1

Institutionen för Fysik

1

Elektriska fiskar – beskrivet i egyptiska texter 2750 f. Kr.

Darrål – 500 V/ 1 A

(Sydamerika)

”Electric catfish” – 350 V

(Nilen)

ElektricitetElektricitet

Ingvar AlbinssonInstitutionen för Fysik

2

Thales från Miletos (ca 625-546 f.Kr.)

• en av Greklands sju vise

• alltings ursprung = vatten (fast, flytande, gas)

• förutsåg solförmörkelse 585 f.Kr.

• ”bärnstenseffekten”

Institutionen för Fysik

3

Bärnsten (fossil kåda) kan attrahera en fjäder

”Bärnstenseffekten”

elektron (grek.) = bärnsten

Exp 1: plaststav/kattskinn + pappersbitar

Exp 2: plastkam/hår + pappersbitarInstitutionen för Fysik

4

William Gilbert (1544-1603)

• läkare, fysiker (livsmedikus hos Elisabet I)

• studerade elektriska och magnetiska fenomen

Institutionen för Fysik

5

”De Magnete…”

• ”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)

Institutionen för Fysik

6

Benjamin Franklin (1706-1790)

• vetenskapsman, politiker

• Självständighetsförklaringen (1776)

• studerade statisk elektricitet

”The Declaration of Independence”

2

Institutionen för Fysik

7

”Livsfarliga försök”

• blixten = elektrisk urladdning(säkerligen inget direktnedslag!)

• åskledaren (1749)

• en typ av laddning:

- positiv = överskott (+)- negativ = underskott (–)

• Summan av alla laddningar = konstant

Institutionen för Fysik

8

Klotblixtar

Georg Wilhelm Richmann (1711-1753)

Sankt Elmseld

Institutionen för Fysik

9

Statisk elektricitet

• två typer av laddning: - glasladdning (+)

- lack/hartsladdning (–)

+ -

+ +

- -

Olika laddningar ⇒ attraktionskraft

Lika laddningar ⇒ repulsionskraft

Institutionen för Fysik

10

Exp 3: plast/glasstav + plaststav

(attraktion/repulsion)

plastF

F

glas

plastplast

Institutionen för Fysik

11

En stav gnids med ett kattskinn och blir negativ. Vilken laddning får skinnet?

Institutionen för Fysik

12

Materiens byggnad• all materia – atomer

• atomen – elementarpartiklar

• Väte: en proton - laddning = +0,16 aC ochen elektron - laddning = –0,16 aC

• ”a” = 10-18 = en miljarddels miljarddel

• e = elementarladdningen (odelbar) = 0,16 aC⇒ laddning är kvantiserad (multiplar av e)

• SI-enheten för elektrisk laddning: coulomb, C

3

Institutionen för Fysik

13

Elektronöverföring

• När två material gnids mot varann, omfördelas laddning

• Laddning kanvarken skapaseller förstöras

Hårelektronunderskott

(positiv)

Plastkamelektronöverskott

(negativ)

I ett slutet system (hår + plastkam) är totala elektriska laddningen bevarad!

e-

Institutionen för Fysik

14

Materiens byggnad 2• atom – elektriskt neutral

(antal protoner = antal elektroner)

• jon = elektriskt laddad atom(över-/underskott av elektroner � – eller +)

Väte Helium Litium(1p, 1e, 0n) (2p, 2e, 2n) (3p, 3e, 4n)

proton (+)

elektron (–)

neutron (neutral)

Institutionen för Fysik

15

Karakterisering av material

• Ledare - har många lättrörliga (”fria”) laddningar(ex. metaller, saltvatten, plasma)

• Isolatorer - saknar nästan helt rörliga laddningar(ex. glas, gummi, trä, plast)

• Halvledare - antalet laddningar kraftigt temperaturberoende(ex. kisel, germanium)

• Supraledare – ideal ledare, resistansen = 0ex. kvicksilver (4,15 K)

bly (7,19 K)YBa2Cu3O7 (92 K)

Institutionen för Fysik

16

Exp 4: Supraledare (Meissnereffekten)

Institutionen för Fysik

17

Charles de Coulomb (1736-1806)

• fransk fysiker

• studerade elektrisk kraftverkan med torsionsvåg

Eiffeltornet:”72 franska vetenskapsmän”!

Institutionen för Fysik

18

Coulombs lag (1785)

221

r

QQkF

⋅⋅=

• upptäcktes redan 1771 (opublicerat) av Henry Cavendish, anteckningarna kända först 1879!

Cavendish

”ömsesidig kraftverkan”

• F = kraft (enhet: N = newton)k = konstant (9·109 Nm2/C2)Q1 = laddning nr 1 (C = coulomb)Q1 = laddning nr 2 (C)r2 = r·r = avståndet (m) i kvadrat

4

Institutionen för Fysik

19

Kraften på en laddad kropp från en annan laddad kropp ökar proportionellt med laddningarnas storlek!

Det är 2 x 3 = 6 gånger större kraft i det

nedre fallet jämfört med det övre fallet.

+ -

++ ---

Institutionen för Fysik

20

Kraften avtar snabbt med avståndet!

1 cm

+ -

2 cm

+ -

Kraften är 4 gånger

större i övre fallet

jämfört med det nedre!

• Notera! Påminner om Newtons gravitationslag:

(dock olika ursprung!)221

r

mmGF

⋅⋅=

Institutionen för Fysik

21

Elektrisk influens

• en neutral kropp kan attraheras genom influens

neutral

- - - - -

- - - - -

-

-

-

-

+

+

+

+

⇒ nettokraften blir attraherande

Institutionen för Fysik

22

Exp 5: plastkam + pappersbitar

Exp 6: plastkam + vattenstråle

Exp 7: frigolit mot neutral vägg

– – – –

– – – –

–

+ +

Institutionen för Fysik

23

Vad är elektrisk laddning?

• en egenskap hos materia (jmfr. massa)

• laddning är kvantiserad (e)

• i ett slutet system är laddningen bevarad

Institutionen för Fysik

24

”el-avbrott…”

Elektricitetsvisan (88-öresrevyn, Hasse & Tage)

5

Institutionen för Fysik

25

Elektriska fältet(grafisk modell för elektrisk kraftverkan)

1. En laddad kropp omgesav ett fält (E-fält)

2. Fältet åskådliggörs medfältlinjer (Faraday)

3. Fältriktingen i en punkt sammanfaller med riktningen hos den kraft som påverkar en liten testladdning (+) i punkten

4. Fältet ”går ut” från positivaladdningar och slutar på negativa

5. Tätheten av fältlinjer är ett måttpå fältets styrka

Q -Q

”dipol” Institutionen för Fysik

26

Motor

Jord

Rem

Metallkula

E=0

Positiv metallkam drar elektroner från remmen

Metallkam sprider ut laddningen på klotet

En van de Graaff-generatorkan generera mycket höga spänningar (MeV).

~1 µC ≈ 6·1012 e

Robert Van de Graaff,

1901-1967

Institutionen för Fysik

27

Exp 8: van de Graaff - laddning/urladdning

- ”peruk”

- mannagryn + matolja

Institutionen för Fysik

28

+++

+++

Q

+

testladdning

kraft

Vi säger att ett elektriskt fält ”existerar” (OBS modell!!!) i en punkt om en test-laddning i den punkten utsätts för en kraft

Institutionen för Fysik

29

”Faradaybur”• Newton visade att kraften är noll på en liten

massa i en ihålig sfär (gravitationsfältet = 0)

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.

Institutionen för Fysik

30

Exp 9: mikrovågsugn, plastmuggar

Exp 10: van de Graaff - (pingisboll?)

- faradaybur

6

Institutionen för Fysik

31

Man kan se gravitationen som ett fält g:

g = F/m

där g och F är vektorer (både storlek och riktning)

massa m

kraft Ffält g

jordytan (massa)Institutionen för Fysik

32

På analogt sätt införs det elektriska fältet E:

E = F/Q

där F är kraften på en laddning Q

laddning Q

kraft Ffält E

+

laddningar (positiva eller negativa?)

Institutionen för Fysik

33

vertikal elektrisk kraft ger vertikal acceleration

konstant horisontell hastighet

En elektron rör sig genom ett homogent E-fält på samma sätt som en kula genom ett gravitationsfält (parabel).

Institutionen för Fysik

34

Exp 11: elektronrör – laddningar i E-fält

elektronkanon deflektionsplattor

skärm in-spänningar

elektron-stråle

jämför ”gammal” TV-apparat (ej platt skärm!)

Institutionen för Fysik

35

Elektrostatik – laddningar i vila

Elektrodynamik – laddningar i rörelse

Definition:

• Elektrisk ström (I) = mängden positiva laddningar som passerar en ledares tvärsnitt per tid

+

++

+t

QI =

Institutionen för Fysik

36

-- -

Ström

E

André-Marie Ampère (1775-1836)

• SI-enhet: ampere, A

• Vanligen är laddningarnaelektroner (negativa),t.ex. i metalltråd

⇒

Elektrisk ström

7

Institutionen för Fysik

37

E ≠ 0

-

-

--

-

-

-

E = 0

Utan elektriskt fält är drifthastigheten noll!

Med ett elektriskt fält

fås en drifthastighet, dvs en ”nettohastighet”!

Fria elektroner (ledningselektroner) i ständig rörelse �

kollisioner med andra elektroner, atomer och defekter!

Institutionen för Fysik

38

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 10-14 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!

Institutionen för Fysik

39

”el-avbrott…”

”Anton Hansson vals” (E. Taube/Hootenanny singers) Institutionen för Fysik

40

Luigi Galvani (1737-1798)

• italiensk läkare och naturforskare

• fysiologiska studier av muskleroch nerver

• ”animal elektricitet”(livsgnista/livskraft)

Boris Karloff

(”Frankenstein” – Mary Shelley)

Institutionen för Fysik

41

Allessandro Volta (1745-1827)

• italiens fysiker

• kondensatorn (1782)- lagrar elektrisk laddning

(”leydenflaskan”)- kan generera tillfällig ström

av laddningar

• ”voltastapeln” (1800)- genererar kontinuerlig laddningsström i en sluten krets

Institutionen för Fysik

42

Voltas stapel (= elektriskt batteri)

• insåg att Galvani ”råkat” konstruera en detektor för elektricitet

• voltastapeln = staplade (seriekopplade) galvaniska celler

• Laddningsströmmendrivs av kemiskareaktioner

”Volta”: kopparplatta / filt (svavelsyra) / zinkplatta

8

Institutionen för Fysik

43

Exp 12: citronbatteri (Cu-tråd + Zn-spik)

Institutionen för Fysik

44

• Batteri = ”laddningspump” (elektrontryck)• Spänning = ”pumpkraft” (enhet: volt, V)• Primära batterier (vanliga) / sekundära = uppladdningsbara• elektroderna ”förbrukas” när ström genereras

Anodreaktion:

producerar elektroner

Katodreaktion:

konsumerar elektroner

Institutionen för Fysik

45

Bagdadbatteriet (1938)

• daterat till ca 300 f.Kr. (historie-beskrivningen ställs på ända?)

• galvanisk cell?

• syfte? guldplättering?

ca 0,9 V ⇐Institutionen för Fysik

46

• ren

• tyst

• effektiv (stor och liten skala)

• behöver ej uppladdas

• Hög kostnad

• materialproblem+

_

BränslecellVätgas

Luft Vatten

Värme

Elenergi

För- och nackdelar:

Bränsleceller – framtiden?

Institutionen för Fysik

47

Institutionen för Fysik

48

Exp 13: bränslecellen

Honda FCX Clarity2008, 1600 kg, 45 mil

9

Institutionen för Fysik

49

Georg Simon Ohm (1789-1854)

U = 12 voltR = 60 ohm

I = 0.2 ampere

Ohms lag

U = R·I

En elektrisk krets = spänningskälla (batteri) via ledare (kopparkabel) ansluten till ett motstånd (resistans)

Institutionen för Fysik

50

Elektronernas

kollisioner orsakar ett

visst motstånd för den

elektriska strömmen!

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

Institutionen för Fysik

51

När elektrisk ström passerar ett motstånd utvecklas en Effekt = Energi/Tid

P = U·I

Den elektriska effekten (P) som omvandlas till värme i motståndet (pga elektronkollisioner):

Exempel - effektförbrukning hos glödlampa:

P = 230 V ⋅ 0,26 A ≈ 60 WInstitutionen för Fysik

52

Milstenar

• Michael Faraday (1791-1867):upptäcker induktionen, dvselektrisk ström induceras när enledare rör sig i ett magnetfält(även virvelströmmar!)

• Hans Christian Ørsted (1777-1851):

upptäcker 21/4 1820 sambandet mellan elektricitet ↔↔↔↔ magnetism

Exp 14: Strömförande ledare� Magnetfält

Exp 15: - Magnet i spole + Voltmeter - Neodymmagnet i Cu/Al-rör

Institutionen för Fysik

53

Likström = laddningstransport i en riktningVäxelström = 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 (1856-1943)