Ismo Lindell: Sähkön pitkä historia

Sähkön pitkä historia selvittää, miten sähkön ja magnetismin tuntemus on kehittynyt kolmen vuosituhannen aikana.

Sähkön ja magnetismin vaiheita tarkastellaan osana laajempaa kulttuurihistoriaa: miten niiden tuntemus on vaiheittain lisääntynyt teorian ja kokeiden vuoropuhelussa, ja miten niitä on sovellettu tekniikan eri aloilla. Kiinnostavien esimerkkien avulla teos havainnollistaa, miten monipuolisesti sähkö vähitellen korvasi aikaisemmat valaistuksen, voimankäytön ja tiedonsiirron menetelmät.

Sähkön pitkä historia tarjoaa kiehtovaa ja ajatuksia herättävää luettavaa kaikille tieteen ja tekniikan historiasta kiinnostuneille.

Ismo Lindell on Teknillisen korkeakoulun sähkötekniikan emeritusprofessori, ja hän on toiminut myös akatemiaprofessorina. Lindell on kirjoittanut sähkömagneettisesta kenttäteoriasta oppikirjoja sekä tieteellisiä kirjoja ja lehtiartikkeleita. Sähkötekniikan historian luentokursseja hän on pitänyt vuodesta 1988.

“Toisin kuin ajalla, sähköllä on pitkä historia. Kehitys meripihkapalojen villakuituja vetävän voiman ihmettelystä kännykkäsukupolven multi-mediaviesteihin tai maapalloa peittävän sähkö-verkon energiaa pursuvaan sykkeeseen on kestänyt pitkälti kolmatta vuosituhatta. Tämä kirja on kuin ostoskori, johon on keräilty sähkön ja magnetismin historiasta kiinnostavilta ja tärkeiltä tuntuneita silmiin sattuneita yksityiskohtia. Koska kori täyttyi jo 1800-luvun lopulle ehdittäessä, sen jälkeisiä asioita on poimittu mukaan vain satunnaisesti. Kun kirjan ensimmäinen painos ilmestyi 1994 nimellä Sähkö-tekniikan historia, sen tarkoituksena oli lähinnä Teknillisen korkeakoulun sähkötekniikan opiskelijoiden inspiroiminen. Sen painos on ollut lopussa usean vuoden ajan. Koska kirja levisi odotettua laajemmalle, tässä uudessa versiossa on otettu paremmin huomioon se, että lukijoilla ei ole välttämättä opiskelijoiden perustietoja.”

Arvioita

» http://www.ursa.fi/yhd/komeetta/lehti/komeetanpyrsto1-2010.htm
» http://tichynlaari.blogspot.com/2009/10/sahkon-pitka-kulttuurihistoria.html
» http://agricola.utu.fi/julkaisut/kirja-arvostelut/index.php?id=1590

Sisällys

1. Meripihka ja magneettikivi
Sähkön alkuvaiheet
Magnetismi
Peregrinus
Gilbert
2. Sähköistä kansanhuvia
Guericke
Sähkön peruskokeita
Kaksi sähkön lajia
Sähkökokeiden aika
3. Sähköstä tulee tiedettä
Franklin
Sähkön mittaaminen
Sähkön ja magnetismin teoriat
Sähkön voimalaki
4. Kemiallinen sähkö
Galvani
Volta
Kokeita Voltan paristolla
Galvanointi
5. Sähköstä magnetismia
Sähkön ja magnetismin yhteys
Örsted
Ampère
Sähkövirta
Sähkömagneetit
Henry
Geomagnetismi
6. Virtapiirin salaisuus
Sähkön käsitteet
Fourier
Ohm
Piiritekniikan kehitystä
Energian käsite
7. Magneetista sähköä
Ampèren koe
Faraday
Sähkömagneettinen induktio
Kenttäkäsite
8. Sähkömagneettiset aallot
Kokeita ja teorioita
Maxwell
Maxwellin kenttäteoria
FitzGerald ja Lodge
Hertz
Heaviside
9. Valo ja optiikka
Varhaiset valoteoriat
Optiikan vuosisata
Valon nopeus
Aaltoteoria voittaa
10. Tietoliikenne
Tiedonsiirto ennen sähköä
Sähkölennätin
Sähkömagneettinen lennätin
Lennätinkaapelit
Puhelin
11. Päreestä lediin
Vanhat valonlähteet
Öljy- ja kaasuvalo
Kaarilamppu
Hehkulamppu
Hohtolamput
Sähkövalo Suomessa
12. Sähkön voima
Vesi- ja tuulivoima
Höyryvoima
Induktiogeneraattori
Sähkön käyttö
Vaihtovirta
Sähkövoima Suomessa
13. Langaton tiedonsiirto
Resistiivinen langaton
Induktiivinen langaton
Maxwellin teorian soveltaminen
Marconi ja Popov
Lennätinrakenteita
Elektroniikan alku
Televisio
Radio Suomessa
Kirjallisuus ja lähteet
K uvalähteet
Henkilöhakemisto
Asiahakemisto
Sanasto

—  Ote teoksesta

Luku 1. Meripihka ja magneettikivi

Sähkön ja magnetismin alkuajoista on vain hajanaisia tietoja. Hangatun meripihkan heikkoa voimavaikutusta pidetään ensimmäisenä ihmisen luomana sähköilmiönä, kun taas magnetismi liittyi luonnossa esiintyvään malmiin. Vasta 1500-luvun lopulla alkoivat ensimmäiset systemaattiset kokeet tuoda tietoa sähkön ja magnetismin käyttäytymisestä.

Sähkön alkuvaiheet

Meripihka

Sähköilmiöiden havainnointi alkoi antiikin Kreikassa, kun filosofi Thales (624–547 eKr.) Miletoksesta kiinnostui kehrääjien värttinöihin tarttuvista villakuiduista, jotka eivät irronneet helposti pyyhkimällä. Syynä olivat värttinässä olevat meripihkakoristeet: kun meripihkaa hankasi, sille tuli outo puoleensa vetävä voima.

Ensimmäinen kirjoitettu tieto meripihkan vetovoimasta tulee Theofrastokselta (372–287 eKr.). Aristoteles (384–322 eKr.) mainitsi Fysiikassa myös Thaleksen meripihkakokeet, minkä ansiosta tieto säilyi vuosisatojen yli 1500-luvun Eurooppaan. Syynä meripihkan voimaan oli antiikin käsityksen mukaan sielu. Aristoteleen mukaan elämää johti ja säilytti tarkoitushakuinen sielu, psykhe. Kasveilla se oli ravitseva, eläimillä myös tunteva ja aistiva sekä ihmisillä lisäksi ajatteleva. Aristoteles oli myös ensimmäinen, joka käsitteli psykologiaa systemaattisesti.

Thales asui Joonian Miletoksessa, nykyisen Turkin lounaisrannikolla. Häntä pidetään joonialaisen filosofikoulukunnan perustajana, johon myöhemmin kuului muiden muassa Sokrates. Myöhempien aikojen kreikkalaiset ovat pitäneet Thales on Kreikan klassisen kulttuurin ensimmäinen tiedemies häntä melkein kaikkien Kreikan tieteenhaarojen perustajana. Miletos oli vilkas satamakaupunki, jonne kauppalaivat välittivät kulttuuria muista Välimeren maista. Thales itsekin matkusteli runsaasti ja sai  oppia tähtitieteessä ja geometriassa muun muassa Egyptin Memfisissä ja Thebassa. Miletoksessa hän vaikutti opettajana, keskustelijana, filosofina ja valtiomiehenä. Siellä hän myös kehitti egyptiläisten geometriaa abstraktiksi tieteeksi tutkimalla ideaalisia suoria ja ympyröitä sekä tekemällä loogisia todistuksia, mutta hänen kirjoituksiaan ei ole säilynyt.

Thales osasi määrätä pyramidin korkeuden sen varjon avulla (mittaamalla hetkellä, jolloin ihmisen varjo oli ihmisen mittainen) ja osasi määrätä ulapalla olevan laivan etäisyyden tekemällä kulmamittauksia tornista. Hänen on sanottu myös ennustaneen auringonpimennyksen, millä on luultavasti tarkoitettu Lähi-idässä näkynyttä täydellistä pimennystä 28.5.585 eKr. (juliaanisen kalenterin mukaan). Babylonialaiset olivat merkinneet muistiin auringonpimennyksen jakson, ja luultavasti Thales sai tiedon heiltä. Kun myöhemmät kreikkalaiset laativat luettelon antiikin seitsemästä viisaasta miehestä, Thales sijoitettiin listan kärkeen. Hän kuoli lämpöhalvaukseen stadionilla seuratessaan helteisenä päivänä Olympian kisoja.

Muita sähköaineita

Theofrastos mainitsi vuonna 321 eKr. kiviä käsittelevässä teoksessaan De Lapidipus jalokiven nimeltä lyncurium, jolla on sama ominaisuus kuin meripihkalla. Kivi tunnettiin myös nimellä Lapis lyncurius (ilveksen kivi), ja nykyään turmaliinina. Turmaliinilla oli 1700-luvulla tärkeä rooli sähkön ja magnetismin teorioiden
yhdistämisessä. Roomalainen amiraali Gaius Plinius Secundus eli Plinius vanhempi (23–79 jKr.) teki suurtyön kokoamalla luonnonhistorian ensyklopedian Naturalis historia. Hän nukkui tuskin lainkaan ja antoi sihteeriensä jatkuvasti lukea kirjoja ääneen, joista hän saneli tietoa omiin eri alojen kokoomateoksiinsa. Kerrotaan, että
hän ei edes kävellyt, vaan istui vaunuissa tai kantotuolissa sihteeri vieressään. Ainoassa jälkipolville säilyneessä ”Luonnonhistoriassa” oli 37 kirjaa (eli noin kuusi nykyaikaista kirjaa), joissa oli käsitelty 20 000 eri aihetta. Teoksessa oli viittauksia 146 roomalaiseen ja 327 ulkomaiseen kirjoittajaan sekä lukuisiin nimeämättömiin lähteisiin. Pliniuksen ensyklopediaa kopioitiin käsin keskiajalla ja vuonna 1469 se painettiin Venetsiassa eräänä ensimmäisistä latinankielisistä kirjoista.

Kun Vesuvius purkautui vuonna 79 peittäen alleen muun muassa Pompejin kaupungin, Plinius purjehti alueelle pelastamaan ihmishenkiä mutta kuoli itse, luultavimmin tukehtumalla rikkipitoiseen savuun. Pliniuksen teoksen jalokiviä käsittelevästä viimeisestä kirjasta 37 löytyvät seuraavat meripihkaa, turmaliinia ja rubiinia käsittelevät numeroidut jakeet:

48. Kun kuumat höyryt vapautuvat meripihkasta sormilla hieromalla, se vetää olkia, kuivia lehtiä ja lehmuksenkuorta puoleensa kuten magneetti vetää rautaa.
103. Turmaliinia löytyy Orthosian ympäristöstä sekä Carian alueelta ja lähistöltä, mutta paras laatu tulee Intiasta. Tiedän, että on muitakin lajeja, kuten
violetinpunaista ja ruusunpunaista turmaliinia. Kun näitä lämmitetään auringossa tai hangataan sormien välissä, niiden sanotaan vetävän puoleensa olkia ja papyruksen kuituja.
104. Väitetään myös, että rubiini, vaikka se on paljon vähemmän arvokasta, omaa saman puoleensa vetämisen kyvyn.

Arabit havaitsivat myöhemmin, että gagaatti eli musta marmori, joka on eräs ruskohiilestä syntynyt mineraali, oli myös tällaisella voimalla varustettu materiaali. Arabit eivät kuitenkaan muuten lisänneet tietoa sähköstä. Antiikin ajoista 1500-luvun loppuun saakka ei hankaussähkön ominaisuuksia liene paljonkaan tutkittu tai tulokset ovat jääneet historian hämärään. Mitään merkittäviä havaintoja ei luultavasti ole tehty, koska niitä ei ole edelleen kehitetty. Tämä ei ole mitenkään tavatonta, sillä jokapäiväiseen elämään ei kuulunut sellaisia selviä sähköilmiöitä, joita olisi voinut helposti tutkia.

Antiikin sähköilmiöitä

Hankaussähkön lisäksi tunnettiin antiikin aikoina muitakin sähköperäisiä ilmiöitä. Niitä ei tosin osattu yhdistää toisiinsa eikä meripihkan vetovoimaan. Tällaisia olivat esimerkiksi salama, sähkökalat sekä Pyhän Elmon tuli. Egyptiläiset tunsivat kalojen tainnuttavan vaikutuksen jo noin vuonna 2750 eKr., ja esimerkiksi Platon ja Aristoteles mainitsivat sähkörauskun (torpedo mamorata). Pliniuksen ”Luonnonhistorian” mukaan kalaan keihäällä kosketettaessa lihakset halvautuvat ja nopeimmatkaan jalat eivät liiku. Sähkörauskun terapeuttinen vaikutus todettiin vuonna 46 jKr, jolloin Scribonius Largus, eräs Rooman valtakunnan ensimmäisistä lääkäreistä, selitti teoksessaan Compositiones Medicae, että sähkörauskun avulla voidaan parantaa päänsärkyä ja kihtiä. Päänsärystä ei ole enempiä neuvoja, mutta kihtiä varten teoksessa annettiin hoito-ohje, jonka perusteella Scriboniusta voitaisiin jopa pitää sähköterapian keksijänä: 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, parantui.

Pyhän Elmon tuli on terävissä metallikärjissä hohtava koronaksi kutsuttu valoilmiö, jonka saattaa esimerkiksi nähdä laivojen mastoissa pimeällä, kuten Plinius kertoi ”Luonnonhistoriassaan”. Myös Caesar kuvaili legioonansa keihäänkärkien syttymistä tuleen eräänä iltana rajuilman aikana. Ilmiö on samankaltainen kuin loisteputkissa, ja sellainen syntyy normaalissa ilmanpaineessa, kun sähkökentän voimakkuus on välillä 100 V/mm – 3000 V/mm. Näin voi käydä ukonilmalla terävän metallikärjen kohdalla sähkövarausten kerääntyessä siihen. Valoa syntyy, kun sähkökentän erottamat elektronit yhtyvät takaisin kaasun ioneihin. Normaalissa säässä ilmakehän kentänvoimakkuus on vain muutama voltti senttimetrin matkalla, joten tarvitaan erikoinen sää sekä antenniksi tarpeeksi pitkä sähköä johtava teräväkärkinen esine. Kun kentänvoimakkuus kasvaa suuremmaksi kuin normaali-ilman läpilyöntiarvo, noin 3000 V/mm, elektronit eivät palaa enää takaisin ioneihin vaan synnyttävät kipinäpurkauksen, josta salama on hyvänä esimerkkinä.

On arveltu, että zeppeliini LZ129 Hindenburgin palo vuonna 1937 alkoi kipinästä, joka sytytti ilmalaivasta vuotavan vetykaasun. Kaasusäiliö syttyi takapäästään, ja palo levisi etuosaan, jolloin alus vajosi puolen minuutin kuluessa romuläjäksi kentälle. Oli melkoinen ihme, että 98 matkustajasta 62 pelastui.

Pyhä Elmo, joka tunnetaan myös nimellä Ermo tai Erasmus, oli Formian piispa ja marttyyri sekä yksi merimiesten suojeluspyhimyksistä. Hän kuoli noin vuonna 304 kristittyjen vainoissa keisari Diocletianuksen aikana. Nimi liitettiin valoilmiöön vasta keskiajalla. Pyhän Elmon tulta ovat kuvailleet Kolumbus, Magalhães ja Darwin valtamerimatkojensa päiväkirjoissa. Franklin oli ensimmäinen, joka vuonna 1749 osasi yhdistää Pyhän Elmon tulen sähköön. Jotkut antiikin kirjoitta- jat ovat kuvailleet myös vaatteita riisuttaessa syntyviä valoilmiöitä, jotka olivat samanlaisia staattisen sähkön purkauksia. Piikiven lyönnissä syntyvä kipinä on pietsosähköinen ilmiö. Mekaaninen jännitys eli stressi voi tietyissä aineissa synnyttää sähköisen jännitteen. Iskun voimasta stressi voi kasvaa niin suureksi, että purkausraja ylittyy.

Bagdadin ruukku löydettiin kesäkuussa vuonna 1936 junaradan rakennustöiden yhteydessä Bagdadin lähistöltä vanhasta hautakammiosta. Hauta on ajoitettu parthialaisten aikaan (250 eKr.). Saviruukku on tulkittu kemialliseksi sähköpariksi, koska sen sisällä oli kuparisylinteri ja syöpynyt rautainen tanko. Astia on voinut toimia sähköparina, kun siihen on lisätty etikka- tai sitruunahappoa. Mitään muuta selitystä ei ole löytynyt. Samanlaisia astioita on löydetty lisää lähialueilta. On arveltu, että niitä olisi käytetty 2000 vuotta sitten babylonialaisten korujen hopeoinnissa tai kultauksessa. Jos näin on, antiikin elektrolyysimenetelmä on salattu hyvin, sillä se piti keksiä uudelleen 1800-luvulla.

Ukonilma ja salamointi ovat olleet kautta aikojen ihmiskunnan ihmetyksen kohteita, ja niihin on liitetty uskonnollisia käsitteitä. Salamalta suojautuminen on luonnollisesti ollut tärkeä tavoite ja se on synnyttänyt erilaisia taikauskoon perustuvia menetelmiä. Keski-Euroopassa on ollut käytössä ukkoskivi (Donnerstein, pierre de tonnerre), jonka piti suojata henkilöä tai kotia salamaniskulta. Saksassa myytiin vielä 1600-luvulla jalokiviä, joilla oli tällaisia ominaisuuksia. Ranskassa pidettiin kiveä taskussa ja pyydettiin suojelua salamalta ”pierre, pierre, garde-moi de la tonnerre”. Toisaalta on esitetty, että vanhoissa egyptiläisissä temppeleissä osattiin käyttää korkeita metallilla päällystettyjä puumastoja ukkosenjohdattimina. Intian hindukulttuurissa oli vastaavassa käytössä raudasta tehtyjä mastoja. Roomalaiset taas havaitsivat, että suuret pronssipatsaat suojasivat Jupiterin ukoniskuilta. Etruskien on sanottu osanneen kääntää salamat sivummalle ampumalla metallinuolia uhkaaviin ukkospilviin vuoden 600 eKr. vaiheilla. Ukkosenjohdatin kehitettiin kuitenkin vasta 1700-luvulla.

Sähkön nimittäminen

Meripihkan kreikankielinen nimi elektron  muistuttaa pysyvästi sähkön alkuhavainnoista, sillä siitä on tullut sähkön sukunimi. Useimpien sivistyskielien sähköä tarkoittava sana pohjautuukin tähän sanaan. Suomen (samoin kuin unkarin, heprean, kiinan ja japanin) kieli on eräs poikkeus tästä säännöstä. Sanan ”sähkö” otti vuonna 1845 käyttöön lääketieteen tohtori Samuel Roos saksasta kääntämässään teoksessa Mintähden ja sentähden, johon oli pakko keksiä ”elektriciteetille” suomenkielinen vastine. Nimi johdettiin sähkökipinän ominaisuudesta ”sähähtää säkenöimällä”. Kirjassa selitettiin luonnonilmiöitä katekismuksen tapaan esittämällä kysymys ja siihen vastaus.

39. Mintähden kutsutaan Sähkö Elektriciteetiksi? ja mistä wielä sähkönimikin on kotoisin?
Sentähden, että Wanhoilla kansoilla kalliina pidetty ja siihen aikaan Itä=meren etelä rannalla maatuwista lieteistä kaiwettu kiwipihka, Saksalaisten Bernstein, jota Grekalaiset kutsuivat Elektron, hawaittiin, hierottuna willaiseen, wetäwän puoleensa kaikenlaisia pieniä kappaleita ja yhtäkkiä ampuwan net pois, myöskin isommasta palasesta antawan sähähtäwän säkenen joka pisti likellä pidettyyn sormeen… …Tämä sähähtämällä säkenöiminen on wetänyt minun ennen nimetöintä woimaa taikka ainetta Sähkö=woimaksi tai aineeksi nimittämään.

Vuonna 1837 oli Lönnrot jo ehtinyt ehdottaa uudissanaa ”lieke”, jolloin johde ja eriste olivat saaneet nimet ”liekejohdattaja” ja ”lieketukkio”. Sana ei ilmeisesti ollut suomalaiseen käyttöön tarpeeksi sähäkkä.

Laita hyvä kiertämään: