Valon historia
Kynttilästä LED-lamppuun.

Aloitetaan Benistä.

Monet luulevat, että Benjamin Franklin keksi sähkön vuonna 1752 kuuluisilla leijan lennätyskokeillaan, joissa hän sitoi avaimen leijan naruun ukkosmyrskyn aikana ja osoitti, että staattinen sähkö ja salamat olivat yksi ja sama asia. Mutta tämä oli vain osa sähkön koko tarinasta.

Sähköä ei oikeastaan koskaan ”keksitty”, sillä se on aina ollut osa luontoa: staattisena sähkönä, salamana, joka purkautuu kohti maata tai kun kahta sähköisesti varautunutta kappaletta hangataan yhteen. Itseasiassa, ”sähkö” sähkövoiman muodossa keksittiin kun havaittiin, että sähköä voidaan tuottaa ja sähkövirtaa johtaa metallilankojen avulla. Sanotaan, että tarve on keksintöjen äiti ja se pätee hyvin myös sähköön. ”Sähkö keksittiin”, koska ihmiset tarvitsivat halvan, mutta turvallisen keinon valaista kotejaan ja tiedemiehet arvelivat sähkön olevan siihen sopiva keino.

Staattinen sähkö
Benjamin Franklinin tekemä testi leijan ja avaimen avulla osoitti, että myös salamat ovat staattista sähköä

Mitä tulee sähkön ja sähkövoiman keksimiseen, tarina on pitkä ja monivaiheinen. Tieteellisen tutkimuksen takia uutta sähkötekniikkaa syntyi jokaisen kokeen myötä. Nykymaailma tuntee sähkövalon salamoiden ansiosta, mutta sen sijaan, että kysyttäisiin kuka keksi sähkön, pitäisi kysyä mitä kaikkea sähkön keksiminen vaati. Luonnossa sähkö oli yleistä, mutta sähkövoima syntyi tieteellisten kokeiden tuloksena.

Thales Miletoslaisen kirjoituksista selviää länsimaalaisten tienneen jo vuonna 600 eKr., että meripihka varautuu kun sitä hangataan. Kehitys oli kuitenkin hidasta, kunnes vuonna 1600 englantilainen tiedemies William Gilbert kuvaili eri aineiden sähköistymistä ja kehitti termin ”sähkö” kreikankielisestä meripihkaa tarkoittavasta sanasta. Tämän ansiosta Gilbertiä kutsutaan modernin sähköopin isäksi. Vuonna 1660 Otto von Guericke kehitti yksinkertaisen koneen, jolla voitiin tuottaa staattista sähköä.

Kone koostui rikkipallosta, jota pyöritettiin kammella toisella kädellä ja hangattiin toisella. Hänen seuraajansa, kuten Francis Hauksbee, parantelivat konetta tarjoten kokeilijoille toimivan staattisen sähkön lähteen. Näiden varhaisten koneiden pitkälle kehittynyt jälkeläinen on Van de Graaffin generaattori, jota voidaan käyttää hiukkaskiihdyttimenä. Robert Boyle ymmärsi, että veto- ja hylkimisvoimat olivat molemminpuolisia ja että sähköinen voima kulki tyhjiön läpi. Stephen Gray puolestaan erotti johtimet eristeistä. C. F. Du Fay tunnisti kaksi erityyppistä sähköä, jotka Benjamin Franklin ja Ebenezer Kinnersley Philadelphiasta myöhemmin nimesivät positiiviseksi ja negatiiviseksi sähköksi.

Kehitys nopeutui, kun Pieter van Musschenbroek kehitti Leidenin pullon vuonna 1745. Leidenin pullo varastoi staattista sähköä, joka voitiin purkaa kerralla. Vuonna 1747 William Watson purki Leidenin pullon virtapiirin läpi ja uusi havainto sähkövirrasta ja virtapiiristä synnytti uuden tutkimusalan. Henry Cavendish, joka mittasi materiaalien kykyä johtaa sähköä (vertailemalla Leidenin pullosta saamiaan sähköiskuja eri materiaalien avulla) ja Charles A. Coulomb, joka kuvasi sähköistyneiden kappaleiden vetovoimaa matemaattisesti, aloittivat sähkön kvantitatiivisen tutkimuksen.

Mielenkiinto sähkövirtaa kohtaan heräsi uudestaan pariston keksimisen myötä. Luigi Galvani huomasi vuonna 1786, että staattisen sähkön purkautuminen sai sammakon jalan nykimään. Tämän seurauksena syntyi yksinkertainen elektronikenno, jossa sammakon jalan nesteitä käytettiin elektrolyyttinä ja lihasta virtapiirinä sekä indikaattorina. Galvani luuli, että jalka tuotti sähköä, mutta Alessandro Volta oli eri mieltä ja rakensi todisteeksi Voltan patsaan, joka oli varhainen versio paristosta. Paristoista saatava jatkuva sähkövirta tasoitti tietä keksinnöille, kuten G. S. Ohmin laki, joka esitti sähkövirran, jännitteen ja resistanssin välisen yhteyden, sekä J.P. Joulen laki sähköisestä lämmityksestä. Ohmin laki ja G.R Kirchhoffin myöhemmin keksimät sähkövirtojen ja jännitteiden summaa virtapiirissä koskevat lait muodostavat virtapiirilaskujen perustan.

Voltan koe
Moderni versio Voltan patsaasta, joka oli alkeellinen versio patterista.

Uudenlaista virtaa: pariston synty

Sähkön tuottamisen ja käyttämisen opettelu ei ollut helppoa, sillä pitkään luotettavaa sähkön lähdettä tieteellisiä kokeita varten ei ollut olemassa. Viimein vuonna 1800 italialainen tiedemies Alessandro Volta teki suuren keksinnön. Hän kastoi paperin suolavedessä, laittoi kuparia ja sinkkiä sen vastakkaisille puolille ja seurasi, kuinka kemiallinen reaktio synnytti sähkövirran. Volta oli juuri luonut ensimmäisen sähkökennon. Yhdistämällä monta tällaista kennoa yhteen, Volta pystyi muodostamaan sarjan ja luomaan pariston. Voltan kunniaksi käytämme paristojen yksikkönä volttia. Vihdoinkin turvallinen ja luotettava sähkönlähde oli keksitty ja sähkön tutkimisesta tuli tiedemiehille huomattavasti helpompaa.

Sähkövirran alku

Englantilainen tiedemies, Michael Faraday, oli ensimmäinen, joka ymmärsi, että liikuttamalla magneettia kuparilangan läpi pystyttiin tuottamaan sähkövirtaa. Löytö oli ällistyttävä. Nykyään lähes kaikki käyttämämme sähkö tuotetaan magneeteilla ja kuparikäämeillä valtavissa voimaloissa. Molemmat sekä sähkögeneraattori että sähkömoottori pohjautuvat tälle periaatteelle. Generaattori muuttaa liike-energiaa sähköksi ja moottori muuttaa sähköenergiaa liike-energiaksi.

Thomas Edison ja hehkulamppu

Vuonna 1879 Thomas Edison keskittyi kehittämään käytännöllistä lamppua, joka kestäisi käytössä pitkään. Ongelmana oli löytää tarpeeksi vahvaa materiaalia lampun sisällä olevaa pientä sähköä johtavaa lankaa, – hehkulankaa varten. Lopulta Edison päätyi käyttämään tavallista puuvillalankaa, joka kostutettiin hiilellä. Tämä hehkulanka ei palanut lainkaan, vaan hehkui ja niin siitä tuli hehkulamppu.

Lamppu
Edisonin keksimässä lampussa käytettiin lankana hiilessä uitettua puuvillalankaa, joka sai aikaan hehkua.

Seuraava haaste oli kehittää sähköjärjestelmä, joka tarjoaisi ihmisille käytännöllisen energianlähteen uusien lamppujen valaisemiseksi. Edison halusi sekä halvan että käytännöllisen tavan tuottaa sähköä. Hän suunnitteli ja rakensi ensimmäisen sähkölaitoksen, joka kykeni sekä tuottamaan sähköä että kuljettamaan sitä ihmisten koteihin.

New Yorkissa, Pearl Streetillä sijaitseva Edisonin voimala käynnisti generaattorinsa 4. syyskuuta 1882. Manhattanin eteläkärjessä noin 85 asiakasta sai sen verran sähköä, että pystyivät valaisemaan 5 000 lamppua. Hänen asiakkaansa maksoivat sähköstä kuitenkin paljon: nykyrahassa sähkö maksoi silloin 5 dollaria kilowattitunnilta!

Suuri kysymys: Vaihtovirta vai tasavirta?

Sähköajan käännekohta tuli muutama vuosi myöhemmin, kun vaihtovirtajärjestelmät (AC) kehitettiin. Kroatialaissyntyinen tiedemies Nikola Tesla tuli Yhdysvaltoihin työskennelläkseen Thomas Edisonin kanssa. Riitaantumisen jälkeen, Tesla keksi pyörivän magneettikentän ja loi vaihtovirtajärjestelmän, jota nykyäänkin käytetään laajasti. Tesla yhdisti voimansa liikemies ja insinööri George Westinghousen kanssa patentoidakseen AC-järjestelmän, joka tuottaisi kansalle virtaa, joka kulkisi pitkiäkin etäisyyksiä – ja josta tuli Thomas Edisonin tasavirtajärjestelmän (DC) suora kilpailija. Myöhemmin Tesla perusti Tesla Electric Companyn, kehitti Teslamuuntajan, jota edelleen käytetään laboratorioissa ja radioteknologiassa, ja suunnitteli järjestelmän, jota käytetään sähkön tuottamiseen Niagaran putouksilla.

Vaihtovirran avulla voimalaitokset pystyivät kuljettamaan sähköä huomattavasti kauemmaksi kuin aikaisemmin. Siinä missä Edisonin tasavirtajärjestelmä pystyi kuljettamaan sähköä vain noin puolentoista kilometrin päähän Pearl Streetillä sijainneesta voimalasta, Niagaran putousten voimala pystyi kuljettamaan sähköä yli 400 kilometrin päähän!

Sähkön alku ei ollut helppo. Vaikka monet innostuivat uusista keksinnöistä, toiset pelkäsivät sähköä ja varoivat tuomasta sitä koteihinsa. He pelkäsivät päästää lapsiaan tuon omituisen uuden voimanlähteen lähelle. Monet sen ajan yhteiskuntakriitikot näkivät sähkön yksinkertaisemman, rauhallisemman elämän loppuna. Runoilijatkin kommentoivat, että sähkövalot olivat vähemmän romanttisia kuin kaasuvalot. Kenties he olivat oikeassa, mutta uuden sähköisen ajan alkua se ei pystynyt sammuttamaan.