Sähkövaraus Atomit koostuvat protoneista, neutroneista ja elektroneista. Sopimuksen mukaan protonin varausta sanotaan positiiviseksi (+1 e) ja elektronin varausta negatiiviseksi (-1 e). Elektronin varaus merkitään kirjaimella e, ja sen suuruus on -1,602 10-19 C. Vastaavasti protonin varauksen suuruus on +1,602 10-19 C. Varauksen suuruus on molemmilla yhtä kuin alkeisvarauksen suuruus. Kuva 1. Atomin osat ja varaukset Hankaussähkö Eri aineilla on erilainen elektronegatiivisuus. Aine jonka elektronegatiivisuus on suuri vetää voimakkaammin puoleensa elektroneja kuin aine jonka elektronegatiivisuus on pieni. Kun kahta keskenään elektronegatiivisuudeltaan eri suurta ainetta hangataan toisiinsa siirtyy elektronegatiivisuudeltaan alhaisemmalla tasolla olevasta aineesta elektroneja toiseen aineeseen. Elektronien siirryttyä on syntynyt sähkövaraus. Toinen aine on negatiivisesti varautunut ja toinen aine positiivisesti. Kuva 3. Kampaaminen on varannut kamman joka vetää paperisilppua puoleensa Varaukselliset hiukkaset, joiden varaus on samanmerkkinen, työntävät toisiaan luotaan, kun taas hiukkaset, joiden varaus on vastakkaismerkkinen, vetävät toisiaan puoleensa. Kuva 2. Varausten vetovoimat Sähkövarauksen tunnus on Q ja yksikkö Coulombi ( C ). Sähkövarauksesta käytetään myös nimitystä sähkömäärä. Sähkövaraus syntyy kun atomien elektroneja siirtyy paikasta toiseen hankauksen tai induktion seurauksena. Hankaussähköä syntyy sähköä huonosti johtavien aineiden hangatessa toisiinsa. Metallien hankaaminen ei johda hankaussähkön syntymiseen, koska metalli johteena purkaa varauserot hankauksen aikana. Hankaussähköä siirtyy helposti ihmiseen jos käyttää keinokuituisia vaatteita jotka hankaavat toisiin keinokuituihin jotka ovat istuimissa tai muoviseen tuolin pintaan. Varaus purkautuu ja ihminen saa pienen sähköiskun kun hän koskee vaikkapa metalliseen oven kahvaan. Staattisen sähkön purkautuminen ei ole ihmiselle vaaraksi vaikka siinä jännite ja virtakin ovat hetkellisesti suuria. Purkausaika on niin lyhyt ettei se aiheuta vaaraa.
Hankaussähkön jännite voi olla hyvin korkea, jopa kymmeniä tuhansia voltteja. Kun jännite on hyvin korkea voi hankaussähkö aiheuttaa staattisen kipinän. Kipinässä varaukset tasoittuvat ja sen aikana pintojen välillä kulkee sähkövirtaa. Kuva 4. Staattinen kipinä kahden pallon välillä todennäköisyyttä. Hankaussähkö voi vaurioittaa joitain elektroniikan komponentteja Ukkosen sähkö on hankaussähköä, joka syntyy pilvissä olevien pölyn, lumihiutaleiden, rakeiden ja jääneulasten törmäillessä toisiinsa nousevan ja laskevan ilmavirtauksen rajapinnassa. Pilven ylä- ja alaosat varautuvat erimerkkisiksi. Kun jännite on riittävän suuri salaman isku tasoittaa varauserot. Salaman iskun aikana kulkee pilvien välillä suuri määrä sähkövirtaa. Kuva 5. Salamointia Staattinen kipinä voi hypätä pinnasta toiseen pitkänkin matkan johtuen korkeasta jännitteestä. Staattinen kipinä ei sytytä helposti paloja ellei sen alueella ole hyvin helposti syttyviä aineita. Höyrystyneet liuotinaineet ovat helposti syttyviä. Jos liuotinhöyryn määrä ilmassa on riittävä, niin staattinen kipinä voi räjäyttää liuottimen ja sytyttää nopeasti etenevän tulipalon. Tämän vuoksi laitteet joilla liuotinaineita käsitellään on maadoitettava. Maadoituksessa laitteen metalliosa kytketään johtimella ympärillä olevaan metallirakenteeseen joka on kosketuksessa maahan. Maadoitus poistaa laitteeseen mahdollisesti syntyvät varaukset ja estää näin kipinöinnin. Maadoitettavia laitteita ovat mm: Hankaussähköllä ei tuoteta sähköä. Sähkömagneettinen induktio Kun johdinta liikutetaan magneettikentässä syntyy sähköjännite ja sähkövirta. Kuva 6. Magneetin liikuttaminen johdinsilmukassa synnyttää sähkövirtaa - liuotinainetynnyrit - suurpaineruiskut - air-mix-ruiskut - liuotinainepumput Staattinen kipinä voi sytyttää myös pölyn tai jauhemaalin. Maaliruiskuja käyttävän maalarin tulee myös olla maadoitettu. Ilman korkea suhteellinen kosteus pienentää hankaussähköstä syntyviä jännitteitä ja laskee yli ampeerin suuruisen huippuvirran Sähköä tuotetaan generaattoreilla, joissa mekaanisen ( pyörivän ) liikkeen energia muutetaan sähköenergiaksi. Generaattorin toiminta perustuu sähkömagneettiseen induktioon.
Kuva 7. Auton laturi joka on autolle sähköä tuottava generaattori. Pyörintä saadaan hihnan avulla auton moottorin akselista. Sähköjännite Kun sähkövarausta kuljetetaan sähkökentässä voimaviivojen suunnan vastaisesti on tehtävä työtä. Vastaavasti mekaniikassa nostettaessa kappaletta ylöspäin maan vetovoimakentässä on tehtävä työtä. Kuva 10. Työ nostossa Kuva 8. Suuri generaattori joka sähköä valtakunnalliseen sähköverkkoon. Generaattoria pyörittää turbiini, jota taas pyörittää vesivoima Kun kappale on nostettu alemmalta korkeudelta ylemmälle, on siihen tuotu potentiaalienergiaa jonka suuruus on: E p = m g h Missä: E p = potentiaalienergia m = kappaleen massa g = maan vetovoimakiihtyvyys h = nostettu korkeus Kuva 11. Työ varauksen siirrossa Kuva 9. Agregaatti jossa bensiinimoottori pyörittää generaattoria joka tuottaa sähköä Varauksen siirrossa siirtyvät elektronit. Varauksien siirtyminen luo sähköjännitteen. Jännitteen tunnus on U ja sen yksikkö on Voltti ( V ). Sähkövirran edellytys on olemassa oleva jännite-ero.
Lähde- ja napajännite Kun akkua tai paristoa käytetään siinä oleva varaus heikkenee. Akun tai pariston varaustilaa voidaan mitata jännitemittarin avulla. Jännitteen mittauksessa saadaan eri tulos kun mittaus tehdään niin ettei akkua tai paristoa kuormiteta. Tällöin mitataan lähdejännitettä. Kun akkua tai paristoa kuormitetaan samanaikaisesti mittauksen aikana niin tällöin mitataan napajännitettä. Jos napajännite on paljon alhaisempi kuin lähdejännite on akun tai pariston varaustila huono. Kuva 12. Lähde- ja napajännite Kuva 14. Sähkön virtaus Sähkövirran suunnan on sovittu olevan päinvastainen kuin elektronien suunta. Sähkövirran jatkuvan kulun edellytys on suljettu virtapiiri jota pitkin elektronit pääsevät kulkemaan. Toisena edellytyksenä on lähdejännite. Lähdejännitteen tuottaa sähköverkkoon sähkövoimalat, auton sähkölaitteisiin auton laturi ja puhelimiin puhelimen akku. Kuva 15. Suljettu virtapiiri jossa virtaa antaa paristo ja sitä kuluttaa lamppu Sähkövirta Sähkövirran tunnus on I ja sen yksikkö on ampeeri ( A ). Kun johtimessa kulkee 1 ampeerin virta, menee sen läpi 1 C/e eli 6,24 10 18 elektronia sekunnissa. Sähkövirtaa voidaan verrata veden virtaukseen. Kun johtimessa kulkee yhden ampeerin virta, menee sen läpi 6,24 10 18 elektronia sekunnissa, kun taas vesiputkessa virtaus voi olla 1 litraa sekunnissa. Kuva 13. Veden virtaus Avoimessa virtapiirissä virran kulkua ei ole koska virtapiiri on poikki jostain kohdasta. Virtapiirissä on kuitenkin jännite. Kuva 16. Avoin virtapiiri jossa katkaisija estää sähkövirran kulun
Sähkövastus ( resistanssi ) Sähkövastus on sähkövirran kulkua vastustava " voima". Vastuksen aiheuttajana pidetään johtimien atomien värähtely ja törmäily toisiinsa, joka hidastaa elektronien kulkua johtimessa. Mekaniikan puolella veden virtausta voi vastustaa putken ohuus, sen sisäpinnan karheus, ahtaumat putkessa ja veden sisäiset ominaisuudet kuten sen korkea viskositeetti ( vrt. ohut /paksu maali ). Sähkövastus riippuu mm. seuraavista tekijöistä: Johtimen materiaalista Johtimina käytetään yleensä eri metalleja niiden hyvän johtavuuden vuoksi. Metallien sähkönjohtavuus perustuu metalliatomien metallisidoksesta eli atomien ytimien ympärillä vapaina liikkuvista elektroneista. Kuva 17. Metallisidos Kuva 19. Kovalenttinen sidos. Kovalenttisella sidoksella muodostuneet aineet eivät johda sähköä. Metallien välillä on suuria eroja niiden sähkövirralle aiheuttamassa vastuksessa. Mitä pienempi on johtimen vastus, sitä suurempi on sen johtavuus. Johtavuus on vastuksen käänteisluku. Hyvin sähköä johtavia metalleja ovat mm. kupari ja alumiini. Sen sijaan teräs, ja etenkin ruostumaton teräs ovat melko huonosti johtavia metalleja. Oksidoituneet metallipinnat johtavat huonosti sähköä. Esim. alumiini on puhtaana hyvin johtavaa, mutta anodisoitu alumiini huonosti johtavaa. Eri metallien suhteellisia johtavuuksia: Metalli Suhteellinen johtavuus Cu 100 Al 70 Fe 11 RST 4 Ti 3 Johtimen poikkipinta-alasta Kuva 18. Ionisidos. Ionisidokselliset aineet voivat johtaa sähköä sulana nesteenä. Ionit toimivat virran kuljettajina elektrolyysissä Johtimen poikkipinta-alan kasvaessa sen vastus pienenee, koska tällöin samasta poikkipinta-alasta ei tarvitse kuljettaa läpi yhtä paljon elektroneja. Kuva 20. Paksu johdin
Kuva 21. Ohut johdin Sähköteho Sähkötehon tunnus on P ja sen yksikkö on Vatti ( W ). Sähkötehon kaava on: P = U I Mekaniikan puolella putoavan veden antama teho on sen potentiaali energia jaettuna ajalla,, jossa potentiaali energia "purkautuu". Tällöin laskukaava on: Edellisestä syystä johtuen suuria sähkövirtoja siirrettäessä on johtimien oltava paksuja, muutoin johtimien vastus nousee niin suureksi että ne alkavat lämpenemään. Vastaavasti mekaniikan puolella voidaan ajatella tilannetta jossa nesteen viskositeetti olisi korkea ja sen virtausnopeus olisi suuri ohuesta putkesta johtuen. Tilanteessa nesteen virtauksen vastus saisi aikaan putkiston ja nesteen kuumenemisen. Sähkövastuksen tunnus on R ja sen yksikkö on Ohmi ( ). Sähkövirralla, vastuksella ja jännitteellä on seuraava yhteys: U = R I yksikköinä: ( V = A ) Kaavaa kutsutaan Ohmin laiksi, joka on sähköopin keskeisin kaava. Kaavasta havaitaan että jos vastus pysyy samana ja virtaa lisätään, kasvaa myös jännite. Vastaavasti jos jännitettä nostetaan niin virta kasvaa. Kaavasta havaitaan myös, että jos sähkövirta pysyy samana, mutta vastuksen arvo kasvaa, niin samalla kasvaa myös jännitteen arvo. P pot =mgh / t missä, P pot = Potentiaalienergia m = kappaleen massa g = maan vetovoimakiihtyvyys h = nostettu korkeus t = käytetty aika Kun vesiputouksen päältä pudotetaan vettä alas, on vedestä sähköturbiinille saatava teho riippuvainen veden määrästä ( m 3 ) ja putoamiskorkeudesta ( m ) sekä ajasta jossa vesi turbiinille tulee (s ). Jos veden määrä lisääntyy aikayksikössä niin teho kasvaa. Tekijä g ( maan vetovoima) on aina sama. Veden pudotessa sen nopeus kiihtyy maan vetovoimasta johtuen, minkä vuoksi juuri veden putoamisnopeudella on suurempi merkitys kuin sen massalla. Veden pudotessa sen potentiaalienergia muuttuu liikeenergiaksi seuraavasti: P kin =½mv 2 / t Sähkötehossa johtimessa sähkövirran ( siirtyvien elektronien ) määrä on kerrottu potentiaalilla, jonka voidaan ajatella olevan elektronien nopeuden antava tekijä. P = U I Tyypillisesti sähkölaitteissa käytettävä jännite on korkea ja virta pieni ( kodinkoneet yms. ), jolloin saavutetaan "suuri" sähköteho. Kun
korkea virta on suuri on johtimien pintaalojen oltava suuria, jotta johtimet eivät kuumene. Kun virta on pieni ja jännite suuri voidaan siirtää suurta sähkötehoa ohuitakin johtimia pitkin. Kuva 22. Korkeajännitelinja Tasasähkö / vaihtosähkö Tasasähkössä elektronien suunta on kokoajan sama. Kuva 23. Tasasähkö Suomessa käytetään korkeajännitelinjoissa 40000 200000 V jännitettä. Jännitettä alennetaan muuntaja-asemilla 230 V tai 360 V jännitteisiin joita käytetään kodeissa. Sähköenergia Sähköenergia saadaan kertomalla virta, jännite ja aika keskenään. Sähköenergian yksikkö on joule ( J ). E U I t Tasasähköä saadaan akuista, paristoista ja tasasuuntaajista jotka muuttavat vaihtosähkön tasasähköksi. Tasasuuntaajia ovat mm. puhelimien laturit, digiboksien, kannettavien PC:den ja tulostimien virtalähteet, hitsausmuuntajat ja sähkösaostuspinnoituksen virtalähteet. Tasasuuntaajia kutsutaan yleisesti virtalähteiksi koska ne antavat virtaa sähkölaitteille. Kuva 24. Vaihtosähkö Sähköenergian yksikkö on Ws. Usein käytetään kuitenkin yksikköä kwh, joka ei ole SI-järjestelmän yksikkö, mutta sitä käytetään mm. sähkön laskutuksessa. kwh-yksikkö voidaan muuttaa kj yksikköön kertomalla 3600 :lla. Vastaavasti kj yksikkö voidaan muuttaa kwh:ksi jakamalla 3600:lla. 1 kwh = 3,6 MJ = 3600 kj 1 kj = 0,00027 kwh Edellisiä muunnoksia tehdään usein laskettaessa sähköenergian käytöstä aiheutuvia kuluja. Vaihtosähkössä elektronien suunta muuttuu. Esim. verkkovirrassa, jonka jännite on 230 V ja taajuus 50 Hz, vaihtuu elektronien liikesuunta johtimessa 50 kertaa sekunnissa. Sähköverkosta saatava sähkö on vaihtosähköä
Sähköturvallisuudesta Sähkön vaarallisuus perustuu siihen, että ihmisen elintoiminnot pohjautuvat hermoston antamiin sähkösignaaleihin. Sähköiskun saatuaan tämä järjestelmä pettää, jolloin mm. sydämen normaali toiminta loppuu. Kuva 25. Sähköisku Sähkön vaikutus hermostoon on myös sellainen, että jännitteelliseen osaan koskettuaan ihminen ei kykene omin voimin siitä irrottautumaan. Edellisistä syistä johtuen korkeajännitteisiin osiin ei saa koskaan koskea. Sähkön siirrossa käytettävät tuhansien volttien jännitteet ovat niin suuria, että johtimista voi saada kuolettavan sähköiskun vaikkei niihin koskekaan. Korkea jännite hyppää ihmiseen jos hän menee liian lähelle johdinta. Sähkön siirrossa käytettävät johtimet ovat eristämättömiä joten niistä saa helposti vaarallisen sähköiskun. Kuva 26. Jännitteellinen pistorasia Sähkön vaarallisuudesta johtuen sähkötöitä saavat tehdä vain valtuutetut sähköasentajat. Sallittuja sähkötöitä ovat vain lamppujen ja sulakkeiden vaihdot. Pistorasioiden ja valokatkaisijoiden kannet saa poistaa maalauksen tai tapetoinnin ajaksi ja laittaa itse paikalleen. Itse katkaisijan saa irrottaa tai kiinnittää vain sähköasentaja. Myös suojamaadoittamattoman johdon pään saa liittää. Sähkökeskusten kansia ei saa avata kuin sähköasentaja tai turvallisuuskoulutuksen saanut henkilö. Korkeajännitteisiä sähkölaitteita saa korjata vain sähköasentaja. Kun sähköjännite on riittävän alhainen, ei sähkö ole vaarallista. Tasasähkössä turvallisuusraja on 150 V ja vaihtosähkössä 50 V. Tämän vuoksi mm. avojohtein viety virta sähkösaostuksessa ei ole vaarallista, koska jännite on vain muutamia voltteja. Samoin auton akun navoista ei ihminen saa vaarallista sähköiskua, koska jännite on 12 V. Jos akun navat yhdistetään metalliesineellä syntyy oikosulku ja voimakas valokaari. Samoin sähkösaostuspinnoituksessa käytettävä virta on suuri. Jos + ja navat saavat metallisen kohtaktin voi kontaktin aiheuttanut esine aiheuttaa voimakkaan valokaaren ja myös lentää vaarallisesti ympäristöön. Sulake ja vikavirtasuojaus Sulake suojaa sähkölaitteita vikatilanteissa ja estää vikaantuneita laitteita aiheuttamasta tulipaloja. Sulake palaa kun sen läpi kulkee liian suuri sähkövirta. Tyypillisiä sulakkeiden virta-arvoja ovat 10, 16 ja 25 A. Koska ihminen voi kuolla 200 ma:n aiheuttamaan sähköiskuun, ei sulake suojaa ihmistä. Vikavirtasuoja katkaisee sähkön kulun vikatilanteessa 50 ms ajassa. Vikavirtasuoja kykenee suojaaman ihmisen vaaralliselta sähköiskulta. Sähköturvallisuudesta on olemassa runsaasti hyvää kirjallista materiaalia. Ilmainen lähde on mm. Turvallisuuskeskuksen ( TUKES ) www-sivut. Osoite on www.tukes.fi