihkan ja gagaatin lisäksi lasi, timantti, safiiri, opaali, ametisti, kovettuneet hartsit, rikki ja sinettilakka. Epäelektrisiä aineita olivat metallit, marmori, luu, smaragdi, akaatti ja helmet. Gilbert osoitti myös, että sähköisiksi hangatut aineet vetivät puoleensa muutakin kuin akanoita ja korsia. Tällaisia aineita olivat metallit, puu, lehdet, kivet, maa, vesi ja öljy. Sähköisen vetovoiman havaitsemisen helpottamiseksi Gilbert rakensi laitteen, versoriumin. Se oli kompassin kaltainen laite, jossa oli herkästi kiertyvä neula metallikärjen varassa. Gilbert ei ilmeisestikään tutkinut kahden sähköistetyn kappaleen välistä voimaa, koska hän tunsi vain sähköisen vetovoiman. 17
Sekä Thales että Aristoteles olivat aikoinaan väittäneet, että meripihkalla on sielu, koska se pystyy vetämään kappaleita puoleensa. Myöhemmin sähköinen vetovoima oli selitetty lämmön siirtymisen avulla. Tämän teorian Gilbert kumosi, tosin perustelut olivat aika hatarat nykykäsityksen mukaan. Gilbert tuli siihen johtopäätökseen, että sähköisen vetovoiman omaava kappale oli tehty tiivistetystä kosteudesta. Jos kappale oli tehty maasta, kyseistä voimaa ei siinä esiintynyt. Vetovoiman Gilbert selitti käyttäen ns. effluvium -käsitettä. Effluvium oli näkymätöntä kumimaista ainetta, jota erkani kappaletta hangattaessa. 5.3. Ensimmäinen sähköstaattinen generaattori Otto von Guericke (1602-1686) oli saksalainen luonnonfilosofi ja valtiomies. Hän kiinnostui Gilbertin kosmologisesta mallista, jonka mukaan taivaankappaleet vaikuttivat toisiinsa magneettivoimilla ja avaruudessa oli tyhjiö. Gilbert oli tehnyt kokeita pallonmuotoisella magneetilla. Guericke teki maapallosta realistisemman mallin, johon hän käytti erilaisia mineraaleja. Pallo sisälsi mm. runsaasti rikkiä. Guericke huomasi palloa pyörittäessään ja samalla sitä kädellä hangatessaan, että pallosta näkyi pimeässä pieniä kipunoita ja se veti kappaleita puoleensa. Myöhemmin hän valoi lasipallon täyteen rikkiä ja rikkoi lasin ympäriltä pois. Kun tämä rikkipallo vielä varustettiin rautaisella akselilla ja puukehikolla, ensimmäinen sähköstaattinen generaattori oli valmis. Rikkipallo saatiin varautuneeksi, kun sitä pyöritettiin ja samalla hangattiin kuivalla kädellä. Guericke huomasi, että hangattu rikkipallo veti paperinpaloja puoleensa, mutta kosketuksen jälkeen ne hylkivät palloa. Tätä Gilbert ei ollut huomannut. Kokeidensa perusteella Guericke samaisti planeettoja radallaan pitävän voiman sähkövoimaan. Hän huomasi myös, että kun antoi höyhenen koskettaa vuorotellen nenää ja palloa, höyhen liikkui jatkuvasti näiden välillä. Demonstraatio oli vaikuttava, mutta selitystä tälle ilmiölle ei ollut. 18
Guericke kirjoitti kokeiluistaan kirjan De Virtutibus Mundanis. Kirjasta tuli hyvin suosittu ja Guericken kokeita tehtiin innostuneesti. Kokeet vaan eivät tahtoneet kaikilta onnistua. Guericke oli eläessään tehnyt ruumiillista työtä ja saanut näin karkeat ja kuivat kädet. Aristokraattisilla oppineilla taas kädet olivat pehmeät ja kosteat ja näin ollen sähkövarausta ei palloon helposti syntynyt. Aristoteles oli ollut sitä mieltä, että tyhjiö on mahdoton. Hänen mukaansa ilmassa lentävien kappaleiden nopeus riippui ilmanvastuksesta ja tyhjiössä nopeus olisi näin ollen tullut äärettömäksi. Guericke kehitti ensimmäisen kunnollisen tyhjiöpumpun. Hän sai sen avulla vuonna 1650 aikaiseksi tyhjiön, jossa kynttilät sammuivat, hiiret kuolivat ja soittokellon ääni häipyi. Vuonna 1654 hän teki kuuluisan kokeensa, jossa kahden tiiviisti toisiinsa yhteen liitetyn puolipallon välistä pumpattiin ilma pois. Tarinan mukaan 16 hevostakaan ei saanut vedettyä puolipalloja irti toisistaan. Tyhjiön olemassaolo oli tullut todistetuksi. Guericke keksi myös sähkön johtumisen, mutta havainto jäi vaille huomiota. Sähkön johtumisen keksi uudelleen englantilainen luonnontutkija Stephen Gray (1670-1736) puoli vuosisataa myöhemmin. 5.4. Tieteen vallankumous Laske se mikä on laskettavissa; mittaa se mikä on mitattavissa; tee mittauskelpoiseksi se mikä ei ole mitattavissa. (Galileo Galilei) 1600-luvulla alkoi tieteiden vallankumous. Gilbert oli jo tehnyt systemaattisia kokeita teorioidensa perustaksi, mutta varsinaisesti kokeellisen luonnontieteen katsotaan alkavan Galileo Galileista (1564-1642). Aristoteles oli luokitellut asioita ja ilmiöitä eri nimiä käyttäen, kun taas Galilei pyrki etsimään ilmiöiden lakeja. Galilein mukaan luonnontiede oli luonnon omien matemaattisten ajatusten lukemista. Hänen mukaansa tutkijan piti osata tehdä luonnolle oikeat kysymykset, joihin vastaukset saatiin havaitsemalla, kokeilemalla ja matemaattisella analyysillä. Tieteellisen tutkimuksen tuli täyttää tieteellisen totuuden kriteeri. Tämä kriteeri perustui havaintoihin, järkeen, kokeisiin ja toistettavuuteen. 19
Tutkimuksista tehtyjen tarkkojen muistiinpanojen ansiosta tiedemiehet pystyivät toistamaan ja soveltamaan kokeita omissa laboratorioissaan. (Viiri, Dimensio 2/02, s. 51) 5.5. Sähkön synnyttäminen ja siirtäminen 5.5.1. Lasipallogeneraattori Royal Societyn demonstraattori Fransis Hauksbee (1666-1713) huomasi, että tyhjäksi imetty lasipallo oli rikkipalloa tehokkaampi hankaussähkögeneraattori. Myöhemmin hän korvasi lasipallon pitkällä lasiputkella, joka silkkikankaalla hankaamalla saatiin helposti sähköiseksi. Hankaussähkökokeiden tekeminen helpottui huomattavasti. Demonstraattoriuransa alussa Hauksbee teki kokeen, jossa elohopea syöksyi tyhjennettyyn lasiputkeen. Tällöin syntyi kaunis valoilmiö, tulisuihku. Hän toisti koetta varioimalla ilmanpainetta putken sisällä ja teki havainnon, että valoa ei syntynyt normaalissa ilmanpaineessa eikä myöskään liian tyhjässä tilassa. Hän päätteli, että syynä oli elohopean hankaus lasia vasten, eli hankaussähkön aiheuttama valo. Vuonna 1705 hän teki kokeen, jossa hän pyöritti ilmasta tyhjennettyä lasipalloa akselin avulla. Kun palloa samalla painettiin villakankaalla, syntyi kaunis violetti valo. Valo katosi heti, kun palloon päästettiin ilmaa. Valossa saattoi jopa lukea suurilla kirjaimilla kirjoitettua tekstiä. Oli keksitty loistelampun edeltäjä. Vuonna 1710 Hauksbee teki kokeen, jossa hän käytti kahta puukuutiota, joista toinen oli ontto. Hän havaitsi, että kuutiot käyttäytyivät sähkökokeissa täysin samalla tavalla. Tästä hän päätteli, että sähkö kerääntyy aina kappaleen ulkopinnalle. 20
5.5.2. Sähkön johtuminen Sähkökokeiden teko oli tullut helpoksi Hauksbeen lasiputken avulla. Englantilainen Stephen Gray (1670-1736) oli seurannut Hauksbeen esityksiä ja alkoi itse tehdä sähkökokeita. Hän huomasi, että sähköä siirtyi lasiputken päissä oleviin korkkeihin. Hän havaitsi myös, että sähköä siirtyi korkkeihin kiinnitettyä narua pitkin narun päässä oleviin esineisiin. Tämä tuntui erikoiselta, sillä korkki ja langan materiaali eivät olleet hankaamalla sähköistettäviä aineita. Hän kokeili myös, kuinka pitkälle sähköä voitaisiin siirtää narua pitkin ja onnistuikin lopulta siirtämään sähköä 270 metriä. Sähkön siirtäminen onnistui, vaikka sähköistetty lasiputki ei olisi koskettanut lainkaan narua. Riitti, kun lasiputki vietiin lähelle narua. Johtamiskokeissa narun tukemiseen käytettiin ohutta silkkilankaa. Gray huomasi, että metallit eivät tähän tarkoitukseen käyneet. Hän jatkoi kokeita kaikilla mahdollisilla materiaaleilla ja huomasi, että eristämiseen sopivat silkin lisäksi esimerkiksi hius, hartsi ja lasi. Sähkön johtamiseen soveltuivat metalli, vesi, vihannekset ja vaikkapa ihminen. Hän huomasi, että eristeaineet olivat samoja kuin Gilbertin määrittelemät elektriset aineet eli aineet, jotka voitiin saada hankaamalla sähköisiksi. Johteet taas osoittautuivat samoiksi kuin Gilbertin epäelektriset aineet. Grayn apulainen Granville Wheler (1701-1770) rakensi ensimmäisen sähkön mittarin, elektrometrin. Se koostui kahdesta vierekkäin asetetusta langanpätkästä. Sähkön vaikutuksesta langat karkottivat toisiaan ja muodostivat kulman, joka voitiin mitata. Laitetta parannettiin vuonna 1753, jolloin lankojen päihin ripustettiin kevyet seljapuun ytimestä tehdyt pallot. Mittaustekniikka parantui vähitellen, mikä loi edellytykset sähköopin tieteelliselle kehittymiselle 1800- luvulla. 21
5.5.3. Lasi- ja lakkasähkö Grayn sähkökokeet innoittivat useita aikalaisia. Yksi heistä oli ranskalainen upseeri ja Versaillesin puutarhojen yli-intendentti Charles Francois de Cisternay Dufay (1698-1739). Dufay aloitti tutkimuksensa tekemällä listan selvittämättömistä kysymyksistä, joihin Grayn kokeet eivät antaneet vastausta. Gray oli luetteloinut aineita, jotka voitiin sähköistää hankaamalla. Dufayta kiinnosti, voitaisiinko kaikki aineet sähköistää eli oliko sähköisyys aineiden yleinen ominaisuus. Kokeisiinsa nojautuen Dufay tuli siihen tulokseen, että kaikkia aineita, paitsi metalleja tai niitä, jotka olivat liian pehmeitä hangattaviksi, voitiin sähköistää. Sähköistyminen oli siis aineiden yleinen ominaisuus muutamia poikkeuksia lukuun ottamatta. Dufay osoitti myös, että kaikki aineet voitiin sähköistää koskettamalla niitä sähköistetyllä kappaleella. Ainoana ehtona oli, että kappale täytyi laittaa tarpeeksi paksun elektrisen alustan päälle. Nestemäiset aineet voitiin sähköistää laittamalla neste lasiastiaan. Lasiastian täytyi olla eristetyllä alustalla. Kappaleet voitiin sähköistää myös ilman kosketusta tuomalla sähköistetty kappale riittävän lähelle. Dufay teki sähkönsiirtokokeita yhdessä Jean Antoine Nollet n (1700-1770) kanssa. He saivatkin siirrettyä sähköä 400 metriä kostutettua narua pitkin. Nollet sta tuli myöhemmin Ranskan johtavia sähköntutkijoita. Dufay formuloi ensimmäiset sähköisten voimien säännöt: (Lindell 1994, s. 18) Sähköistetyn ja sähköistämättömän kappaleen välillä on aina vetovoima Sähköistettyjen kappaleiden välillä on aina poistovoima. Jatkaessaan kokeitaan Dufay huomasi, että aina ei näin ollutkaan. Sähköiseksi hangattu lasiputki karkotti aina kappaletta, joka oli tehty sähköiseksi lasin avulla, mutta lasiputkella sähköistetty lehtikullan palanen ja sähköiseksi hangattu hartsitanko vetivät toisiaan puoleensa. Voiman suunta näytti riippuvan siitä, mistä 22
aineesta sähkö oli hankaamalla saatu. Niinpä hän teki rohkean oletuksen, että olemassa olikin kahta erilaista sähköä, lakkasähköä ja lasisähköä. Erilaiset sähköt pyrkivät yhteen ja samanlaiset erilleen. Dufay selosti koettaan seuraavasti: Jos haluaa tietää kumpaan luokkaan sähkö kuuluu, tarvitsee vain sähköistää silkkilanka, jonka sähkö on lakkasähköä, ja katsoa vetääkö vai karkottaako sähköistetty kappale sitä. Jos vetää, se on varmasti sitä, mitä kutsun lasisähköksi, päinvastaisessa tapauksessa se on samaa sähköä kuin silkissä, siis lakkasähköä. Olen myös havainnut, että siirtyvä sähkö on samaa lajia kuin synnyttävä sähkö. (Lindell 1994, s. 19-20) 5.5.4. Sähkönkäytön ongelmia Sähköä saatiin Grayn ja Dufayn käyttämästä lasiputkesta tai Hauksbeen lasipallogeneraattorista riittävästi kokeita varten, mutta mihinkään hyödylliseen se ei riittänyt. Lasipallogeneraattoria parannettiin kasvattamalla pyörimisnopeutta vauhtipyörän ja hihnavälityksen avulla. Vuonna 1750 englantilainen Benjamin Wilson (1721-1788) keksi kampamaisen kärkikokoajan, jolla varaus siirrettiin pois lasilta. Lopulta sylinteri korvattiin lasikiekolla, jolloin oli kehitetty vielä nykyäänkin kouluissa käytettävä hankausgeneraattori. Sähkön tuottaminen ei siis enää ollut vaikeaa, mutta sen varastoiminen oli. Sähköä varastoitiin esimerkiksi silkkilankojen varassa roikkuviin kiväärin piippuihin, joihin sähkö johdettiin metalliketjuja pitkin. Suuremmissa kokeissa sähköä saatettiin varastoida tykin piippuihin. Varaus hävisi puutteellisen eristyksen ja ilmankosteuden takia melko nopeasti. Sähköä oli tuotettava samalla, kun sitä tarvittiin. 5.5.5. Leydenin pullo Lokakuussa 1745 saksalainen fyysikko Ewald Georg von Kleist (1700-1748) yritti varastoida sähköä elohopeaa täynnä olevaan lasipulloon. Kleist piti lasipulloa kädessään. Sähkö johdettiin pulloon pitkän naulan avulla. Toisella kädellä naulaa pois ottaessaan Kleist sai pullon kokoon nähden huomattavan suuren sähköiskun. 23
Havainnoistaan hän raportoi useille ystävilleen. Koetta toistettiin ahkerasti, mutta aina se ei suinkaan onnistunut. Syynä saattoi olla esimerkiksi se, että pulloa ei pidetty kädessä vaan pöydällä. Hollantilainen professori Pieter van Musschenbroek (1692-1761) teki onnistuneen kokeen Kleistin keksimällä pullolla Leydenin yliopistossa Hollannissa vuonna 1746. Siitä tiedotettiin välittömästi Pariisiin ja sieltä tieto levisi ympäri Eurooppaa. Sähköä voitiin nyt varastoida huomattavasti pitempiä aikoja ja kytkemällä pulloja rinnakkain patteriksi saatiin varauskykyä moninkertaistettua. Laitetta alettiin kutsua Leydenin pulloksi. Musschenbroek paranteli pulloa. Veden sijasta pullo voitiin täyttää kuparilastuilla tai sisustaa metallikalvolla. Ulkoelektrodina toimiva käsi tai metallialusta korvattiin myöhemmin metallikalvolla. Sähköinen voima ja sähkökipinä olivat sähkön tunnusmerkkejä. Leydenin pullosta tuli peruslaite, jonka avulla sähkö voitiin tunnistaa. Kun jotakin ilmiötä epäiltiin sähköilmiöksi, suoritettiin Leydenin pullon avulla kokeet ja testattiin, oliko ilmiöllä sähkön tunnusmerkit (Kurki-Suonio, K & R, s. 376). Sähköä voitiin nyt varastoida helposti Leydenin pulloon, mutta jatkuvaa sähkövirtaa ei vielä saatu. 5.5.6. Physique amusante eli hupifysiikka Sähköstä tuli 1750-luvulla kansanhuvi. Luennoitsijat kiersivät kylissä ja kaupungeissa esittämässä toinen toistaan huikeampia esityksiä. Kuuluisia demonstraattoreita olivat saksalainen Georg Mattias Bose (1710-1761) ja ranskalainen Jean Antoine Nollet (1700-1770), joka toimi luonnontieteiden opettajana Ranskan hovissa. Yksi suosituimmista kokeista oli ihmisen varaaminen sähköllä. Tällöin hiukset ja ihokarvat nousivat pystyyn, pimeässä sormenpäistä saattoi näkyä sähköpurkauksia ja kosketettaessa varattua henkilöä sai sähköiskun. Varsin suosittu oli sähköinen suudelma. Eristelevyllä seisova neitonen varattiin 24
sähköllä ja hänen huuliltaan ihailijat saivat sähköisen suudelman, pienen sähköiskun. Mieleenpainuvia esityksiä olivat myös ruutiannoksen tai alkoholihöyryjen sytyttäminen sähkökipinän avulla. Leydenin pullosta saamastaan voimakkaasta sähköiskusta huolimatta ihmiset olivat innokkaita kokeilemaan sitä itseensä. Nollet teki Pariisissa kokeen, jossa hän yhdisti 700 munkkia rautalangoilla 1,5 km pitkäsi ketjuksi. Hän johti ketjuun sähköpurkauksen, jolloin munkit kouristelivat ja kirkuivat. Sähköä voitiin siis johtaa kilometrien päähän. 5.5.7. Sähkön hyötykäyttö Leydenin pullosta saatavat sähköiskut innoittivat tutkijat kokeilemaan sähköllä annettavaa terapiaa. Sähkön avulla saattoi olla mahdollista elvyttää halvaantuneita raajoja. Nollet teki ensimmäiset kokeilut vuonna 1746, mutta kokeilut eivät tuottaneet toivottua tulosta. Sveitsiläinen professori Jean Jallabert (1712-1768) kokeili vuonna 1747 sähköterapiaa lukkoseppään, joka oli halvaantunut 14 vuotta aiemmin. Seppä oli rautaa takoessaan saanut vahingossa lekasta iskun päähänsä, jolloin hänen oikea kätensä oli halvaantunut. Muutaman kuukauden hoidon jälkeen käsi alkoi toimia lähes normaalisti. Menetelmä tuntui lupaavalta, mutta läheskään aina se ei toiminut. Havaittiin, että kaikkiin halvauksiin ei sähköiskulla voitu vaikuttaa. 5.5.8. Piirin käsite Nollet n munkkikokeessa oli todistettu, että sähkö siirtyy ihmisestä toiseen pitkiäkin matkoja. Tarkempaa tietoa sähkön kulusta ei kuitenkaan ollut. Royal Societyn fysikaalisen kokoelman hoitaja William Watson (1715-1787) havaitsi, että ympärikiertävä kulkutie on edellytyksenä sähkön kululle. Kun ihmisistä muodostettiin piiri ja päissä olevat henkilöt tarttuivat Leydenin pullon elektrodeihin, sähköisku kulki ihmisestä toiseen. Kun piiri katkaistiin, sähkö ei enää kulkenut. Jos piiriin tartuttiin vain yhdellä kädellä, sähköiskua ei tuntunut. 25
Tämä aiheutti ihmetystä, koska sähköä pidettiin aineena, joka kosketettaessa siirtyi ihmisestä toiseen. Watson oletti, että sähkö siirtyy aina lyhintä mahdollista reittiä myöten. Myöhemmin hän huomasi, että asia ei ollut näin, vaan sähkön kulkuun vaikutti esimerkiksi aineiden laatu. Watson yritti myös mitata sähköiskun etenemisnopeutta. Siinä hän ei kuitenkaan onnistunut, vaan tuli tulokseen, että sähköiskun etenemisnopeus on ääretön. Ranskan kuninkaan Ludvig XVI:n henkilääkäri Louis Guillaume le Monnier (1717-1799) sai kokeillaan tuloksen, että sähköiskun nopeus on yli 30-kertainen äänennopeuteen verrattuna. Sähköpiirikokeissaan hän havaitsi, että piirin päissä olevat tunsivat sähköiskun myös jaloissaan. Sähkö siis kulki jalkojen kautta maahan. Tästä hän päätteli, että maa on johde. 5.6. Sähkö luonnonilmiönä 5.6.1. Sähkön tutkimus Amerikassa 1700-luvun tieteen keskuksia olivat Euroopan suuret kaupungit, varsinkin Lontoo ja Pariisi. Ensimmäinen suuri tiedemies Amerikassa oli Benjamin Franklin (1706-1790). Hän oli monipuolisesti lahjakas keksijä, lehtimies ja valtiomies. Kokeillaan hän osoitti, että ilmakehä on luonnostaan sähköinen. Ensimmäisen kerran Franklin kiinnostui sähköstä vuonna 1744, jolloin hän oli kuuntelemassa Englannista tulleen Adam Spencerin yleisöluentoa. Hän kuuli luennolla sähköpurkauksen aiheuttaman pamauksen ja alkoi miettiä, olisiko salama sähköä. Franklin osti Spencerin laitteet ja aloitti sähkötutkimuksensa. 26
5.6.2. Positiivinen ja negatiivinen sähkö Dufayn mukaan oli olemassa kahta erilaista sähköä, lasisähköä ja lakkasähköä. Franklin sen sijaan selitti koetulokset kahden erilaisen sähkön sijasta yhden sähkön avulla, joista toinen laji oli sähköä itseään ja toinen sen puutetta. Hänen mukaansa kappale sisältää neutraalissa tilassa aina normaalin määrän sähköainetta. Sähköistettäessä lisätty sähkömäärä kerääntyy kappaleen pinnalle ja se tulee positiivisesti sähköiseksi. Jos taas kappaleelta riistetään sähköainetta esimerkiksi hankaamalla sitä toiseen kappaleeseen, siitä tulee negatiivisesti sähköinen. Franklin huomasi sähkökokeita tehdessään, että hankauksessa hankaavat osapuolet tulivat kumpikin sähköisiksi ja syntyneet sähkömäärät olivat yhtä suuret mutta eri lajia. Koska hangattaessa kumpaakin sähkölajia tuli yhtä paljon, Franklin päätteli, että sähköaine, fluidum, siirtyi kappaleesta toiseen. Tällöin toiseen syntyi vastaava sähkön vajaus. Siis itse asiassa Franklin oli oivaltanut varauksen häviämättömyyden lain. Hän osoitti, että Leydenin pullon sisä- ja ulkoelektrodeilla olevat varaukset olivat yhtä suuret ja erimerkkiset, sillä sähköisyys hävisi, kun elektrodit yhdistettiin. Franklin valitsi lasisähkön etumerkiksi plus (+) ja lakkasähkön etumerkiksi miinus (-). Sähköisille voimavaikutuksille Franklin esitti lait: Sähköhiukkasten kesken vallitsee aina poistovoima. Sähköhiukkasten ja tavallisten hiukkasten välillä on vetovoima. 5.6.3. Ukkosenjohdatin Aristoteles oli pitänyt salamaa meteorina ja myöhemmin salaman oli selitetty olevan ilmakehään kerääntyneiden kaasujen räjähdys. Englantilainen Samuel Wall oli jo vuonna 1708 tulkinnut salaman sähköilmiöksi vertaillessaan meripihkan hieromisessa syntyvää kipinää ja ääntä salamaan. Myöskin sähköntutkijat Gray ja Nollet olivat olleet saman teorian kannattajia. Leipzigiläinen Johann Heinrich 27
Winkler (1703-1770) oli jopa väittänyt, että ainoa ero sähkökipinällä ja salamalla on niiden voimakkuudessa. Tätä hän ei kuitenkaan pystynyt todistamaan. Franklinia kiinnosti alusta lähtien terävien johdekappaleiden kyky vetää sähkövarausta puoleensa. Tylpällä johteella ei tällaista ominaisuutta ollut. Tähän perustui Franklinin idea purkaa salaman sähkö terävällä metallikärjellä. Tähän perustuen hän keksi ukkosenjohdattimen ja ideoi kokeen, jota hän ei kuitenkaan pystynyt itse toteuttamaan. Franklin ideoima koe tehtiin Ranskassa, jossa korkeille yksinäisille kukkuloille pystytettiin pitkiä rautatankoja. Toukokuussa 1752 nähtiinkin ukonilmalla rautatangon alapään ja maan välille syntyvän kipinöintiä. Ukkospilvet olivat siis sähköisiä. Kuultuaan ranskalaisten tekemästä ukkoskokeesta Franklin teki kesäkuussa 1752 kuuluisan leijakokeensa. Leija oli kiinnitetty hamppunaruun, joka kostealla säällä johti hyvin sähköä. Narun toisessa päässä oli metalliavain, josta lähti eristävä silkkinaru kokeilijan käteen. Franklin onnistui saamaan avaimesta sähkökipinöitä. Hän onnistui myös varaamaan salaman avulla Leydenin pullon. Näin salama oli todistettu sähköiseksi ilmiöksi. Samalla todistettiin, että salama ei ollut vain tiedemiesten kokeillaan aikaansaama vaan luonnossa esiintyvä ilmiö. Ukkosenjohdattimia alettiin heti rakentaa suojaamaan kirkkoja ja taloja. Kaikki eivät kuitenkaan niitä hyväksyneet. He katsoivat johdattimien olevan Jumalan tahdon vastaisia ja lisäksi maahan johdetun sähkön arveltiin myöhemmin purkautuvan maanjäristyksinä. Niinpä rakennettuja ukkosenjohdattimia jopa revittiin alas. 5.7. Sähköisten ja magneettisten voimien lait Isaac Newtonin pääteos Philosophiae Naturalis Principia Mathematica ilmestyi vuonna 1687. Teoksessaan hän kokosi ja yhdisti taivaan mekaniikan ja 28
maanpäällisen mekaniikan ja muotoili ne kolmeksi liikelaiksi. Hän todisti aurinkokunnan taivaankappaleiden väliselle vetovoimalle F ~ 1/r 2 -riippuvuuden. Newtonin lait perustuivat laajaan kokeelliseen aineistoon ja muodostivat yhtenäisen perustan koko klassiselle mekaniikalle. (Saarikko, luennot) Newtonin Principia sai hyvin ristiriitaisen vastaanoton. Toiset tiedemiehet kannattivat hänen ajatuksiaan ja toiset tyrmäsivät ne mahdottomina. Itämään jäi kuitenkin ajatus, voitaisiinko sähkön ja magnetismin lait esittää Newtonin gravitaatioteorian mukaisesti. 5.7.1 Sähköaineen ja tavallisen aineen väliset voimalait Ensimmäisen yrityksen lakien esittämisestä teki saksalainen Franz Ulrich Theodosius Aepinus (1724-1802). Aepinus tutki turmaliinikiven lämpösähköisiä ominaisuuksia. Hän huomasi turmaliinikiven ja magneettikiven välillä yhtäläisyyksiä, mikä johti hänet tutkimaan sähkön ja magnetismin analogiaa. Franklin oli osoittanut, että sähkö varastoituu Leydenin pullossa lasiin. Aepinus huomasi, että lasi ei ollut välttämätön, sillä ilmaeristeinen kondensaattori toimi yhtä hyvin. Vuonna 1757 ilmestyneessä kirjassaan Tentamen theoriae electricitatis et magnetismi hän esitteli sähkön ja magnetismin teoriansa. Kirjassaan hän käsitteli sähkö- ja magneettivoimaa matemaattisen etäisyyslain avulla. Hän oletti voimalain olevan muotoa 1/r n, kun etäisyyttä merkitään r:llä. Potenssin n arvon hän jätti avoimeksi. Sähköaineen ja tavallisen aineen välille Aepinus postuloi seuraavat lait: (Lindell, s. 67) Sähköisten kappaleiden välillä on poistovoima. Sähköisten ja tavallisten kappaleiden välillä on vetovoima. Tavallisten kappaleiden välillä on poistovoima. 29
Kun tavallinen aine tulkitaan negatiivisesti varatuksi ja sähköaine positiivisesti varatuksi, teoria vastaa nykyistä terminologiaa. Aepinus selitti magnetismin vastaavalla tavalla. Normaalioloissa raudan magneettinen aine on jakaantunut tasaisesti, jolloin mitään magneettista ilmiötä ei esiinny. Kun magneettinen aine siirtyy raudan toiseen päähän, syntyy sinne pohjoisnapa. Kappaleen toiseen päähän jää magneettinen vajaus eli se on etelänapa. Näin Aepinus oli ensimmäisenä esittänyt sähkön ja magnetismin lait analogisina. Tähän johtopäätökseen hän oli tullut tutkiessaan turmaliinia. Kun kiven upotti muutamaksi minuutiksi kiehuvaan veteen, kiven toinen sivu tuli positiivisesti sähköiseksi ja toinen negatiivisesti sähköiseksi, siihen syntyi dipolivaraus. Sähköisyys säilyi kunnes kivi jäähtyi. Koskettamalla sähköisyys ei hävinnyt. Turmaliini toimi siis magneetin tavoin. 5.7.2 Coulombin kokeet Monet tiedemiehet olivat ennustaneet sähkölle samanlaista matemaattista voimalakia kuin Newtonin gravitaatiolaki. Lain oikeaksi toteaminen ei ollut onnistunut, koska sähköiset voimat olivat hyvin pieniä. Toisaalta voimien mittauksiin ei oltu kehitetty tarpeeksi tarkkoja mittalaitteita. Ranskalainen Charles-Augustin Coulomb kehitti herkän mittalaitteen, torsiovaa an, jolla voitiin mitata heikkoja sähkö- ja magneettivoimia. Coulomb käytti kokeissaan kahta samanlaista kevyttä puuydinpalloa, jotka varattiin samansuuruisilla sähkövarauksilla. Kokeissa tärkeintä oli eri etäisyyksillä vaikuttavien voimien suhteiden määritys. Tämä ratkaisisi potenssin n etäisyyslaissa, mikäli voima noudattaisi potenssilakia. Coulomb pystyi osoittamaan, että voima on kääntäen verrannollinen etäisyyden neliöön eli F 1/r 2. Coulomb määritti myös magneettisille poisto- ja vetovoimille etäisyyslain. Tässä määrittelyssä hän käytti pitkiä magneettineuloja ja tutki niiden päiden välistä voimaa päätyen jälleen 1/r 2 -lakiin. 30
Coulomb osoitti myös kokeillaan, että voimat ovat verrannolliset kappaleiden sähköisten tai magneettisten varauksien tuloon. Tämän osoittamiseksi tarvittiin menetelmä sähkövarauksien muuttamiseksi. Sähkövaraus saatiin puolitettua koskettamalla varatulla pallolla toista samanlaista varaamatonta palloa. Näin syntyi sähköinen voimalaki eli Coulombin laki F = Q 1 Q 2 /r 2. Coulombin lait liittävät sähkö- ja magnetismiopin kiinteästi mekaniikkaan. Lakeja voidaan käyttää kuin mitä tahansa voiman lakeja sähköisten ja magneettisten systeemien liike- ja tasapainoprobleemien ratkaisemiseen. (Kurki-Suonio, K & R 1998, s. 376) 31
6. Sähkövirta 6.1. Sähköpariston kehitys Staattisen sähkön käyttö oli rajoittunut kertailmiöihin. Sähköä oli jo voitu jonkin verran varastoida, mutta jatkuvaa sähkövirtaa ei saatu ennen kuin italialainen Alessandro Volta (1745-1829) keksi sähkökemiallisen parin vuonna 1800. Tämä on keksinnön virallinen julkaisemisvuosi. Voltan pari oli kuitenkin tunnettu tiedemiespiireissä jo useita vuosia aikaisemmin ja sen avulla synnytetyn sähkövirran kemiallisia vaikutuksia julkaistiin jo vuonna 1797. 6.2. Animaalinen sähkö Italialainen Aloisio Luigi Galvani (1737-1798) aloitti tieteellisen työnsä tekemällä lääketieteellisiä tutkimuksia muun muassa sammakon lihas- ja hermofysiologiasta. 1700-luvun lopulla hän alkoi tehdä sähkökokeita sammakon reisillä. Hän valmisti tutkimuksiaan varten preparoituja sammakoita, joissa oli jäljellä vain takaraajat, selkäytimen osa ja jalkojen hermosäikeet. Galvani suoritti kokeen, jossa sammakonjalka oli metallijalustalla. Jalka nytkähteli, kun sitä kosketettiin sähköstaattiseen generaattoriin kiinnitetyllä johtimella. Koetta muunnellessaan Galvani huomasi, että jalka nytkähteli, vaikka sähkökoneen johdin ei koskettanut hermoa. Sammakon jalan lihas supistui myös, kun jalan hermoa kosketettiin leikkausveitsellä ja samalla otettiin sähkökoneesta kipinöitä. Jalka ei tällöin ollut yhteydessä sähkökoneeseen. Galvani varioi koetta edelleen ja korvasi veitsen lasitangolla ja rautatangolla. Rautatanko toimi samoin kuin veitsi, mutta lasitangolla jalka ei nytkähdellyt. Galvani tutki myös ilman sähköisyyden vaikutusta sammakon jalkaan. Hän ripusti sammakon jalkoja messinkikoukuilla parvekkeen rautaiseen kaiteeseen. Säällä, 32