Bärnstenseffekten. De Magnete. Ingvar Albinsson Institutionen för Fysik. en av Greklands sju vise. alltings ursprung = vatten (fast, flytande, gas)

Transkript

1 Elektricitet Elektriska fiskar beskrivet i egyptiska texter 750 f. Kr. 1 Thales från Miletos (ca f.kr.) en av Greklands sju vise Darrål 500 V/ 1 A (Sydamerika) alltings ursprung = vatten (fast, flytande, gas) Electric catfish 350 V (Nilen) förutsåg solförmörkelse 585 f.kr. bärnstenseffekten Ingvar Albinsson Bärnstenseffekten 3 William Gilbert ( ) 4 Bärnsten (fossil kåda) kan attrahera en fjäder läkare, fysiker (livsmedikus hos Elisabet I) elektron (grek.) = bärnsten studerade elektriska och magnetiska fenomen Exp 1: plaststav/kattskinn pappersbitar Exp : plastkam/hår pappersbitar De Magnete 5 Benjamin Franklin ( ) 6 Om magneter, magnetiska kroppar och den stora magneten jorden (år 1600) införde ordet elektricitet, skiljde mellan statisk elektricitet magnetism ( Marika!) identifierar två typer av ämnen: electrics uppvisar attraktion vid gnidning (isolatorer t.ex. bärnsten, glas, plast, ) anelectrics uppvisar ingen attraktion (ledare t.ex. metaller) De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure (1600) vetenskapsman, politiker Självständighetsförklaringen (1776) studerade statisk elektricitet The Declaration of Independence 1

2 Livsfarliga försök 7 Klotblixtar 8 blixten = elektrisk urladdning (säkerligen inget direktnedslag!) åskledaren (1749) en typ av laddning: positiv = överskott () negativ = underskott ( ) Summan av alla laddningar = konstant Georg Wilhelm Richmann ( ) Sankt Elmseld Statisk elektricitet två typer av laddning: glasladdning () 9 Exp 3: plast/glasstav plaststav (attraktion/repulsion) 10 lack/hartsladdning ( ) Olika laddningar attraktionskraft Lika laddningar repulsionskraft plast F plast glas plast F En stav gnids med ett kattskinn och blir negativ. Vilken laddning får skinnet? 11 Materiens byggnad all materia atomer 1 atomen elementarpartiklar Väte: en proton laddning = 0,16 ac och en elektron laddning = 0,16 ac a = = en miljarddels miljarddel e = elementarladdningen (odelbar) = 0,16 ac laddning är kvantiserad (multiplar av e) SIenheten för elektrisk laddning: coulomb, C

3 Elektronöverföring När två material gnids mot varann, omfördelas laddning e Laddning kan varken skapas eller förstöras Hår elektronunderskott (positiv) Plastkam elektronöverskott (negativ) 13 Materiens byggnad atom elektriskt neutral (antal protoner = antal elektroner) proton () elektron ( ) neutron (neutral) Väte Helium Litium (1p, 1e, 0n) (p, e, n) (3p, 3e, 4n) 14 I ett slutet system (hår plastkam) är totala elektriska laddningen bevarad! jon = elektriskt laddad atom (över/underskott av elektroner eller ) Karakterisering av material Ledare har många lättrörliga ( fria ) laddningar (ex. metaller, saltvatten, plasma) Exp 4: Supraledare (Meissnereffekten) Isolatorer saknar nästan helt rörliga laddningar (ex. glas, gummi, trä, plast) Halvledare antalet laddningar kraftigt temperaturberoende (ex. kisel, germanium) Supraledare ideal ledare, resistansen = 0 ex. kvicksilver (4,15 K) bly (7,19 K) YBa Cu 3 O 7 (9 K) Charles de Coulomb ( ) 17 Coulombs lag (1785) 18 fransk fysiker studerade elektrisk kraftverkan med torsionsvåg Q1 Q F = k r F = kraft (enhet: N = newton) k = konstant ( Nm /C ) Q 1 = laddning nr 1 (C = coulomb) Q 1 = laddning nr (C) r = r r = avståndet (m) i kvadrat ömsesidig kraftverkan Eiffeltornet: 7 franska vetenskapsmän! upptäcktes redan 1771 (opublicerat) av Henry Cavendish, anteckningarna kända först 1879! Cavendish 3

4 Kraften på en laddad kropp från en annan laddad kropp ökar proportionellt med laddningarnas storlek! 19 Kraften avtar snabbt med avståndet! 1 cm 0 cm Kraften är 4 gånger större i övre fallet jämfört med det nedre! Det är x 3 = 6 gånger större kraft i det nedre fallet jämfört med det övre fallet. Notera! Påminner om Newtons gravitationslag: m1 m F = G (dock olika ursprung!) r Elektrisk influens en neutral kropp kan attraheras genom influens neutral 1 Exp 5: plastkam pappersbitar Exp 6: plastkam vattenstråle nettokraften blir attraherande Exp 7: frigolit mot neutral vägg Vad är elektrisk laddning? 3 4 en egenskap hos materia (jmfr. massa) laddning är kvantiserad (e) i ett slutet system är laddningen bevarad elavbrott Elektricitetsvisan (88öresrevyn, Hasse & Tage) 4

5 Elektriska fältet (grafisk modell för elektrisk kraftverkan) 1. En laddad kropp omges av ett fält (Efält) 5 Metallkam sprider ut laddningen på klotet 6 Metallkula ~1 µc e. Fältet åskådliggörs med fältlinjer (Faraday) 3. Fältriktingen i en punkt sammanfaller med riktningen hos den kraft som påverkar en liten testladdning () i punkten 4. Fältet går ut från positiva laddningar och slutar på negativa Q Q En van de Graaffgenerator kan generera mycket höga spänningar (MeV). Positiv metallkam drar elektroner från remmen Rem Motor E=0 5. Tätheten av fältlinjer är ett mått på fältets styrka dipol Robert Van de Graaff, Jord 7 8 Exp 8: van de Graaff laddning/urladdning peruk mannagryn matolja Vi säger att ett elektriskt fält existerar (OBS modell!!!) i en punkt om en testladdning i den punkten utsätts för en kraft Q testladdning kraft Faradaybur 9 Exp 9: mikrovågsugn, plastmuggar 30 Newton visade att kraften är noll på en liten massa i en ihålig sfär (gravitationsfältet = 0) Exp 10: van de Graaff (pingisboll?) faradaybur Motsvarighet i elläran: laddningarna på en ledare fördelar sig så att elektriska fältet inuti är noll (E = 0) Faradaybur ( metallbur ) skyddar elektronik, blixtnedslag (bil) etc. 5

6 31 3 Man kan se gravitationen som ett fält g: g = F/m På analogt sätt införs det elektriska fältet E: E = F/Q där g och F är vektorer (både storlek och riktning) där F är kraften på en laddning Q massa m laddning Q kraft F jordytan (massa) fält g kraft F laddningar (positiva eller negativa?) fält E En elektron rör sig genom ett homogent Efält på samma sätt som en kula genom ett gravitationsfält (parabel). 33 Exp 11: elektronrör laddningar i Efält 34 konstant horisontell hastighet elektronkanon deflektionsplattor elektronstråle vertikal elektrisk kraft ger vertikal acceleration inspänningar skärm jämför gammal TVapparat (ej platt skärm!) Elektrostatik laddningar i vila 35 Elektrisk ström 36 Elektrodynamik laddningar i rörelse Definition: Elektrisk ström (I) = mängden positiva laddningar som passerar en ledares tvärsnitt per tid Q I = t SIenhet: ampere, A Vanligen är laddningarna elektroner (negativa), t.ex. i metalltråd E AndréMarie Ampère ( ) Ström 6

7 E = 0 E 0 Fria elektroner (ledningselektroner) i ständig rörelse kollisioner med andra elektroner, atomer och defekter! Utan elektriskt fält är drifthastigheten noll! Med ett elektriskt fält fås en drifthastighet, dvs en nettohastighet! 37 Typiska data för elektroner i en metallisk ledare: Medelhastighet (enskilda e ) 1000 km/s Drifthastighet ( kollektiv ) 0.1 mm/s! Fri medelväglängd 40 nm (= 400 Å) Tid mellan kollisioner s När man slår på en strömbrytare till en lampa tänds lampan omedelbart. Hur kan det komma sig? Elektronernas hastighet är ju 0.1 mm/s! Luigi Galvani ( ) italiensk läkare och naturforskare 40 elavbrott fysiologiska studier av muskler och nerver animal elektricitet (livsgnista/livskraft) Anton Hansson vals (E. Taube/Hootenanny singers) Boris Karloff ( Frankenstein Mary Shelley) Allessandro Volta ( ) italiens fysiker 41 Voltas stapel (= elektriskt batteri) insåg att Galvani råkat konstruera en detektor för elektricitet 4 kondensatorn (178) lagrar elektrisk laddning ( leydenflaskan ) kan generera tillfällig ström av laddningar voltastapeln (1800) genererar kontinuerlig laddningsström i en sluten krets voltastapeln = staplade (seriekopplade) galvaniska celler Laddningsströmmen drivs av kemiska reaktioner Volta : kopparplatta / filt (svavelsyra) / zinkplatta 7

8 43 44 Exp 1: citronbatteri (Cutråd Znspik) Anodreaktion: producerar elektroner Katodreaktion: konsumerar elektroner Batteri = laddningspump (elektrontryck) Spänning = pumpkraft (enhet: volt, V) Primära batterier (vanliga) / sekundära = uppladdningsbara elektroderna förbrukas när ström genereras Bagdadbatteriet (1938) 45 Bränsleceller framtiden? 46 daterat till ca 300 f.kr. (historiebeskrivningen ställs på ända?) galvanisk cell? Vätgas Luft Bränslecell Elenergi Värme Vatten syfte? guldplättering? ca 0,9 V För och nackdelar: ren tyst effektiv (stor och liten skala) behöver ej uppladdas _ Hög kostnad materialproblem 47 Exp 13: bränslecellen 48 Honda FCX Clarity 008, 1600 kg, 45 mil 8

9 En elektrisk krets = spänningskälla (batteri) via ledare (kopparkabel) ansluten till ett motstånd (resistans) R = 60 ohm U = 1 volt 49 Analogi Det finns ett visst tryck i slangen (spänning / volt) Vattnet möter ett motstånd i slangen/ventilen (resistans / ohm) Vattenflödet (ström / ampere) kan vara svag trots högt tryck 50 I = 0. ampere Ohms lag U = R I Georg Simon Ohm ( ) Elektronernas kollisioner orsakar ett visst motstånd för den elektriska strömmen! När elektrisk ström passerar ett motstånd utvecklas en Effekt = Energi/Tid 51 Milstenar Hans Christian Ørsted ( ): upptäcker 1/4 180 sambandet mellan elektricitet magnetism 5 Den elektriska effekten (P) som omvandlas till värme i motståndet (pga elektronkollisioner): P = U I Exp 14: Strömförande ledare Magnetfält Michael Faraday ( ): upptäcker induktionen, dvs elektrisk ström induceras när en ledare rör sig i ett magnetfält (även virvelströmmar!) Exempel effektförbrukning hos glödlampa: P = 30 V 0,6 A 60 W Exp 15: Magnet i spole Voltmeter Neodymmagnet i Cu/Alrör 53 Likström = laddningstransport i en riktning Växelström = växlande riktning i praktiken används sinusformad ström, 50 Hz Edison förespråkade likström! Slaget om strömmen! Elektriska stolen! (trots motstånd mot dödsstraffet) Växelströmmen infördes av Tesla kan enkelt transformeras ( ändra spänning ) kan transporteras långa sträckor Teslageneratorn Nikolai Tesla ( ) 9