ELLÄRA INTRODUKTION Elektricitet, elektron från grekiskans bärnsten
Thales Grekland Egeiska havet 624BC 546BC Miletos Elektron grekiska för bärnsten
Kompassen Kina: 1086, Shen Kua beskriver användning av kompassen i sjöfart. Kompasser har dock redan använts under lång tid. Deklination: 1635, avvikelsen mellan kompassriktning och den sanna riktningen till nordpolen inklusive dess förändring över tiden observeras.
Statisk elektricitet Triboelektriska serier. Tribos = gnugga (grek.) Foto: education at JLAB Med tiden undersöktes många olika material och man kom fram till att skilda material kan skapa statisk elektricitet som gör att dessa attraherar eller repellerar varandra. Väl känt är fallet med silke mot en glasstav etc.. I dag vet vi att materialen har olika elektrokemisk potential, d.v.s. att laddning omfördelas mellan materialen då de sätts i kontakt med varandra. * Human hands (usually too moist, though) Very positive * Rabbit Fur * Glass * Human hair * Nylon * Wool * Fur * Lead * Silk * Aluminum * Paper * Cotton * Steel Neutral * Wood * Amber * Hard rubber * Nickel, Copper * Brass, Silver * Gold, Platinum * Polyester * Styrene (Styrofoam) * Saran Wrap * Polyurethane * Polyethylene (like Scotch Tape) * Polypropylene * Vinyl (PVC) * Silicon * Teflon Very negative
http://www.youtube.com/watch?v=t6vkxmu Pb3g http://www.youtube.com/watch?v=yfqry0ypf 2g http://www.youtube.com/watch?v=jm3rhon Or9o http://www.youtube.com/watch?v=rddfkkea 2ls
Elektrostatiska generatorer De första maskinerna för produktion av elektrisk laddning var s.k. elektrostatiska generatorer. I dessa hade man helt enkelt mekaniserat gnuggandet av olika material t.ex. genom att med en vev rotera klot av olika lämpliga material. Den första generatorn tillverkades av von Guericke från Magdeburg ca. 1660. Transmission Leydenflaskan En vanlig tidig tankegång var att elektricitet var en form av vätska. Varför inte samla upp denna via en ledare ned i en flaska som innehöll vatten, d.v.s. elektrifiera vattnet? Senare kläddes flaskans in och utsida med ledande material d.v.s. man fick en kondensator (1745) Elektrisk laddning visar sig kunna flyttas mellan punkter med ledare. Typiskt är dessa metaller av olika slag. En av de mer originella demonstrationerna var antagligen när Jean Antoine Nollet 1746 låter en Leydenflaska urladdas genom en rad av 180 av Louis XV:s vaktsoldater.
Torsionsvågen I torsionsvågen utnyttjas att en hängande tråd som snurras runt sin axel vill motverka denna rörelse med en elastisk kraft. Eftersom man kan bestämma hur denna kraft beror på vridningsvinkeln så kan man genom att mäta denna vinkel mäta kraften. Cavendish använde senare detta instrument för att mäta en mycket svag kraft nämligen gravitationen. R 1/R 2 Coulomb utnyttjar denna i ett antal experiment med elektriskt laddade sfärer upphängda i den centrala tråden. Genom att föra en annan laddad sfär mot denna visar han, åtminstone kvalitativt, att den elektriska kraften mellan två laddade föremål avtar som kvadraten på avståndet mellan dessa. Detta samband kallas idag Coulombs lag.
Batteri och elektrolyt Alessandro Volta återuppfinner batteriet (också kallat voltastapeln) år 1800 efter en kontrovers med Luigi Galvani. Hans batteri består celler av två metaller (Zn, Cu) som sätts i kontakt med varandra via en mellanliggande saltlösning (idag allmänt kallad elektrolyt). Zn Det sägs att Galvani hade upptäckt denna effekt då han dissekerade ett grodlår med en metallskalpell och att muskeln ryckte till vid kontakt med skalpellen som av en slump hade blivit laddad med statisk elektricitet. Effekten kunde dock upprepas utan statisk laddning med muskeln mellan två metaller I H 2 SO 4 Cu Elektrolyt Cu Zn Volta bevisar med sin voltastapel att den elektricitet som Galvani upptäckt driver muskelrörelser inte är något fenomen speciellt relaterat till muskler och dess celler utan kan skapas utanför kroppen. Ett nytt sätt att både skapa och lagra elektricitet hade upptäckts.
Inducerade strömmar och magnetfält Örsted upptäcker 1820 av en slump att hans kompass påverkas när en ström leds genom en ledare som befinner sig nära kompassen. Inom en vecka efter Örsteds upptäckt utvecklar AndreMarie Ampere en teori för effekten. Växelström I Örsted Ampere Inspirerad av Michael Faradays arbete med elektriska generatorer för likström utvecklar Hippolyte Pixii den första maskinen som utnyttjar ett alternerande magnetiskt fält tillsammans med spolar för att skapa pulserande ström. Pixiis uppfinning är grunden för alla senare växelströmsgeneratorer som exempelvis dynamon och alternatorn (1832). Tesla Nicola Tesla uppfinner växelströmsmotorn och vinner det s.k. war of currents i konkurrens med Thomas Edison som förespråkar likströmssystem (1888).
Elektronen Edison upptäcker under arbete med att förbättra glödlampan s.k. termisk emission av elektricitet. Glödtråd Glasrör med vakuum Ledande metallplatta Ström flyter Ström flyter inte
Elektronen J. J. Thomson gör en serie experiment som ger honom Nobelpriset för upptäckten av elektronen. I ett elektriskt fält Emitter Strålarna består av elektriskt laddade partiklar med negativ laddning. Deras avböjning kan registeras på den flourescerande skärmen. I ett magnetiskt fält Fluorescerande skärm Strålarna böjs också i ett magnetiskt fält. Radien hos banan mäts. Sammantaget erhåller Thomson ett värde för e/m.
Elektronens laddning R. A. Millikan mäter 1913 elektronens laddning m.h.a. små oljedroppar i ett elektriskt fält. Principen bakom Millikans experiment är att spruta in en tunn oljedimma i en kammare som innehåller två parallella plattor med en elektrisk potential emellan. De oljedroppar som påverkas av det elektriska fältet har en laddning skild från noll (de är statiskt laddade). Om det finns en minsta laddning så kan man anta att dessa doppar har ett antal sådana laddningar på sig (antalet K t.v.). K ee mg Speciellt om man kan justera fältet så att gravitationskraften exakt motverkas av den elektriska kraften så kan man bestämma den totala laddningen Ke. Genom att göra detta för ett antal droppar som har olika total laddning så kan man se om den totala laddningen kan uttryckas som ett heltal multplicerat med samma lilla tal. Detta tal är då elektronens laddning.
500 BC 1086 1180 1600 1700 Vetenskapliga revolutionen 1700 Upplysningstiden 1800 Industriella revolutionen Modern fysik, atomkärnan, neutroner, protoner, kvarkar, utbytespartiklar, bigbang, kvantelektrodynamik, relativitetsteori, standardmodellen och nu fysik bortom standardmodellen 1900 2000 LHC
1600 1785 1800 1820 W. Gilbert: Begreppet elektricitet C.A. Coulomb: Elektriska kraftlagen A. Volta: Batteriet H. C. Örsted: Inducerat magnetfält 1820 1827 1831 1832 M. A. Ampere: Amperes lag G.S. Ohm: Ohms lag M. Faraday: Likströmsgenerator, induktion, elektrolys H. Pixii: Växelströmsgenerator 1861 1880 1886 1888 J. E. C. Maxwell: Maxwells ekvationer T. Edison: Glödlampan H. Hertz: Elektromagnetiska vågor N. Tesla: Växelströmsmotor 1895 1897 1913 G. Marconi: Radiotransmission J. J. Thomson: Elektronen R. A. Millikan: Elektronens laddning
Elektrostatik Lika laddning repellerar olika laddning attraherar
Elektrostatik Laddning kan inte förstöras, endast omfördelas
Laddning bärs av elektroner och protoner Positiv laddning innebär att kroppen ovan har ett underskott av elektroner. Negativ laddning innebär att kroppen ovan har ett överskott av elektroner.
Elektrostatik Coulombs lag F Q Q 1 4 r 2 2 r r Q 1 Q 2 Q 1 Q 2
0 r 8.85410 12 As /( Vm) 0 Kapacitiviteten för fria rymden, eller äldre dielektricitetskonstanten för vacuum r Relativ kapacitivetet, (=1 för vacuum, nära 1 för luft) Elektronen e 1.60210 19 C m 9.1094 10 31 kg
Det elektriska fältet och fältlinjer Enl. definition utgår fältlinjerna från positiv laddning och slutar i negativ laddning eller oändligheten. F F E E F och E är vektorer! Allmänt: E F /Q Kraftverkan punktladdning: F E Q1Q 2 4 r 0 Q2 4 r 0 2 2 Q 1 E fältet somq ger upphov till 2
Dipoler Dipolmoment: p q d, q laddning och d avstånd från till p Polarisation Kärnan Elektroner Kärnan Elektroner p E
Dielektrika r
Energitillstånd för elektronerna i ett material E En metall har lätrörliga elektroner, god ledare Metall Halvledare Isolator Energinivåerna hit upp är alla fyllda
Elektriskt fält i ledare, Faradays bur Laddningar fördelar sig så att nettokraften på laddningarna i metallen=0 Metall Isolerande yta
Fältlinjerna lämnar konduktorn under rät vinkel Fältlinjerna tenderar vara tätast vid spetsig yta
Gauss lag E A Q / E( x, y, z) da Q / flöde av elektriskt fält r 0 r 0 E A Där arean är vinkelrät mot fältet. För en sfär: A 4r 2 Speciellt för en punktladdning är E konstant för konstant avstånd från laddningen: E A Q 4 0 r 2 4r2 Q 0