ELEC-A4920 (3 op) Sähkötekniikan historia ja innovaatiot. 6. luento: Sähköinen virtapiiri

Transkriptio

1 ELEC-A4920 (3 op) Sähkötekniikan historia ja innovaatiot 6. luento: Sähköinen virtapiiri

2 luento päivämäärä aihe Johdanto. Sähkön ja magnetismin varhaishistoria Lasi- ja lakkasähkö Staattisen sähkön aikakausi Sähkökemian synty, sähköparisto Sähkön magneettivaikutus Sähköinen virtapiiri Magneetin sähkövaikutus Sähkömagneettiset kentät ja aallot Sovelluksia: tietoliikenne Sovelluksia: sähkövalo Sovelluksia: sähkövoima Sovelluksia: langaton tiedonsiirto

3 dieelektrischenf02frit (v. 1890)

4

5 (taas) alkuun hiukan Suomen sähkötekniikan historiaa

6

7 Johan Ludvig Runeberg Juhana Vilhelm Snellman Elias Lönnrot

8

9 Johan Jakob Nervander s. Uudessakaupungissa Oulun triviaalikoulu, Turun katedraalikoulu, yliopp.1820 Turun Akatemia, priimusmaisteri 1827 Turun palo, Helsinkiin dosentiksi 1829 fysiikan ja matematiikan apulainen 1832 Euroopan matka Magneettisen observatorion johtaja, ylim. professori 1838 fysiikan professori 1845 k. Helsingissä

10 Juhlamerkki (1955)

11 H. Nevanlinna: ILMATIETEEN LAITOS 170 VUOTTA (2009)

12

13 (Heikki Nevanlinna (2011): Magneettiset havainnnot Helsingin magneettis meteorologisessa observatoriossa ) Meidän Kenraalikuvernöörillemme Suomessa: Me olemme armollisesti nähnyt hyväksi suostua, Aleksanterin yliopiston Kanslerin alamaisesta aloitteesta siihen, että Yliopistoon perustetaan Magneettinen Observatorio. Sen perustamiskustannukset otettakoon Yliopiston uudisrakennusrahastosta, mutta vuotuiset ylläpitokustannukset peitetään Suomen valtion varoilla siten, että Yliopiston käyttöön annetaan tätä tarkoitusta varten vuosittain 1000 pankkiruplaa. Olemme armollisesti nähnyt hyväksi nimittää matematiikan ja fysiikan adjunktin Johan Jacob Nervanderin ylimääräiseksi Professoriksi Aleksanterin yliopistoon ja määrätä hänet Magneettisen Observatorion esimieheksi. Mainittu Nervander saa pitää aikaisemman Adjunktin palkkansa, mutta lisäksi hän saa käyttää hyväkseen vapaan asuntoedun Observatoriossa. Henkilökohtaisena palkkaetuna Nervanderille myönnetään vuosittain 1500 pankkiruplaa. Varat tähän otetaan osittain observatorion vuotuisten käyttökulujen säästöistä, osittain Yliopiston uudisrakennusrahastosta kuitenkin niin, että palkkaetu lakkaa, jos Nervanderille avautuu sopiva Vakinainen Professorin virka siihen kuuluvine palkkauksineen. Tämän hoitakoon Yliopiston Kansleri. Pietarissa 16./28. maaliskuuta 1838 Nikolai (varmennus: ministerivaltiosihteeri R.H. Rehbinder) (Alkuperäisdokumentti on laadittu venäjäksi ja ruotsiksi )

14 Heikki Nevanlinna (2011): Magneettiset havainnnot Helsingin magneettis meteorologisessa observatoriossa Nurmijärvi 2007 Helsinki 1844

15 magneettisia mittauksia aikavälillä : erantohavaintoa ja horisontaalihavaintoa lähes 1,9 miljoonaa lukemaa! (sähköraitiotieliikenne alkoi 1900)

16 (Nevanlinna 2011)

17 (Nevanlinna 2011)

18 Tutkielma lieriökehyksisestä galvanometristä, jolla pystyy välittömästi ja ilman laskutoimituksia määrittämään sähköisen virran voimakkuuden sen poikkeuttaessa magneettisen neulan suuntaa

19

20 Nervanderin bussoli (Helsingin yliopistomuseo Arppeanum)

21

22 Jukka Venermon diplomityö

23

24

25

26

27

28

29

30 (MyCourses)

31 Demidovin palkinto (Демидовская премия) Tiedepalkinto Myönnetty vuodesta 1832 Venäjän tiedeakatemian jäsenille uudestaan alkaen 1993 Johan Jacob Nervander 1848!! Павел Николаевич Демидов ( ) Aurora Karamzin (Stjernvall, Demidova) ( )

32 Claude Servais Mathias Pouillet ( ) sinigalvanometri (1837)

33 Virtapiirin salaisuus?

34 Yksinkertaistako?

35 hankaussähkö intensiteettisähkö galvaaninen sähkö kvantiteettisähkö Sähkön käsite? statiikassa johde kuin johde (mitä on johtavuus?) sähköpiirin käsite epäselvä (Leiden vs. Volta) Samuel Christie 1830 luvulla: Käytän sanaa `virta vain mukavuussyistä... (johtimen joutuminen tilaan, jossa se vaikuttaa magneettineulaan)

36 Leidenin pullolla vaikutus kevyisiin kappaleisiin Voltan patsaalla magneettineulaan Mutta virtaako välttämättä mikään?

37 Magneettinen voima lankaa pitkin?

38 Tutkimuksia ja kokeita... Henry Cavendish suolaliuoskokeet Peter Barlow yksi/kaksiainesähkö? miten magneettivoima käyttäytyy pitkin lankaa Humphry Davy virta verrannollinen: A/L riippuu metallista Antoine César Becquerel kaksisähköteoria

39 Thomas Johann Seebeck ( ) Paristojen epästabiilius oli ongelma Seebeck 1822: lämpösähköinen ilmiö (lämpötilaero metalliliitosten välillä sähköinen voima) ei elektrolyyttiä, ei polarisoitumista!

40 Lämpösähköinen generaattori esim: kupari konstantaani liitos: 41 mikrovolttia/kelvin Cassini-luotaimen RTG: (radioisotope thermoelectric generator) V ( SB S A) ( T 2 T1 ) Käänteinen ilmiö: Peltier efekti

41

42 Joseph Fourier ( )

43

44 Fourier sarjat!

45 Käsikirjoitus jo vuonna 1807 hylättiin trigonomisten sarjojen käytön takia!

46 8 2 n ( 1) n 1 sin[(2n 1) x] 2 (2n 1)

47 n n ( 1) n 1 sin[(2n 1) x] 2 (2n 1)

48 n n ( 1) n 1 sin[(2n 1) x] 2 (2n 1)

49 n n ( 1) n 1 sin[(2n 1) x] 2 (2n 1)

50 suhteellinen virhe n 11

51 Georg Simon Ohm ( ) syntyi Erlangenissa opettajana kouluissa/opistoissa (Gottstadt, Neuchâtel, Bamberg, Köln, Nürnberg) 1827 Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet ei ymmärretty/arvostettu Saksassa Copley mitali 1841 sai lopulta professuurin (München 1852)

52 Ohm: metallilankojen vertailu: kiertovaaka virran mittarina

53 (höyryä) (jäätä) Ohmilla Seebeckin lämpösähkölähde magneettivoima paristo a X

54 !! sama resistanssi

55

56

57

58

59

60 Werner von Siemens (1860): ohmin määritelmä tarkennus (1893): elohopeapatsaan pituus 106,300 cm elohopea: A = 1 mm 2 L = 1 m (sulavan jään lämpötila)

61

62 Heike Kamerlingh Onnes: 26. lokakuuta 1911

63 Wheatstonen silta (1833) Samuel Hunter Christie ( ) Sir Charles Wheatstone ( )

64 Brian Bowers, Sir Charles Wheatstone FRS , IEE, 2001

65 Kohti piiriteoriaa... Gustav Robert Kirchhoff ( ) piirilait 1845 tunnetumpi spektroskooppisista tutkimuksistaan

66 Impedanssi Charles Steinmetz ( ) piirisuureet kompleksilukuarvoisiksi Oliver Lodge värähtelevälle kipinälle johdin suuri vastus vaikka tasavirtavastus pieni

67 Sähköteho Joule: lämpiäminen verrannollinen virran neliöön Kvantiteettisähkö huono pitkissä lennätinjohdoissa korkea jännite parempi James Prescott Joule ( )

68 Kohti energiakäsitettä... flogiston poistui palavista aineista kalorikki (kalorium) nestemäinen, näkymätön, massaton aine (lämmönsiirtyminen) mutta työ ei voi synnyttää ainetta! Benjamin Thompson (Kreivi Rumford, ) tykinputkien porauskoe München 1798

69 Lämmön mekaaninen ekvivalentti James Prescott Joule 1 cal = 4,1868 J

70 Julius Robert von Mayer ( ) energiamuotoja: mekaaninen, sähköinen, kemiallinen, lämpö, ruoka... energian säilymisen periaate kiista Joulen kanssa

71 Wo Bewegung entsteht, Wärme vergeht Wo Bewegung verschwindet, Wärme sich findet Es bleiben erhalten des Weltalls Gehalten Die Form nur verweht, das Wesen besteht.

72 Hermann von Helmholtz ( )

73 3. tehtävä Jos sinut olisi määrätty vuonna 1829 Keisarilliseen Aleksanterin-Yliopistoon Johan Jacob Nervanderin vastaväittäjäksi, mitä asiaa/asioita olisit hänen tutkimuksissaan eniten kritisoinut? Kirjoita vähintään kaksi sivua jättöpäivä ke Nervanderin dosentinväitöskirja löytyy Nopasta: Muu materiaali.