Sähkö on luonnonilmiö, jota emme voi nähdä suoraan, mutta jonka vaikutukset ympäröivät meitä kaikkialla. Kun lamppu syttyy, puhelin käynnistyy tai vedenkeitin alkaa sihistä, kyse on sähköstä. Silti kysymys ”mitä sähkö oikeastaan on?” ei ole itsestään selvä. Vastaus löytyy, kun lähestymme asiaa havainnollisen vertauksen kautta.
Jännite on korkeusero
Kuvittele kaksi vesiallasta, joista toisessa veden pinta on korkealla ja toisessa matalalla. Näiden välillä on korkeusero, joka pyrkii tasoittumaan. Kun altaat yhdistetään putkella, vesi lähtee liikkeelle kohti alempaa tasoa.
Sähkössä tätä korkeuseroa kutsutaan jännitteeksi (U). Se on kahden pisteen välinen potentiaaliero. Mitä suurempi jännite on, sitä voimakkaammin elektronit pyrkivät liikkeelle. Jännitteen yksikkö on voltti (V).
Virta on liike
Kun altaiden välille asetettu putki päästää veden liikkeelle, voimme mitata, kuinka paljon vettä kulkee tietyssä ajassa. Tätä määrää kutsumme virtaukseksi.
Sähkössä vastaava ilmiö on sähkövirta (I): elektronien kulku johtimen läpi sekunnissa. Virran yksikkö on ampeeri (A). Mitä suurempi jännite tai mitä helpompi reitti, sitä enemmän elektroneja virtaa.
Resistanssi on putken ahtaus
Veden virtaus riippuu myös putkesta. Jos putki on leveä ja sileä, vettä kulkee runsaasti. Jos putki on ahdas ja pitkä, virtaus hidastuu.
Sähkössä tätä virtausta vastustavaa tekijää kutsutaan resistanssiksi (R). Se riippuu johtimen materiaalista, pituudesta ja paksuudesta. Kupari tarjoaa elektronien liikkeelle leveän ja helpon reitin, kun taas rauta jarruttaa enemmän. Resistanssin yksikkö on ohmi (Ω).
Resistanssi, jännite ja virta liittyvät toisiinsa Ohmin lain avulla:
U = R / I
Yksinkertaisuudessaan laki kertoo, että mitä suurempi resistanssi on, sitä pienempi virta kulkee samalla jännitteellä.
Kitka muuttuu lämmöksi
Kun vesi virtaa putkessa, kitka saa putken lämpenemään. Samalla tavalla elektronien kulku metallissa ei ole täysin esteetöntä. Elektronit törmäilevät atomeihin, ja jokainen törmäys siirtää osan energiasta atomien värähtelyyn. Kun atomit värähtelevät nopeammin, aine kuumenee. Tätä ilmiötä kutsutaan resistiiviseksi lämpenemiseksi.
Sähkölämmittimen vastus, vedenkeittimen elementti tai hehkulampun lanka toimivat juuri tämän periaatteen varassa. Elektronien liike muuttuu lämpöenergiaksi ja joissain tapauksissa myös valoksi.
Johdonmukainen ilmiö
Kun yhdistämme nämä kolme näkökulmaa, sähkö ei enää tunnu salaperäiseltä.
- Jännite on voima, joka sysää liikkeelle.
- Virta on itse liike, elektronien kulku.
- Resistanssi on este, joka muuttaa osan liikkeestä lämmöksi.
Sähkö on johdonmukaista: se käyttäytyy aina samalla tavalla, ja siksi sitä voidaan ymmärtää, ennustaa ja käyttää hyväksi. Arkiset laitteet toimivat, koska nämä periaatteet pätevät joka kerta.
Lopuksi:
Sähkö ei ole näkymätön mysteeri, vaan selkeä luonnonilmiö. Sen voi nähdä vesivertauksen kaltaisena liikkeenä: korkeusero synnyttää virtauksen, reitin ominaisuudet määrittävät sen suuruuden ja kitka muuttaa osan energiasta lämmöksi. Kun tämän ymmärtää, saa vankan pohjan kaikelle myöhemmälle sähköopille.