© Helsingin yliopiston opettajankoulutuslaitos
© Helsingin yliopiston
opettajankoulutuslaitos
Kun Piko työntää tankomagneetin rullalle kierretyn johtimen eli käämin sisälle tai vetää tankomagneetin sieltä pois, virtamittarin viisari heilahtaa. Ilmiö on nimeltään sähkömagneettinen induktio. Induktiossa käämiin syntyy sähkövirtaa, kun magneetti liikkuu käämin sisällä. Magneetin ollessa paikallaan, sähkövirtaa ei synny.
Sähkövirtaa syntyy vain silloin, kun Piko liikuttaa magneettia. Syntyvä sähkövirta on sitä suurempi, mitä enemmän käämissä on kierroksia, mitä nopeammin Piko liikuttaa magneettia tai mitä voimakkaampi on magneetti Pikon kädessä.
Muuttuva magneettikenttä synnyttää eli indusoi käämiin jännitteen. Jännite aiheuttaa suljettuun virtapiiriin sähkövirran.
Käytännössä sähköä tuotetaan generaattorin avulla. Esimerkiksi polkupyörän dynamo on generaattori. Kooltaan suurempi, ja teknisesti monimutkaisempi generaattori on myös vesi-, hiili- ja ydinvoimalaitoksissa.
Kun polkupyörän dynamo hankaa polkupyörän etupyörää, polkeminen on raskaampaa. Dynamo on laite, jolla liike-energia voidaan muuttaa sähköksi. Sähköllä puolestaan hehkulamppu saadaan hehkumaan.
Yksinkertaisessa generaattorissa on pyörivä johdinsilmukka, joka pyörii kahden paikallaan olevien magneettien välissä. Silmukan päät on yhdistetty kahteen liukurenkaaseen, kollektoriin, jotka pyörivät silmukan mukana. Ne on yhdistetty generaattorin napoihin liukuharjojen välityksellä. Ankkurin pyrkiessä johdinsilmukassa kulkee kuvan mukainen vaihtovirta.
Generaattorin toiminta
Vesivoimalaitoksen generaattoreita
Generaattori tuottaa vaihtojännitettä, joka on jaksollisesti muuttuvaa jännitettä. Vaihtojännite aiheuttaa virtapiiriin virran, jonka suunta muuttuu jaksollisesti. Myös seinäkoskettimen kohtioiden välinen jännite on vaihtojännitettä. Seinäkoskettimesta saatavan vaihtovirran taajuus on 50 Hz . Tämä tarkoittaa sitä, että yksi jakso toistuu 50 kertaa sekunnissa.
Muuntajaa käytetään vaihtojännitteen muuntamiseen tarpeen mukaan suuremmaksi tai pienemmäksi. Sen toiminta perustuu sähkömagneettiseen induktioon.
Muuntajassa kaksi käämiä on yhdistetty yhteisellä rautasydämellä.
Voimalaitokset ovat yleensä kaukana asutuskeskuksista ja tehtaista. Sähköä siirretään pitkin valtakunnan verkkoa kuluttajille. Kun siirtojohtimessa kulkee sähkövirta, se lämpenee ja osa energiasta menee hukkaan. Lämpöhäviöt ovat sitä pienemmät mitä pienempi virta siirtojohtimissa kulkee. Kun sähkö siirretään korkeajännitteisenä, virta on pieni ja johtojen lämpeneminen vähäistä.
Voimalaitosten generaattorien synnyttämä jännitteet (6...20 kV) muunnetaan
ensin suurjännitteeksi (110...380 kV), joka yhdistetään valtakunnan
sähköverkkoon energiansiirtoa varten kulutusalueille. Siellä ne muunnetaan
suurjännitejakeluverkon jännitteeksi (10...20 kV) ja edelleen paikallisilla
muuntajilla pienjännitejakeluverkon jännitteeksi (230 V).
Suurjännite ja pienjännite sähköjohtoja.
Lähes kaikki energia maapallolla on peräisin Auringosta. Suurin osa Auringosta Maahan tulevasta säteilyenergiasta heijastuu pois ja vain pieni osa läpäisee ilmakehän ja sitoutuu Maassa erilaisiin prosesseihin. Aurinko lämmittää maata ja vesistöjä ja saa aikaan mm. veden kiertokulun, tuulet ja kasvien kasvamisen. Yhteyttämisessä Auringon energiaa on varastoitunut satojen miljoonien vuosien kuluessa kivihiileen ja öljyyn. Tämä Maahan sitoutunut energia voidaan muuntaa voimalaitoksen generaattorilla sähköksi. Voimalaitokset eroavat periaatteessa toisistaan siinä, miten niiden generaattori saadaan pyörimään.
Maapallon prosessien energianlähde
Kun TV-vastaanotin avataan, suljetaan virtapiiri ja sähkövirta kulkee vastaanottimen kautta. Lähes kaikki kotona, tarvittava energia saadaan sähkövirran välityksellä. Sähkö synnytetään mm. hiili-, ydin- ja vesivoimaloissa. Sähkövirta on keino siirtää hiilen kemiallinen energia, veden liike-energia tai atomiytimiin varastoitunut energia pitkienkin matkojen päähän.
!
Ihminen käyttää sähköä valon, lämmön ja liikkeen tuottamiseen sekä informaation tallentamiseen, siirtoon ja esittämiseen.
Hiiltä, maakaasua, öljyä, turvetta, puuta tai haketta käyttävät voimalaitokset toimivat samalla periaatteella ja niitä kutsutaan yhteisellä nimellä lämpövoimalaitoksiksi. Yhteyttämisen kautta polttoaineisiin varastoitunut kemiallinen energia vapautetaan polttokattilassa. Poltossa vapautuvalla lämmöllä höyrystetään kattilassa oleva vesi. Vesihöyry virtaa kohti viileää lauhdutinta, jota jäähdytetään esimerkiksi merivedellä. Lämpöenergia muuttuu liike-energiaksi. Virratessaan höyry pyörittää turbiinia ja turbiini puolestaan generaattoria. Liike-energia muuntuu generaattorissa sähköksi.
Hiilivoimalaitoksen toimintaperiaate
Jos lämpövoimalaitos on lähellä asutusta, lauhdevettä voidaan käyttää kaukolämmitykseen.
Kun hiilivoimalaitoksessa poltetaan hiiltä, ympäristöön pääsee rikin ja typen oksideja sekä hiilidioksidia. Rikin ja typen oksidit happamoittavat maaperää ja hiilidioksidi on "kasvihuonekaasu". Nykyään lämpövoimalaitosten ympäristöhaittoja kyetään vähentämään erilaisilla suodattimilla.
Vesivoimalaitoksen energialähteenä on padotun veden potentiaalienergia. Vesi virtaa voimalaitoksen turbiinin kautta kohti alajuoksua. Virratessaan vesi pyörittää turbiinia ja turbiini puolestaan generaattoria.
Vesi haihtuu Auringon lämmön vaikutuksesta alajuoksulla olevista järvistä tai merestä. Ilmassa vesi tiivistyy sadepilviksi. Osa vedestä sataa padon yläpuolella oleville alueille ja päätyy joen yläjuoksun kautta patoon. Sama vesi kiertää vesistöissä Auringon lämmön vaikutuksesta.
Vesivoimalaitoksen pato
Tuulivoimalaitos on toiminnaltaan samantapainen kuin vesivoimalaitos. Siinä generaattoria pyörittää tuuli.
Tuuli- ja hiilivoimalaitos
Ydinvoimalaitoksen energialähteenä on uraaniytimiin sitoutunut ydinenergia. Uraani on pakattu polttoainesauvaan ja sauvat sijoitettu ydinvoimalaitoksen reaktoriin. Kun ydin halkeaa, syntyy kaksi uutta ydintä, muutama neutroni ja lämpöä. Neutronit voivat halkaista uusia uraaniytimiä, jolloin syntyy ketjureaktio.
Ydinten halkeamisessa vapautuvalla lämmöllä höyrystetään reaktorissa oleva vesi. Vesihöyry virtaa kohti viileää lauhdutinta. Lämpöenergia muuttuu liike-energiaksi. Virratessaan höyry pyörittää turbiinia ja turbiini puolestaan generaattoria.
Ydinvoimalaitoksen toiminnassa syntyy ydinjätettä, joka kapseloidaan ja sijoitetaan kallioperään. On arvioitu, että jätteen aktiivisuus laskee vasta miljoonassa vuodessa alle polttoaineena käytetyn uraanimalmin aktiivisuuden.
Minkään voimalaitoksen generaattoria ei saada pyörimään ilman riskejä. Sähköntuotannon riskejä on osattava tarkastella kokonaisvaltaisesti. Riskejä on hyvä tarkastella yksilön terveyden, ympäristön ja yhteiskunnan näkökulmasta. Toinen tarkastelun näkökulma on sähköntuotannon eri vaiheiden tarkastelu:
– raakaenergian hankinta (hiilen tai uraanimalmin louhinnassa tapahtuneet
onnettomuudet),
– voimalaitosten rakentaminen (suuren voimalaitoksen rakentamiseen
tarvitaan paljon aikaa, ihmisiä, betonia ja terästä),
– energian tuottaminen (hiilivoimalaitoksen rikkipäästöt,
ydinvoimalaitoksen
onnettomuusriski, vesivoimalaitoksen vaikutus vesistöihin),
– jätteiden käsittely (rikin talteenotto, ydinjätteen varastointi).
Yhteiskunnan ei liioin kannata investoida sellaiseen energiantuotantoon, jossa energian saatavuus on epävarmaa tai hinta vaihtelee suuresti.
Liikenne, teollisuus ja energiantuotanto aiheuttavat päästöjä ilmakehään. Päästöt liikkuvat ilmavirtausten mukana ja laskeutuvat sateiden (märkälaskeuma) tai hiukkasten (kuivalaskeuma) mukana luontoon.
Päästöt muuttuvat kulkeutumisen aikana. Esimerkiksi rikin ja typen oksidit reagoivat ilmassa olevan vesihöyryn kanssa, jolloin syntyy rikki- ja typpihappoa. Vesihöyry tulee happosateena maahan ja happamoittaa maaperän. Hapan maaperä on kasveille epäedullinen kasvuympäristö. Hapan laskeutuma happamoittaa myös järviveden ja meren, jolloin veden kasvien ja eläinten elämä tulee vaikeaksi. Erityisesti Itämeren tilasta on syytä olla huolissaan.
Noin 2/3 happamoitumisesta aiheutuu rikkidioksidista ja 1/3 typen oksideista. Suurin osa rikin ja typen laskeutumasta tulee Suomeen kaukokulkeutumana lähinnä Venäjältä sekä Itä - ja Keski-Euroopasta.
Sähkövirta synnyttää magneettikentän. Voiko magneettikenttä synnyttää
sähkövirtaa? Tutkitaan, miten sähkövirtaa synnytetään magneetin avulla ja
mihin tarkoituksiin ilmiötä voidaan hyödyntää.
– Tutki, miten magneetin liikuttelunopeus ja käämin kierrosten
lukumäärä
vaikuttavat syntyvän induktiovirran voimakkuuteen.
– Kuinka suuri on virtamittarin lukema magneetin liikkuessa?
– Mihin suuntaan käämi heilahtaa, kun magneetti vedetään käämin
sisältä
ulos?
– Syntyykö käämiin sähkövirtaa, jos magneetti ja käämi ovat
paikallaan?
– Syntyykö käämiin sähkövirtaa, jos magneetti on paikallaan ja
käämi liikkuu?
Kytke generaattori hehkulamppuun ja moottoriin. Pyöritä generaattoria eri
nopeuksilla eri suuntiin.
– Mitä havaitset?
– Piirrä tilanteista energiakaavio
20. Kuvittele, että olet henkilö, jolla on valta päättää Suomen energiahuollon tulevaisuudesta. Olet saannut tehtäväksesi suunnitella maallemme energiaohjelman 2000-luvulle. Rakentaisitko Suomeen lisää ydinvoimalaitoksia, valjastaisitko vapaat kosket, sijoittaisitko rahaa aurinko- ja tuulienergian tutkimukseen vai ostaisitko kenties sähköä ulkomailta?
21.Vesivoimalaitoksessa veden virtaus muutetaan sähköksi. Mitä
yhteistä on vesivoimalaitoksella ja polkupyörän dynamolla?
Päivittäjä: malux-edu@helsinki.fi