Mitä sähkö on?

Jyväskylän yliopiston fysiikan yliopistotutkija Vesa Apaja vastasi 26.1.2013 Hesarissa lasten kysymykseen: "Mitä on pistorasiasta tuleva sähkö?". Numeroin artikkelin kappaleet niitä seuraavien  kommenttien mukaisesti.

1. Pistorasiasta tuleva sähkö on pienenpienten esineiden, elektronien, virtailua. Elektronit virtaavat metallilankaisen sähköjohdon kautta voimalaitoksesta pistorasiaan.

2. Voimalaitoksen langanpään ja pistorasian välille on luotava jännite, jotta elektronit valuvat pistorasiaan. Jännite tarkoittaa sitä, että voimalaitoksen päässä elektroneilla on oltava suurempi energia kuin pistorasian päässä. Fysiikan lakien mukaisesti elektronit haluavat päästä alempaan energiaan, joten ne lähtevät liikkeelle.

3. Jännite syntyy, kun sähkölaitteen, kuten esimerkiksi hiustenkuivaajan, johto kytketään pistorasiaan.

4. Pistorasiaa ei kannata turhaan näpelöidä, sillä sieltä tulevat elektronit voivat sotkea ihmisen hermojen toiminnan ja aiheuttaa sähköiskun. Tämä johtuu siitä, että myös ihminen on eräänlainen sähköjohto, vaikkakin heikkolaatuinen sellainen.

Fysiikan perusasioiden selvittäminen ymmärrettävästi lapsille on aika haastavaa. Edellisen pohjalta tulee kuitenkin tunne, että mahtaako sähkön fysikaalinen olemus olla yliopistotutkijallekaan oikein selvillä.

1. Elektronit eivät ole esineitä eivätkä kappaleita (eivät ainakaan klassinen fysiikan antaman mielikuvan mukaisia). Ne ovat hiukkasia.  Sähköverkossa käytetään vaihtovirtaa. Elektronit eivät "virtaa" johtimissa, vaan värähtelevät edestakaisin. Tasavirrassakin elektronien "virta" on niin hidasta, että siinä yhteydessä voisi ainakin kielikuvana käyttää ilmaisua "valua". Muuten valuminen on aika huonosti sähköä luonnehtiva verbi. Se mikä sähköjohdoissa oikeasti virtaa on energia.

2. Tässä ei ole mitään järkeä fysikaalisesti.

3. Kun hiustenkuivaaja kytketään pistorasiaan, niin siitä seuraava fysikaalinen ilmiö on sähkövirta, mikä puolestaan saa aikaisekseen mm. lämpöä, valoa ja liikettä.

4. Kun ihminen saa sähköjohdoista sähköiskun, ei sieltä mitään elektroneja tule ihmiseen. Lienee semantiikkaa, voidaanko ihmistä kutsua heikkolaatuiseksi sähköjohdoksi. Itse en ole kokenut itseäni miksikään sekundajohdoksi, vaikka sähkötärskyjä on joskus tullutkin.

Koko juttu on kuin se tunnettu alokkaan asento. Ei voi korjata, täytyy tehdä alusta alkaen uusiksi. Jos minulta kysyttäisiin, niin yrittäisin jotain seuraavan tapaista.

Sähkön avulla siirretään voimalaitosten tuottamaa energiaa pitkienkin matkojen päähän. Esimerkiksi kotien sähkölaitteet toimivat pääasiassa tämän energian avulla.

Energian kuljettajina sähköjohdoissa toimivat pienen pienet hiukkaset, elektronit. Elektronit eivät virtaa sähköjohdoissa kuten vesi vesijohdossa, vaan elektronien liike välittää energiaa vähän samaan tapaan kuin meren aallot kuljettavat ulapalla tuulen aikaansaamaa energiaa. Vesi itse ei juurikaan etene, aallot etenevät.

Elektroneja ja niiden liikettä ei voi nähdä, joten sähkövirta havaitaan vain sähkölaitteiden toimintana. Sen sijaan sähkövirran voi tuntea, jos saa pistorasiasta tai viallisesta sähkölaitteesta sähköiskun. Sähkövirta kulkee silloin ihmiskehon lävitse, mikä voi pahimmillaan olla hengenvaarallista.

Siitä vain muokkaamaan, jos joku keksii fiksumman esityksen kertoa lapsille sähköstä. En pane pahakseni. Sen sijaan ihmettelen, mistä Hesari aina löytääkin sopivan päivystävän dosentin kertomaan fysiikan ilmiöistä kansantajuisesti. Yleensä selitykset menevät  pieleen, Kari Enqvististä alkaen.  

Tässä yhteydessä haluan esittää myös kiitoksen ja kumarruksen emeritusprofessori Kaarle Kurki-Suoniolle. Se, mitä olen oppinut  kielestä fysiikan merkityksiä ja rakenteita kuvailtaessa, on pitkälti Kaarlen opetuksen pohjalta. Fysiikkaa on paljon helpompi tajuta, kun sen perusteet ovat kielen osalta kunnossa. Esimerksi massalla ei voi olla nopeutta, varausta tai väriä. Massa on kappaleilla oleva ominaisuus, kappaleisiin liittyvä suure. Kuten nopeus, varaus tai vaikka väri, joka tosin onkin sitten jo vähän monimutkaisempi juttu. 

Jälkikirjoitus 9.3.2013

Perjantaina  1.3. Hesarissa oli seuraava pikku oikaisu. 

"Pistorasiasta tuleva sähkö määriteltiin väärin

  

Lauantaiosan sivulla 13 vastattiin 26. tammikuuta kysymykseen, mitä on pistorasiasta tuleva sähkö. Vastauksessa todettiin virheellisesti, että voimalasta virtaa elektroneja pistorasiaan ja että sähkövirta perustuu voimalan ja pistorasian väliseen jännite-eroon. Tosiasiassa pistorasiasta tuleva sähkö on energiaa, joka on voimalassa muutettu sähköiseen muotoon ja siirretty pistorasiaan sähköjohtojen kautta. Energia on sähkökentässä, joka aiheuttaa jännitteen pistorasian rei'issä olevien johtimien välille. Jännite laittaa johtimissa olevat elektronit värähtelemään, kun rasiaan kytketään jokin käyttölaite."

 
Oikaisun tekstin pituuteen nähden sitä edelsi aika mittava kirjeenvaihto, josta alla olennaisimmat. 

Moi Timo ja terveiset Hesarin tiedetoimituksesta! 

Paukun Timo kertoi, että sä olisit oikea henkilö kommentoimaan erästä pulmaa. Olen siis HS:n tiedesivujen tuottaja. Meillä oli lehdessä 26.1. Lasten tiedekysymykset -palstalla Vesa Apaja -nimisen asiantuntijan vastaus kysymykseen "Mitä on pistorasiasta tuleva sähkö".

Vastaukseen tuli tässä viestiketjussa alimmaisena oleva lukijapalaute, johon Vesa vastasi ao viestillä. En ole tehnyt vielä oikaisua, kun jäin Vesan vastauksesta siihen käsitykseen, ettei siihen ollut aihetta.

Mutta mitäs sinä toisena asiantuntijana sanot: oliko alkuperäisessä tekstissä todella virheitä? Jos kyllä, millainen oikaisu asiasta pitäisi tehdä?

Oikaisun sanamuoto olisi siis jotakuinkin tämä: "Toisin kuin sivulla D10 kerrottiin 26.1. tammikuuta, jännite ei synny kun sähkölaitteen johto kytketään pistorasiaan, vaan XXXXXXXX. (ja tähän perään muiden asiavirheiden korjaus, jos niitä tekstissä oli)".

Suurkiitos jos osaisit asiassa auttaa!

yst. terv. Riikka Haikarainen, HS tiede

Hei

Muutama kommentti taustaksi.

 Hesarin tiedetoimitusta kohtaan olen tuntenut aina lukkarinrakkautta. En vähiten siksi, että siellä on suhtauduttu minuun ja tuotoksiini hyvin myötämielisesti jo Risto Vartevan ajoista lähtien. Timonkin olen tuntenut myös eri yhteyksistä jo pitkään. 

Tiedesivuilta on löytynyt myös jyviä ja akanoita poikkitieteelliselle palstalleni. Kuten tämä  tai  tämä. 

Kyseinen sähköjuttukin on saanut jo oman käsittelynsä. Niin herkullinen se oli, että eihän siitä voinut pitää näppejään erossa.

Yllä olevassa on myös vastaus kysymykseesi. Voitte käyttää sitä vapaasti. Olen jeesaillut tiedetoimitusta, vaikka nähtävästi olenkin Hesarin avustajien mustalla listalla. Tästä syystä. 

Timo Suvanto

Moi Timo vielä,

olen laittamassa lehteen tällaista oikaisua meille tulleen palautteen perusteella. Onko tämä nyt faktisesti oikein?

"Lauantai-osan sivulla 13 vastattiin 26. tammikuuta lasten tiedekysymykseen, mitä on pistorasiasta tuleva sähkö. Vastauksen mukaan voimalaitoksen langanpään ja pistorasian välille on luotava jännite, jotta elektronit valuvat pistorasiaan. Tosiasiassa sähkökenttä on luotava siirtojohdon johtimien välille, jolloin sähkökenttä siirtyy voimalaitoksesta pistorasiaan. Lisäksi vastauksessa todettiin virheellisesti, että kun sähkölaitteen johto kytketään pistorasiaan, syntyy jännite. Kun sähkölaite kytketään pistorasiaan, syntyy sähkövirta."

Riikka

Hei

Ei ole.

Pistorasiasta saadaan energiaa, jonka sähköjohdon elektronit välittävät voimalaitoksesta mm. koteihin.  Pistorasian reikien välillä on sähköinen jännite. Kun sähkölaitteen johdon päässä oleva pistoke työnnetään pistorasian reikiin, sähkövirtaa pääsee kulkemaan laitteen lävitse ja antamaan laitteelle sen toiminnan vaatimaa energiaa.  Oli se sitten valoa, lämpöä, ääntä tai liikettä.

Jotenkin näin. Avainsana on energia. Sitä pistorasiasta on saatavilla.  Sähkökenttä on tässä vain asiaa sekoittava käsite. Anteeksi nyt vain.  

Timo

Kiitos kärsivällisyydestä!

Mites tällainen muotoilu, muokkasin kommenttiesi perusteella uudelleen:

"Lauantai-osan sivulla 13 vastattiin 26. tammikuuta kysymykseen, mitä on pistorasiasta tuleva sähkö. Vastauksen mukaan voimalaitoksen ja pistorasian välille on luotava jännite, jotta elektronit valuvat pistorasiaan. Tosiasiassa pistorasiasta saadaan energiaa, jonka sähköjohdon elektronit välittävät. Lisäksi vastauksessa todettiin virheellisesti, että jännite syntyy, kun sähkölaitteen johto kytketään pistorasiaan. Tosiasiassa jännite vallitsee pistorasian reikien välillä. Kun sähkölaitteen pistoke työnnetään pistorasian reikiin, sähkövirtaa pääsee laitteen lävitse ja antaa laitteelle sen toiminnan vaatimaa energiaa.

Riikka

Tämä on minusta  ihan jees. Vaikea asia, on tehtävä kompromisseja, mutta puuta heinää ei pidä silti laittaa. 

T.

Hei Timo vielä, riittääkö lukkarinrakkautesi vielä yhteen tarkistukseen?

Mun on nimittäin pakko vielä hiota tätä oikaisua, jotta lukija voisi saada siitä jotain tolkkua.

Kysymys kuuluu: jos voimalaitoksen ja pistorasian välillä _ei_ voi puhua jännitteestä, mitä niiden välillä tapahtuu?

Eli mitä tuohon isoilla kirjaimilla kirjoitettuun kohtaan pitäisi laittaa?

"Lauantai-osan sivulla 13 vastattiin 26. tammikuuta kysymykseen, mitä on pistorasiasta tuleva sähkö. Vastauksen mukaan voimalaitoksen ja pistorasian välille on luotava jännite, jotta elektronit valuvat pistorasiaan. Tosiasiassa VOIMALAITOKSEN JA PISTORASIAN VÄLILLÄ EI VALLITSE JÄNNITETTÄ, VAAN [MITÄ??]. Pistorasiasta saadaan energiaa, jonka sähköjohdon elektronit välittävät. Lisäksi vastauksessa todettiin virheellisesti, että jännite syntyy, kun sähkölaitteen johto kytketään pistorasiaan. Tosiasiassa jännite vallitsee pistorasian reikien välillä. Kun pistoke työnnetään pistorasiaan, sähkövirtaa pääsee pistorasian lävitse ja laite saa toimintansa vaatiman energian."

Riikka

Hei

Kun aikoinaan opetin lukiossa fysiikkaa, käytin useita tunteja sähködynamiikan (siis virtaavan sähkön) perusasioiden selventämiseen. Ilman keskeisiä käsitteitä sähkökenttä, potentiaali, jännite ja sähkövirta ja niiden välisiä yhteyksiä on aika vaikeaa ymmärtää sähkön kulkemista.  Tekstissä oli kolme keskeistä asiaa aivan pielessä. Jännitteen todellinen merkitys tässä, jännitteen ja virran sotkeminen keskenään ja käsitys, että elektronit virtaavat (valuvat) sähköjohdoissa. Olennaista minusta on, että jännite on pistorasia napojen (reikien) välillä, elektronit eivät virtaa, vaan värähtelevät ja välittävät siten voimalaitoksen energiaa sähköjohtoja pitkin. Sen pidemmälle  menevissä selityksissä juututaan  aina vain syvemmälle sähköopin suohon. Minä laittaisin jotenkin alla olevalla tavalla. Se ei ole tyhjentävä vastaus (sellaista ei tähän asiayhteyteen ole olemassakaan), mutta ainakin se korjaa pahimmat alkuperäisessä olleet harhaan osuneet  tietoiskut.

Lauantai-osan sivulla 13 vastattiin 26. tammikuuta kysymykseen, mitä on pistorasiasta tuleva sähkö. Vastauksen mukaan voimalaitoksen ja pistorasian välille on luotava jännite, jotta elektronit valuvat pistorasiaan. Lisäksi vastauksessa todettiin virheellisesti, että jännite syntyy, kun sähkölaitteen johto kytketään pistorasiaan.  Väärä käsitys tulee myös väitteestä, että pistorasiasta tulisi elektroneja.

Elektronit eivät virtaa sähköjohdoissa kuten vesi putkissa. Elektronit värähtelevät ja välittävät näin voimalaitoksen tuottamaa energiaa sähköjohtoja pitkin kotitalouksiin. Sähkölaitteiden kannalta oleellinen jännite vallitsee pistorasian reikien, ei voimalaitoksen ja pistorasia välillä. Kun sähkölaitteen pistoke työnnetään pistorasian reikiin, sähkövirtaa pääsee laitteen lävitse ja antaa laitteelle sen toiminnan vaatimaa energiaa.

T.

Moi, no nyt ymmärrän itsekin, mistä on kiikastanut. Mun olisi näköjään ollut syytä käydä sun lukion fysiikan tunneilla!

Tiivistin ihan vähän vielä (oikaisut pyritään pitämään mahdollisimman lyhyinä) ja vaihdoin lauseiden järjestystä:

"Lauantai-osan sivulla 13 vastattiin 26. tammikuuta kysymykseen, mitä on pistorasiasta tuleva sähkö. Virheellisen vastauksen mukaan voimalaitoksen ja pistorasian välille on luotava jännite, jotta elektronit valuvat pistorasiaan. Elektronit eivät virtaa, vaan värähtelevät välittäen voimalaitoksen tuottamaa energiaa sähköjohtoja pitkin. Lisäksi vastauksessa todettiin virheellisesti, että jännite syntyy, kun sähkölaitteen johto kytketään pistorasiaan. Sähkölaitteiden kannalta oleellinen jännite vallitsee pistorasian reikien, ei voimalaitoksen ja pistorasian välillä. Kun pistoke työnnetään pistorasian reikiin, sähkövirta pääsee laitteen lävitse ja antaa laitteelle sen toiminnan vaatimaa energiaa."

Annatko siunauksesi? :)

Riikka

Moi,

varmuuden varalta laitoin yhdessä muokkaamamme oikaisun vikan version vielä luettavaksi alkuperäiselle palautteenantajalle, joka on myös fyysikko. Hänen ehdottamansa muotoilu olisi oheinen (lähinnä lisäyksenä tuo sähkökenttä-termi). Tämä sinullekin ok?

"Lauantai-osan sivulla 13 vastattiin 26. tammikuuta lasten kysymykseen, mitä on pistorasiasta tuleva sähkö. Vastauksessa selitettiin virheellisesti, että voimalasta virtaa elektroneja pistorasiaan ja että sähkövirta perustuu voimalan ja pistorasian väliseen jännite-eroon. Tosiasiassa pistorasiasta tuleva sähkö on energiaa, joka on voimalassa muutettu sähköiseen muotoon ja siirretty pistorasiaan sähköjohtojen kautta. Energia on niin sanotussa sähkökentässä, joka aiheuttaa jännitteen pistorasian rei'issä olevien johtimien välille ja ajaa johtimissa olevat elektronit liikkeelle, kun rasiaan kytketään jokin käyttölaite. Näin syntyy sähkövirta."

Riikka

Hei

Jokaiselta ”gurulta”  saa eri selityksen. Pienen pukinsorkan vielä laittaisin. Niin aikuisilla kuin lapsilla on se väärä käsitys sähkövirrasta, että siellä johtimissa virtaa jotain konkreettista  kuten vettä putkissa. Oli ne sitten ”pieniä esineitä” esineitä tai hiukkasia. Oikeasti siellä johtimissa on sähköisessä muodossa olevaa energiaa, joka lähtee liikkeelle, kun pistorasian navat yhdistetään.  Nyt olisi minusta juuri sopiva korjata tämä yleinen virhekäsitys.  Siksi pieni muutos loppukaneettiin.

"Lauantai-osan sivulla 13 vastattiin 26. tammikuuta lasten kysymykseen, mitä on pistorasiasta tuleva sähkö. Vastauksessa selitettiin virheellisesti, että voimalasta virtaa elektroneja pistorasiaan ja että sähkövirta perustuu voimalan ja pistorasian väliseen jännite-eroon. Tosiasiassa pistorasiasta tuleva sähkö on energiaa, joka on voimalassa muutettu sähköiseen muotoon ja siirretty pistorasiaan sähköjohtojen kautta. Energia on niin sanotussa sähkökentässä, joka aiheuttaa jännitteen pistorasian rei'issä olevien johtimien välille. Jännite laittaa johtimissa olevat elektronit värähtelemään, kun rasiaan kytketään jokin käyttölaite. Sähköjohdoissa virtaa energiaa – ei elektroneja.”

T.