Elektricitet, elektron från grekiskans bärnsten

ELLÄRA INTRODUKTION

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…. * 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

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.

Foto: education at JLAB

Tribos = gnugga (grek.)

Elektrostatiska generatorer

Leydenflaskan

Transmission

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.

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.

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)

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).

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…

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.

I

Zn Cu

H2SO4

Cu

Zn

Elektrolyt

1/R2

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

+

+

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.

Växelström

Inducerade strömmar och magnetfält

I

Örsted Ampere

Tesla 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).

Nicola Tesla uppfinner växelströmsmotorn och vinner det s.k. “war of currents” i konkurrens med Thomas Edison som förespråkar likströmssystem (1888).

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 Andre-Marie Ampere en teori för effekten.

Elektronen

Edison upptäcker under arbete med att förbättra glödlampan s.k. termisk emission av “elektricitet”.

Glasrör med vakuum Glödtråd Ledande metallplatta

+

+

+

+

Ström flyter

Ström flyter inte

Triod, elektronrör och så vidare

Elektronen

Strålarna består av elektriskt laddade partiklar med negativ laddning. Deras avböjning kan registeras på den flourescerande skärmen.

I ett elektriskt fält

Fluorescerande skärm

Emitter

J. J. Thomson gör en serie experiment som ger honom Nobelpriset för upptäckten av elektronen.

I ett magnetiskt fält

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.

-

+

-

mg

K eE

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.).

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.

Telegraf; Morse Hertz Marconi Bell

2000

500 BC 1086 1180 1600 1700 Vetenskapliga revolutionen

Modern fysik, atomkärnan, neutroner, protoner, kvarkar, utbytespartiklar, big-bang, kvantelektrodynamik, relativitetsteori, standardmodellen och nu fysik bortom standardmodellen

1800

1900

1700 Upplysningstiden Industriella revolutionen

LHC

W. Gilbert: Begreppet elektricitet

J. J. Thomson: Elektronen

M. Faraday: Likströmsgenerator, induktion, elektrolys

C.A. Coulomb: Elektriska kraftlagen

H. C. Örsted: Inducerat magnetfält

A. Volta: Batteriet

M. A. Ampere: Amperes lag

H. Hertz: Elektromagnetiska vågor

R. A. Millikan: Elektronens laddning

N. Tesla: Växelströmsmotor

T. Edison: Glödlampan

G.S. Ohm: Ohms lag

1600

1785

1800

1831

1820

1820

1886

1880

1888

1827

1897

1913

G. Marconi: Radiotransmission 1895

H. Pixii: Växelströmsgenerator 1832

J. E. C. Maxwell: Maxwells ekvationer 1861

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.

Elektroner förflyttas i ledare

En metall har lättrörliga elektroner, god ledare

Metall Halvledare Isolator

E

Energinivåerna hit upp är alla fyllda

Energitillstånd för elektronerna i ett material

Elektrostatik

Lika laddning repellerar olika laddning attraherar

Elektrostatik

Laddning kan inte förstöras, endast omfördelas

++++++

+

Elektrostatik

Coulombs lag

As1(coulomb),1Claddning

4 2

21

Q

r

QQF

Q1

Q2

Q1

Q2

r

r+

+ -

Vacuumpermittivitet eller äldre kapacitiviteten för fria rymden, eller ännu äldre dielektricitetskonstanten för vacuum

)As/(Vm10854.8 12

0

0

r

kg101094.9

C10602.1

31

19

m

eElektronen

rPermittivitetstal, (=1 för vacuum, nära 1 för luft)

Det elektriska fältet och fältlinjer

Enl. definition utgår fältlinjerna från positiv laddning och slutar i negativ laddning eller oändligheten .

tillupphovger2

somfältet4

4

2

0

2

12

0

21

Qr

QE

EQr

QQF

Kraftverkan punktladdning:

F

F och E är vektorer!

+

F

E

E

Allmänt: ngtestladdni/ qqFE

• http://www.youtube.com/watch?v=T6VKxmUPb3g

• http://www.youtube.com/watch?v=yfqRy0YpF2g

• http://www.youtube.com/watch?v=Jm3rHONOr9o

• http://www.youtube.com/watch?v=RDDfkKEa2ls

Skärmning

Dielektrika

+ + + + + +

+ +

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+ + + + +

- - - - - - - - - - -

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

r

Dipoler Dipolmoment:

Kärnan +

Elektroner -

Kärnan +

Elektroner -

Polarisation

E

tillfrånavståndochladdning, dqdqp

p

p

Laddningar fördelar sig så att nettokraften på laddningarna i metallen=0

Elektriskt fält i ledare, Faradays bur

Metall

Isolerande yta

+

+

+

+

+

+

+ + +

+

+ +

+

+

+

+

+

+

+

+

• https://www.youtube.com/watch?v=Zi4kXgDBFhw

• https://www.youtube.com/watch?v=ve6XGKZxYxA

• https://www.youtube.com/watch?v=mUWxYesR5Wo

• https://www.youtube.com/watch?v=jZEFuCxD7BE

• https://www.youtube.com/watch?v=aO-phqmyqdY

• https://www.youtube.com/watch?v=DSscMupf4vE

Fältlinjerna lämnar konduktorn under rät vinkel

Fältlinjerna tenderar vara tätast vid spetsig yta

Elektriskt flöde Vm

fältelektrisktavflöde

AdE

Gauss lag för elektriskt fält

AQ

QAdE r

A

ytan slutna i inne laddning

fältelektrisktavflöde

/ 0

A 4r2

Där arean är vinkelrät mot fältet. För ett sfäriskt skal:

Speciellt för en punktladdning är E konstant för konstant avstånd från laddningen:

2

00

2

04

4r

QE

QrE

QAE

Laddade plattor, Kondensator

Elektrisk potentiell energi och potential

V killnad potentials

/

U

qWU

UqdqEdFW

Det elektriska fältet är konstant mellan plattorna.

+

F

d

Elektrisk potentiell energi i sfäriskt fält

B

A

B

A

B

A

drr

qQdrrqEdrrFW

2

04)()(

B

A

Elektrisk potentiell energi i inhomogent fält

E

A

B

+

+

(Ex,Ey,Ez) (dU

dx,dU

dy,dU

dz)

I tre dimensioner gäller allmänt: