Repetition från förra föreläsningen

Transkript

1 Varför blir historien om elektromagnetism rörig? Den är helt enkel mer abstrakt, fysiskt subtil och svårbegriplig än något annat man hade tidigare förstått sig på. 1751: Benjamin Franklin, electricity can magnetise needles 1766: Joseph Priestley, inverse square law for electric charge 1771: Luigi Galvani, electricity in animals 1785: Charles Augustin de Coulomb, electric force 1796: Alessandro Volta, chemical batteries and voltage 1820: Hans Christian Oersted, an electric current deflects a magnetised needle 1820: André Ampère, force on an electric current in a magnetic field 1820: Biot and Savart, force law between an electric current and a magnetic field 1821: Michael Faraday, first electric motor 1822: André Ampère, two wires with electric currents attract 1827: Georg Ohm, electrical resistance and Ohm's law 1831: Michael Faraday, a moving magnet induces an electric current 1831: Michael Faraday, magnetic lines of force 1831: Michael Faraday, the electric dynamo 1831: Michael Faraday, the electric transformer 1834: Heinrich Lenz, Law of electromagnetic forces 1840: Joule and Helmholtz electricity is a form of energy 1855: James Clerk Maxwell, mathematics of Faraday's lines of force 1858: Wallace and Darwin, natural selection of species 1864: James Clerk Maxwell, equations of electromagnetic wave propagation in the ether

2 Repetition från förra föreläsningen Elektrostatisk induktion Magnetostatisk induktion Induktion är en avgörande egenskap hos elektricitet och magnetism.

3 Elektrostatisk induktion E E kan man mekanisera detta, och enkelt Molnet behöver inte bli helt laddat för att en blixt ska uppstå.

4 Q. Varför attraherar en magnet en järnbit som inte är magnetisk? A. Magnetostatisk induktion En bit järn magnetiseras

5 Q. Varför attraherar en magnet en järnbit som inte är magnetisk? A. Samma princip som induktion. Magnet En bit järn magnetiseras

6 Q. Varför attraherar en magnet en järnbit som inte är magnetisk? A. Samma princip som induktion. Magnet magnetiseras

7 Q. Varför attraherar en magnet en järnbit som inte är magnetisk? A. Samma princip som induktion. Magnet En bit järn magnetiseras

8 Q. Varför attraherar en magnet en järnbit som inte är magnetisk? A. Samma princip som induktion. Magnet En bit järn magnetiseras

9 Elektromagentism Ørsted Ampère, Coulomb, Biot-Savart James Joule, Michael Faraday Nikolai Tesla, Thomas A Edison James Clerk Maxwell

10 1750 hade man börjat producera tillräckligt med ström för att börja ge varandra ordentliga stötar. Man började roa sig på fester genom att 140 män vid kungens hov höll hand och fick sig en stöt.

11 Man funderade hur man skulle använda denna nya kunskap. Ett något märkligt förslag var att skapa en telegraf. Genom att använda 26 ledare funderade man på att skapa en telegraf med 26 personer som var och en hoppade till och sa sin bokstav när de fick en stöt(!)

12 Kvacksalvare fanns det gott om. En mesmerist skulle tillföra magnetisk vätska som skulle stärka kroppen. (Lasse Åberg skulle ha haft kul med detta)

13 In 1780 the Italian anatomist Luigi Galvani constructed a crude electric cell with two different metals and the natural fluids from a dissected frog. Benjamin Franklin in the USA and George Adams in England were also studying the possible medical benefits of electricity around this time. But the more immediately useful result of Galvani's experiment was the electric battery. In 1800 Alessandro Volta modified Galvani's cell by substituting other metals and replacing the frog tissue with wet pasteboard, creating a stack of several cells; the result was an electrical battery capable of holding a significant charge of several 'volts' (named after Volta). There was great hope of using the galvanic battery in medical cures, even of bringing the dead back to life - with some bizarre experiments on the bodies of recently hanged criminals. But what it really meant was that for the first time there was a source of electric current that could be stored - and turned on and off at will. från

14 Till slut hade man en tillförlitlig strömkälla och kunde göra elektriska experiment. Genom att bygga batterier fick man en standard på spänning, som vi kan beteckna som 1 Volt.

15 Man upptäckte elektrodeposition, dvs att i ett batteri flyttades massa från den ena elektroden till den andra.

16 Genom att mäta hur mycket material som deponerades på en elektrod, kunde man mäta överförandet av en total laddning, som vi nu kan beteckna som 1 Coulomb. Man kunde alltså jämföra experiment olika forskare emellan.

17 Genom att mäta antal Coulomb per tidsintervall definierade man i praktiken strömstyrka: 1 Ampere = 1 Coulomb/sekund

18 Man hade nu en standard för total laddning och spänning och ström, även om de specifika enheter som vi nu använder inte utnyttjades. Vi spolar nu fram till 1820 när farmaceuten H.C. Ørsted gör en fantastisk upptäckt... Medan han i sin kurs demonstrerar experiment med starkström, upptäcker han att en närliggande kompass rör sig.

19 Han skrev till Ampère i Frankrike, som tidigare hade undersökt ström, och det blev genast en sensation. Man gjorde mer noggranna experiment och upptäckte därigenom att ett magnetfält uppstod inte bara beroende på strömmen utan även på spolens lindningar.

20

21 Ørsted upptäcker alltså en koppling mellan ström och magnetism, och skrev till Ampère i Frankrike som tidigare hade undersökt ström. Denna upptäckt blir genast en sensation presenterar Biot Savart och Ampère sin beskrivning av förhållandet mellan magnetiska fält och ström:

22 Ampère upptäcker att två parallella ledare med ström attraherar varandra. 1amp 7 F=2 10 Newton 1amp 2 amp 1 Ampere = 1 Coulomb/sek = den ström som krävs att för att två ledare 1 m långa och 1 m isär ska attraheras med en kraft på 10 Newton (motsv. 1/ 100 mg) Detta definierar Coulomb. -7

23 Med hjälp av detta kan Biot-Savart förstå magnetfältet runt en ström. i = ström B=magnetfält Greppa ledaren med höger hand, tummen i strömmens riktning. Fingrarna sluter sig då som det magnetiska fältet.

24 Ohm upptäcker 1827 det som kallas för Ohms lag; att antal överförda Coulomb står i proportion till den pålagda spänningen: V = I R där V mäts i Volt, I i Ampere och R i Ohm. I V R

25 Även vår del av världen kan dras in i sammanhanget av dessa tungviktare då en ung Uppsalaprofessor lämnar sitt namn åt eftervärlden

26 Anders Celsius, , blev professor i astronomi Han upptäckte Celsius temperaturskala (dock inverterad, vilket rättades till efter hans död). Celsius drog också den felaktiga slutsatsen att vattennivåns sänkning berodde på avdunstning och drog korrekt slutsatsen att norrsken var ett magnetiskt fenomen. Han dog i tuberkulos.

27 Definition: 1 kalori är den mängd energi man måste tillföra ett gram vatten för att höja dess temperatur med en grad Celsius. Åter till den verkliga historien, och en av de riktiga tungviktarna presenteras, nämligen James Joule, bryggmästare och forskare.

28 James Joule ( )

29 Genom att använda vad som idag kallas en doppvärmare, upptäcker Joule att det finns ett föhållande mellan ström och värme. "Joule's law" in a paper, "On the Production of Heat by Voltaic Electricity" (1840), he stated that the amount of heat produced in a wire by an electrical current is proportional to the product of the resistance of the wire and the square of the current. This was one of the first of many reports establishing the linkage between heat and other forms of energy. Joules professionella intresse av öl var förmodligen en källa för både inspiration och experimentell utrusting

30 Joule formulerade det kaloriska innehållet i värme genom att föra ström genom en ledare sänkt i vatten (d.v.s. en doppvärmare), vilket ledde till att man kunde definiera cal = 1 Coulomb 1 volt 1 volt = cal Coulomb Joule kopplar alltså värmelära till elektromagnetism

31 Joule undrade därefter om man kunde omvandla rörelseenergi direkt till värme. Han hade ju rätt prylar i bryggeriets källare...

32 Joules experiment: vattnets temperatur höjs beroende på mängden mekaniskt arbete som utförs. m = tyngden (meter) g = gravitationen 9.8m/s 2 h = fallhöjden av tyngden Joule upptäckte att kalorier = mgh Arbetet (från friktionen mellan paddeln och vattnet ) leder till temperaturhöjningen.

33 Joule's Paddle-Wheel Apparatus, 1849, London Science Museum

34 Joule kopplar nu också mekaniken till värmeläran och elektromagnetismen! 1 volt = cal Coulomb Joules elektriska mätningar = 1 kg m 2 s 2 Coulomb Joules mekaniska mätningar

35 Definition: 1 Joule = 1 kg m2 s 2 = cal Exempel: 10 kg vikt faller en meter; hur många kalorier? mycket värms vattnet? Svar: (10 kg)(9.8 m = 23.4 cal s 2 )(1 m) cal Joule Alltså ger det en grad temperaturhöjning på 100 ml vatten

36 Joule fann alltså att värme inte var en vätska, som man tidigare trodde, och att energi bevarades när man gjorde arbete, om man tar hänsyn till både arbete och värme i vattnet. Hans insikt banade vägen för energikonserveringsprincipen och termodynamiken. 1840: Värme, elektromagnetism och mekanik var sammanvävda.

37 nheter Enheter s sekund tid kg kilo massa m meter langd Coul Coulomb laddning V V olt spanning Joule/Coul IR I Ampere strom Coul/s V/R R Ohm resistans V olt/ampere V/I N Newton kraft kg m/s 2 mg J Joule energi kg m 2 /s 2 mgh energi Coul V IsV energi.239 cal cal kalori energi J 1C o 1 ml(vatten) W effekt energi/tid J/s IV = V 2 /R. p.2/2

38 Nu kommer vi till nästa huvudrubrik i elektro- magnetism. Faraday upptäcker ett förhållande mellan elektriska och magnetiska fält som förändras i tiden...

39 1831: Michael Faraday, a moving magnet induces an electric current 1831: Michael Faraday, magnetic lines of force 1831: Michael Faraday, the electric dynamo 1831: Michael Faraday, the electric transformer 1834: Heinrich Lenz, Law of electromagnetic forces

40 Michael Faraday ( ) Som vi diskuterar härnäst, byggde Faraday vidare på Ampère och Biot- Savart och konstruerade en spole, en elektromagnet och en enkel elektrisk This is not a cigar. motor.

41 För att förstå vad han gjorde, repeterar vi Ampere- Biot-Savart lagen. i = ström B=magnetfält

42 Faraday förstärker denna effekt I B B Förstärk denna effekt I

43 Faraday bygga en lit genom att li tala strömm induktionsspole!7 F=2 10 Newton Genom att ändra geometrin gör Faraday således en 2 amp induktionsspole genom att linda koppartråd runt en cylinder 1amp 1amp Faraday och Ampere inser nu att man kan fö bygga en liten elektromagnet genom att iställe genom att linda en större mängd ledare runt och tala strömmen som går runt, eftersom varje ledar N och bygger därigenom upp ett rejält magnetfält i mitten eometrin gör 2 amp Faraday såldedes en I Faraday och Ampere inser nu att man kan förstärka den bygga en liten elektromagnet genom att istället för en rak genom att linda en större mängd ledare runt och runt. Det tala strömmen som går runt, eftersom varje ledare bidrar m Och bygger därigenom upp ett N Faraday id i mitten id S I S Faraday insåg nu att man kunde göra en enkel elektris igenom upp ett rejält magnetfält id Faraday insåg nu att man kunde göra en enk

44 Härnäst funderar Faraday lite på magnetisk induktion. Om en extern magnet kan skapa ett starkt fält inuti järn, kan då inte ett magnetfält skapat genom ström göra detsamma?

45 Jag påminner åter om magnetisk induktion: hur ett förhållandevis litet externt magnetfält kan leda till en stor magnetisering. Magnet En bit järn Magnetiseras

46 Genom att linda runt en järnkärna får han en ännu kraftigare elektromagnetisk spole

47 Genom att linda runt en järnkärna får han en ännu kraftigare elektromagnetisk spole Genom att låta ledarna växla kontakterna kan han växla magnetfältet i spolen

48 Faraday bygger en elektrisk motor

49

50 Vi kan använda liknande ider som gjordes när man ritade elektrostatiska fält för Genom dessa principer bygger man en lätt motor såsom diagrammet nedanför. Slingan är gjord av en lackad koppartråd. Hela konstruktionen borde vara uppenbar, motor. förutom att man måste notera att man måste skrapa bort lacken på undersidan av ledaren som sticker ut och som skapar axeln på motorn. Detta för att strömmen ska passera när magneten pekar såsom i bilden, men att ingen ström passerar när den har roterat 180 grader. Med detta kunde han bygga en fungerande elektrisk Att rita magnet fält

51 Faraday visar alltså att man med elektrisk kraft kan utföra arbete. Han resonerar nu så här: Mekaniskt och elektriskt arbete är därför utbytbart enligt Joules upptäckt. Man borde därför kunna utföra elektriskt arbete med mekaniska medel.

52 1831 gjorde Faraday detta experiment

53 En växelströmsgenerator

54 Genom att likrikta denna ström, gör han en likströmsgenerator, (vilket är exakt en likströmsmotor) Att detta fungerar är inte en tillfällighet.

55

56

57

58 När vi lyssnar skapas induktionsfältet av en varierande ström, som rycker i magneten i trattens botten (Ampères lag) När vi talar, skakar tratten så att en elektrisk potential uppstår via Faradays lag

59

60 Faraday resonerar sedan vidare. Om man kan skapa magnetiskt fält med ström, borde man kunna skapa elektrisk ström med ett magnetfält.

61 Han kan därigenom bygga en elektrisk transformator.

62 Med dessa observationer har man hittat en mängd förhållanden mellan laddning, magnetim och elektricitet: Gauss lag: Det elektriska fältet omkring en laddning bestämmer den inneslutna laddningen Ampères lag: Magnetfältet i en ring runt en ledare bestämmer strömmen igenom ringen Faradays lag: Variationen i det totala magnetiska fluxet genom en krets bestämmer den inducerade spänningen

63 Tillämpningar Elektrisk motor, kraftöverföring Strömmarnas krig Tesla

64 Kraft Tillämpningar: Hur transporterar vi ström Hur transporterar vi kraft? Totala kraftöverföring W tot W tot = IV Totala förluster (Ohms lag) W loss = I 2 R = W 2 totr/v 2 Alltså, ju högre spänning, desto mindre förluster i ledningarna.

65 220 kv växelström 4295 km Högspänd likström (HVDC) 115 km 459 km Det svenska stamnätet omfattar huvudsakligen kraftledningar för 400 och 220 kv, ställverk, transformatorstationer m.m. samt utlandsförbindelser för växel- och likström. Omfattning 2002 Friledning Kabel 400 kv växelström km 4 km 275 kv växelström 75 km 220 kv växelström 4295 km Högspänd likström (HVDC) 115 km 459 km N Vattenkraftstation Värmekraftstation Transf. el kopplingsstation 750 kv ledning 400 kv ledning 275 kv ledning 220 kv ledning Samkörningsförbindelse för lägre spänning än 220 kv Planerad/under byggnad Kraftnätet i Nordvästeuropa Tunnsjødal Røssåga Ofoten Svartisen Melfjord Rana Kobbelv Salten Narvik Sverige Luleå Rovaniemi Kemi Uleåborg N N Vattenkraftstation Värmekraftstation Transf. el kopplingsstation 750 kv ledning 400 kv ledning 275 kv ledning 220 kv ledning Samkörningsförbindelse för lägre spänning än 220 kv Planerad/under byggnad Kraftnätet i No Tunnsjødal Røssåga Sva Melf R Trondheim Norge Nea Sundsvall Umeå Vasa (220 kv) (220 kv) Tammerfors Finland Det svenska stamnätet omfattar huvudsakligen kraftledningar för 400 och 220 kv, ställverk, transformatorstationer m.m. samt Trondheim utlandsförbindelser för växel- och likström. Bergen Stavanger Rjukan Danmark Kassø Flensburg Kristiansand HVDC Hamburg Kiel Tyskland HVDC HVDC Lübeck Oslo Hasle Göteborg Rostock Malmö Enköping Karlshamn Slupsk Krajnik Norrköping Gdansk Olkiluoto HVDC Forsmark Stockholm Ringhals Helsingborg Köpenhamn HVDC Oskarshamn Kaliningrad km Liepaja Åbo Klaipeda Rauma Estland Paide Tartu Polen Tallin Riga Litauen Kaunas Biastystok Loviisa Helsingfors Lettland Ignalina Vilnius Viborg N Ryssland N N N N N N Vitryssland Brest N Teknikredaktörerna AB AB 2003 Omfattning 2002 N Bergen Stavanger Vattenkraftstation Värmekraftstation Transf. el kopplingsstation 750 kv ledning 400 kv ledning Rjukan 275 kv ledning Friledning Kabel 400 kv växelström km 4 km 275 kv växelström 75 km 220 kv växelström 4295 km Högspänd likström (HVDC) 220 kv ledning Samkörningsförbindelse för lägre spänning än 220 kv Planerad/under byggnad 115 km Norge 459 km Nea Røssåga Oslo Hasle Ofoten Svartisen Melfjord Rana Na Kobbelv Salten Sveri E

66 V

67 Där spänningen växlas finns ställverk, (transformatorer)

68 Hur fungerar glödlampan? Tillsammans med doppvärmaren, var det den första och enklaste tillämpningen.

69 Varför lyser glödlampan? Elektronerna tar sig från plus till minus och studsar mot jonerna och avger energi. Det är den mikroskopiska tolkningen av Ohms lag. Alla varma kroppar avger strålning. Ju varmare desto ljusare. Lampan är 3000 grader!

70 Elektricitens påverkan på kroppen ström Ampere respons 1000 Ohm 5000 Ohm.001 känns inte 1 v 5v.005 obehagligt 5v 25v.010 muskler påverkas 10v 50v.015 skadligt 15v 75v >.070 dödligt 70v 350v

71 Ström genom kroppen påverkar på olika sätt: stör nervsignalerna så de frivilliga musklerna sätts ur funktion stör hjärtats och andningens rytm via nerverna värmer blodet till så hög temperatur att det stelnar brännskador vid väldigt hög spänning

72 Mot denna bakgrund kommer vi nu analysera strömmarnas krig Edison, entreprenör c:a 1880, insåg möjligheterna för belysning, men satsade på likström. Det fanns nämligen inget bra sätt att omvandla växelström till likström då detta skulle kräva en växelströmsmotor och inget sätt att förändra strömspänningen. Därtill ville Edison kunna sälja en generatorstation till varje kvarter, eftersom han inte kunde transportera lågspänning långa sträckor utan förluster.

73

74

75 För att få ner Ohm -förlusterna använde man jättekablar.

76 Nu började en kamp med Westinghouse, som insåg fördelarna med växelström och köpte patentet för transformatorn. För att bemöta denna utmaning tillgrep Edison de mest hänsynslösa och skandalösa metoder, inklusive att få igenom att dödsstraffet i vissa delar av USA skulle utföras med växelström.

77 Dock, när sedermera Tesla uppfann växelströmsmotorn, var växelströmmens fördelar så uppenbara att enbart dödsstraffet i vissa delar av USA påminner om strömmarnas krig. Chicagoutställningen, 1893, innebar att segern för elektriciteten och växelströmmen var ett faktum.

78 De nya elektromagnetiska och elektromekaniska uppfinningarna hittar ni som skulpturer invid taket i Fürstenbergska galleriet i Göteborgs Konstmuseum. (byggt c:a 1920)

79 Nyckeln till användbarheten av elektriciteten var Nikolai Teslas uppfinning av växelströmsmotorn. Den är faktiskt mekaniskt enklare än likströmsmotorn, men bygger intimt på elektrisk induktion, vilket gjorde den mer svårförståelig.

80

81