Repetition Archimedes princip: Något som flyter undantrycker exakt den volym som motsvarande massa vatten upptar

Transkript

1 Repetition Archimedes princip: Något som flyter undantrycker exakt den volym som motsvarande massa vatten upptar 1 kg 1kg = 1 liter 1kg = 1/2 liter

2 Något som sjunker tar bara upp dess egen volym alltså mindre än motsvarande vikt vatten L totalt 1kg = 1 liter 1 kg = 1 L 9 L 10 L totalt 1kg = 1/10 L 9 L 9 1/10 L totalt 9 L Vattnet skunker till nivå motsv 9 1/10 L

3 Föreläsning VI - Fysik för poeter Statisk magnetism Lite historia Hur en magnet beter sig Jordens magnet fält biomagnetism Förhållande E,B

4 Magneter och magnetism

5 Ordet Magnetism kommer från Magnesia i antikens grekland där det upptäcktes magnetit och enkla kompasser har funnits i över två tusen år. Först var kineserna..

6 En gammal kinesisk kompass

7 Kompassen fungerar eftersom den vill peka åt samma håll som jordens magnetfält Det var ju inte helt uppenbart at det skulle vara så och William Gilbert var den första som föreslog detta 1600 De Magnete

8 Gilbert s interest in the Copernican theory was not unrelated to his interest in magnetism. He thought that the fact that the earth rotated about a line almost exactly through the two magnetic poles could hardly be a coincidence. He also noted that the moon, in going around the earth, always has the same face towards the earth. He wondered if the force between the two might be magnetic, and we always saw the pole attracted to the earth.

9 (Parenthetical historical note: It is interesting to note that another famous person who wrongly thought magnetic forces might play a big role in the solar system was Kepler. He noted that the earth s orbit around the sun was an ellipse rather than a circle, and, he knew the earth was a magnet, with magnetic poles pretty close to the geographic poles (along the line of spin). He also knew this axis the earth spun around was tilted compared to the earth s orbit around the sun, so that sometimes the north pole was closer to the sun and sometimes the south. Putting all this together, and assuming the sun itself was a magnet, he conjectured that for half the year the sun s magnetic force would pull the earth closer to the sun, the other half it would be pushed away, and this would account for the earth s orbit being elliptical instead of circular. This ingenious theory is, unfortunately, completely wrong, but it took Isaac Newton and the invention of calculus to establish that an elliptical orbit was natural for a simple inverse-square gravitational force.) * Quotation from Fowler, Univ of Virginia

10 Hur uppstår magnetism? Järn och magnetit består av mycket små (atomistiska) magneter. När de pekar åt samma håll blir det en permanent magnet. Jordens magnetfält skapar en permanent magnet genom att rada upp alla små magneter åt samma håll.

11 Magnet fältets riktning N S

12

13 Domäner uppstår efter en tid.. See Ising simulation..

14 Så uppstår alltså magneter på jorden... magnetisk material bildar domäner genom jordens magnetfält: värme eller att vända magnetfältet förstör magneten. När man stryker en järnbit över en magnet radar man upp de små magneterna åt samma håll.

15 Man kan skapa en magnet genom att stryka en nål med en stark magnet Så gjordes kompasser för c:a 1000 år sedan

16 Vi ritar ett magnet fält genom att testa riktningen av en massa små kompasser..

17 Man får direkt en bild på dessa fält linjer genom att lägga järnspån på en pappskiva ovanpå en (lagom stark) magnet

18 Man kan rita magnetiska fält linj

19 Vad händer om man tar en magnet och delar på den?

20 Vad händer om man tar en magnet och delar på den? S N S N

21 Vad händer om man tar en magnet och delar på den? S N S N

22 Vad händer om man tar en magnet och delar på den? S NS N S NS N

23 Vad händer om man tar en magnet och delar på den? S N S N S N S N

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

25 Jordens magnetfält har en stor betydelse for allt liv på jorden...

26

27

28

29

30 Magnet fälte skyddar från solvinden som annars skulle utplåna livet på jorden

31

32 Man har upptäckt att duvor använder bl.a. magnetisk kompass

33 Havsköldpaddor använder jordens magnetfält

34 Människor har också magnetit, men om och hur vi använder det är fortfarande en gåta.. Transmission electron micrographs of magnetite and/or maghemite particles extracted from a human hippocampus (96/ well defined crystal faces can be seen in some particles) and human hippocampus

35 Elektromagnetism Voltas konstruktion av ett batteri ändrade fullständigt förutsättningarna H.C. Ørsted gör en fantastisk upptäckt Enheter och upptäckter Volt Coulomb Ampere Watt Joule Celsius

36 Med en Leyden flaska (Pieter von Guericke) kunde man spara elektricitet, och till slut (1746) kunde man lagra tillräckligt med laddning att få en ordentlig stöt. Han berättade att han aldrig skulle göra om experimentet även om han skulle erbjudas hela frankrike som belöning och man började roa sig med fester där 140 i kungens hov, i kungens närvaro, höll hand och fick sig en stöt...

37 Don Francisco Salva s stötande telegraf... Genom att använda 26 ledare funderade man på att skapa en telegraph med 26 personer som var och en hoppade till och sa deras bokstav när de fick en stöt(!)

38

39 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

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

41 Genom att mäta hur mycket material som deponeras på en elektrod, kunde man mäta överförandet av en total laddning, som vi kan nu beteckna som 1 Coulomb och man kunde alltså jämföra experiment mellan olika forskare

42 Genom att mäta antal Coulomb per tidsintervall definierade hade man i praktiken definitionen av strömstyrkan: 1 Ampere = 1 Coulomb/sekund

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

44 Han skriver till Ampere i Frankrike som hade undersökt ström och det blev genast en sensation...

45 H.C. Ørsted anar en koppling mellan elektricitet och magnetism... startskottet till den utveckling som till slut ger en fullständig teori (Maxwell c:a 1860) som förenar elektricitet och magnetism till elektromagnetism.

46 Han skriver till Ampere i Frankrike som hade undersökt ström och det blev genast en sensation... och 1821 presenterar Biot Savart sin beskrivning av förhållandet mellan magnetiskt fält och ström... i = ström B=magnetfält

47 Biot-Savart lag.. i = ström B=magnetfält Greppa ledaren med höger hand, tummen i strömmens riktning. Fingrarna sluter sig då som det magnetiska fältet. Detta är det teoretiska inblick som till slutar med Maxwell ekvationerna.

48 Ohm upptäcker (1827) sk. Ohm s lag... att antal Coulomb överfört är proportionellt till den pålaggda spänningen: V = I R där V mäts i Volt, I i ampere och R i Ohm. I V R

49 För att mer noggrant diskutera förhållande mellan laddning, ström, magnetiska och elektriska fält måste vi göra en liten omväg och diskutera enheterna som är inblandade och det är viktigt hur man kvantifierade dessa..

50 Anders Celsius Blev astronomi professor Han upptäckte Celsius skalan (dock inverterad.. detta fixades efter hans död), inkorrekt drog slutsatsen att vatten nivåns sänkning var pg.a. avdunstning och korrekt drog slutatsen att norrsken var ett magnetiskt fenomen. Dog 1744 i tuberkulos.

51

52 Definition: 1 Kalori är den energi man måste tillföra att höja ett gram vatten en grad Celsius. Joule upptäcker nu ett förhållande mellan mekaniskt, elektriskt arbete och värme...

53 James Joule, ( ) Bryggmästare och forskare

54 Ström ger upphov till värme med en doppvärmare "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.

55 Joule formulerade det kaloriska innehållet att leda ström genom en ledare sänkt i vatten (dvs en doppvärmare), vilket ledde till att man kunde definiera cal = 1 Coulomb 1 volt 1 volt = cal Coulomb Joule kopplar alltså värmelära med elektromagnetism

56 Joule undrade om man kunde omvandla rörelse energi direkt till värme... Han hade ju rätt prylar i bryggeriets källare...

57 Joules experiment... vattnets temperaturhöjning m = tyngden (meter) g = gravitationen 9.8m/s 2 h = fallhöjden av tyngden Joule upptäckte: kalorier = mgh Arbetet (från friktionen mellan paddeln och vattnet ) leder till temperaturhöjningen

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

59 Joule kopplar nu alltså ytterligare mekaniken med värmeläran och elektromagnetism!.. 1 volt = cal Coulomb Joules elektriska mätningar = 1 kg m 2 s 2 Coulomb Joules mekaniska mätningar

60 Definition: 1 Joule = 1 kg m2 s 2 = cal Exempel: 10 kg vikt faller en meter; hur många kalorier? OBS- FEL I mycket värms vattnet? ANTECKNINGARNA 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

61 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

62 Joule fann alltså att värme var inte en vätska som man tidigare trodde, och att energi var bevarad när man gjorde arbete när man tog hänsyn till både arbete och värme i vattnet Med hans insikt banade det vägen för energi konserverings principen och termodynamiken. 1840: Värme, elektromagnetism och mekaniken var sammanvävda