Historia: Kompassineulan heilahdus aloitti uuden aikakauden

Kun kännykkä herättää sinut aamulla, taustalla on sähkömagnetismi. Sama luonnonilmiö pitää liikkeellä sähkömoottorin, joka liikuttaa junaa tai vaikka sähköautoa.

Sähkömagnetismi on läsnä, kun avaat töissä tietokoneen ja kirjaudut työpaikan palvelimelle.

Ja kun etsit tietä outoon osoitteeseen GPS-navigaattorilla, navigaattorin ja paikannussatelliittien mikroaaltoviestintä perustuu sekin sähkömagnetismiin.

Lähes kaiken nykyaikaisen tekniikan taustalla oleva ilmiö löydettiin keväällä 1820.

Silloin tanskalainen Hans Christian Ørsted teki kokeen, joka osoitti, että sähkö ja magneettisuus ovat saman luonnonvoiman eri puolia.

Hän ei kuitenkaan juuri vaivautunut tutkimaan ilmiötä sen pidemmälle. Muut sen sijaan innostuivat asiasta.

Kompassikoe muutti maailman

1800-luvun alussa magnetismi oli tuttu ilmiö. Tiedettiin, että luonnossa on magneettisia kiviä ja että maapallolla oli magneettikenttä, joka saa kompassin neulan kääntymään kohti pohjoista.

Sähköä sen sijaan pidettiin lähes mystisenä voimana, jota esiintyi eläimissä, kuten sähköankeriaassa.

Sähkö myös synnytti kipinöitä ja sai metallilangan hehkumaan.

Hans Christian Ørsted uskoi, että sähkö ja magnetismi liittyivät yhteen. Niinpä hän järjesti julkisen kokeen Kööpenhaminan yliopistossa. Ørstedin koevälineinä oli kompassi ja sähköparistona toimiva kupariallas, jossa oli sinkkilevyjä upotettuna happoon.

Kun Ørsted yhdisti negatiivisesti varautuneen sinkkilevyn positiivisesti varautuneeseen kupariin metallilangalla, lankaan syntyi sähkövirta. Kun hän sitten vei kompassin metallilangan lähelle, sen neula heilahti väärään suuntaan.

Ørstedin mukaan sähkövirta oli synnyttänyt magneettikentän, joka tuossa kohtaa oli voimakkaampi kuin Maan magneettikenttä.

Ørsted lähetti kokeestaan raportin Ranskan tiedeakatemiaan Pariisiin. Hänen ranskalaiskollegansa oivalsivat heti, että jos Ørstedin teoria pitää paikkansa, koko tieteen käsitys sähköstä menee täysin uusiksi.

Jotkut tutkijoista olivat ensin epäileväisiä, mutta kun koe tehtiin uudestaan toisessa näytöstilaisuudessa ja tulos oli sama, innostus levisi tutkijapiireissä.

Tilaisuus oli tuskin ehtinyt loppua, kun ranskalaisfyysikko André Marie Ampère kiiruhti kotiinsa tekemään uusia kokeita.

Parissa viikossa hän muun muassa sai selville, että rautatangosta saadaan magneetti kiertämällä sen ympärille sähköä johtavaa metallilankaa.

Sähkömagnetismista eli ”uudesta luonnonvoimasta”, kuten Ørsted sitä nimitti, tuli kuuma tutkimuskohde kaikkialla maailmassa.

Faraday rakensi sähkömoottorin

Ørsted itse ei jatkanut sähkön tutkimista mullistavan kokeensa jälkeen.

Sen sijaan brittiläinen Michael Faraday omisti uransa sähkömagnetismin tutkimukselle ja pani alulle sähkötekniikan kehityksen.

Jo vuonna 1821 Faraday esitteli sähkömoottorin toimintaperiaatteen. Hän pani sauvamagneetin seisomaan astiaan, jossa oli hyvin sähköä johtavaa nestemäistä elohopeaa, ja metallilangan roikkumaan astian päältä niin, että se ulottui elohopeaan.

Kun hän johti lankaan sähköä niin, että syntyi magneettikenttä, lanka alkoi pyöriä sauvamagneetin ympärillä.

Tämän keksinnön pohjalta syntyivät myöhemmin sähkömoottorit, joissa magneetit saavat akselin pyörimään tai liikkumaan edestakaisin.

Kymmenen vuotta myöhemmin Faraday kehitti ensimmäisen generaattorin eli laitteen, joka muuttaa mekaanista energiaa sähköksi.

Hän havaitsi, että kun metallilevyn annettiin pyöriä hevosenkengän muotoisen magneetin kaaren sisällä, syntyi sähkövirtaa.

Generaattorin keksiminen mahdollisti sähkömoottorilla toimivien koneiden yleistymisen teollisuudessa ja maataloudessa. Nykyään lähes kaikki sähkö tuotetaan voimalaitoksissa generaattoreilla.

Faraday osoitti myös, että kun magneettia liikutetaan edestakaisin kuparilankakelan päällä, kelaan syntyy sähköinen jännite ja sähkövirta.

Tähän niin sanottuun induktioperiaatteeseen perustuvat myös muuntajat, joilla lisätään sähkövirran jännitettä, jotta sitä voidaan siirtää sähköverkossa pitkiä matkoja.

Samaan periaatteeseen perustuu myös tavallinen induktioliesi.

Magneettikentät ovat aaltoja

Yhtenäistä teoriaa sähkömagnetismista saatiin odottaa vuoteen 1865. Sen kokosi skotlantilainen fyysikko James Clerk Maxwell.

Hän havaitsi, että sähkömagneettiset kentät levisivät aaltoina valon nopeudella ja että eri kentillä oli erilaiset aallonpituudet ja erilaiset ominaisuudet.

Maxwell kokosi havaintonsa yhtälöiksi, jotka kuvaavat sähkömagneettisten kenttien käyttäytymistä ja vuorovaikutusta.

Yhtälöistä on johdettu myös erilaiset sähkömagneettisen säteilyn muodot lyhyistä gammasäteistä näkyvään valoon ja pitkiin radioaaltoihin.

Vähitellen selvisi myös sähkön salaisuus. Vuonna 1897 brittiläinen Joseph John Thomson osoitti, että sähkövirta koostuu negatiivisesti varautuneista hiukkasista, joille hän antoi nimen elektroni.

Sittemmin ilmeni, että koko sähkömagnetismi perustuu siihen, että kaikki atomit ja aineet koostuvat sähköisesti varautuneista hiukkasista.

Kun hiukkaset ovat liikkeessä, ne synnyttävät magneettikenttiä, joilla ne vetävät puoleensa tai työntävät pois muita hiukkasia.

Lopullisesti sähkömagnetismista päästiin jyvälle vuonna 1913, kun tanskalaisfyysikko Niels Bohr esitteli atomimallinsa.

Sen mukaan atomissa on ydin, jonka ympärillä kiertää elektroneja kiinteillä radoilla. Niillä taas on tietty energiataso.

Atomi voi kohota ylemmälle energiatasolle, jos se imee fotonin eli valokvantin, jonka energia saa elektronin siirtymään tasolta toiselle.

Kun elektroni palaa alkuperäiselle tasolleen ja atomi palaa lähtötilaansa, siitä vapautuu fotoni, jossa on vastaava määrä energiaa.

Tämä niin sanottu kvanttimekaniikka ohjaa kaikkia fysikaalisia ja kemiallisia reaktioita.

Siten sähkömagnetismi tavallaan ohjaa elämää. Se on nähtävissä muun muassa kasvien yhteyttämisessä, jossa auringonvalon fotonien energia saa kasvin kasvamaan.

Sama kvanttimekaniikka ohjaa aivosolujesi ärsykkeitä, kun luet näitä rivejä.

Vaikka Ørstedin kokeesta on jo 200 vuotta, kaikkia sähkömagnetismin mahdollisuuksia ei ole vielä hyödynnetty.

Pian sen avulla sähkö kulkee ilman johtoja ja sähköauton akku latautuu ajon aikana.