ELEC-A4920 (3 op) Sähkötekniikan historia ja innovaatiot. 7. luento: Magneetin sähkövaikutus

Transkriptio

1 ELEC-A4920 (3 op) Sähkötekniikan historia ja innovaatiot 7. luento: Magneetin sähkövaikutus

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 päivän teema S M M S?

4

5

6 Sähkön tuottaminen ennen vuotta 1800: hankaussähkö, kokeisiin 1800 Voltan pari, kemiallista sähköä kallis 1821 lämpösähköinen efekti mittauksiin (Ohm) 1831 sähköä mekaanisesta energiasta vallankumouksellinen muutos!

7 Kohti sähkömagneettista induktiota: Örsted: sähkö magne smi kelan sisällä rauta magnetoituu, kun kelaan kytketään tasavirta käänteisesti: syntyykö kelaan virta jos sen sisään asetetaan magnetoitu rauta? Ampère& de la Rive, Fresnel, Colladon negatiivisia tuloksia...

8 Ampèren koe 1822 (Jos kerran sähkövaraus indusoi metalliin vastakkaismerkkisiä varauksia, miksei sitten sähkövirta herättäisi sähkövirtaa) kelan rautasydämen magnetoituminen (indusoituneita sähkövirtojako?) koe: kääntyykö rengas ulkoisessa magneettikentässä? negatiivinen tulos

9 (Henri Prudence Gambey: kompassineulan heilahtelut pysähtyvät nopeammin, jos sen alla kuparilevy) Aragon levy 1824 François Arago ( ) tuleeko pyörivä kuparilevy magneettiseksi? Youtubessa

10 Jean Daniel Colladon ( ) äänen nopeus vedessä akustinen tiedonsiirto! optisen kuidun periaate paineilmaporaus kalliorakentaminen magnetismista sähköä?

11 Lac Leman, mailia

12 (Geneve 1841)

13 Colladon 1825 huolellinen koe magneetin mahdollisesta sähkövaikutuksesta herkkä galvanometri sarjassa kelan kanssa 50 metrin johdot suoran magneettivaikutuksen minimointi: galvanometri toisessa huoneessa oletti näkevänsä jatkuvan virran

14

15 Michael Faraday ( ) vaatimaton kotitausta Sandemanin liike 1804 kirjansitojan oppipoika 1812 Royal Institutionin esitelmät (Davy) 1813 Humphry Davyn assistentti 1824 Fellow of Royal Society 1825 Royal Institutionin johtaja kemian tutkimusta kemiaa ja sähkökokeita 1831 sähkömagneettinen induktio 1832 Copley mitali

16 "How fortunate for civilization, that Beethoven, Michelangelo, Galileo and Faraday were not required by law to attend schools where their total personalities would have been operated upon to make them learn acceptable ways of participating as members of the group. (Joel H. Hildebrand Education for Creativity in the Sciences New York University, 1963)

17 Kreivi Rumford Benjamin Thompson ( ) amerikkalainen; siirtokuntien itsenäisyystaistelussa Britannian puolella tykinputkien porauskoe Rumfordin liesi/takka Copley mitali 1792 Englannissa ja filantrooppista työtä perustamassa Royal Institutionia

18 Royal Institution (21 Albemarle Street, Lontoo) perustettiin 1799 for "diffusing the knowledge, and facilitating the general introduction, of useful mechanical inventions and improvements; and for teaching, by courses of philosophical lectures and experiments, the application of science to the common purposes of life" Kreivi Rumford (Benjamin Thompson) Humphry Davy

19

20 Humphry Davy ( )

21 Royal Institution kaukaloa 10 elementtiä, 16 neliötuumaa

22

23 Royal Institutionin joululuennot vuodesta 1825

24 Faradayn jälki tieteessä ja tekniikassa Faradayn laki (induktio) Generaattori, rotaattori Permittiivisyystutkimus kapasitanssi (faradi) Faradayn häkki Kenttäkäsite Elektrolyysin lait Faraday kiertymä Diamagneettiset materiaalit... sikarikuva vai lasitanko?

25

26 Pyrolyyttinen hiili (grafiitin sukulainen, grafeenikerroksia) voimakkaasti diamagneettinen

27 Faraday kiertymä 1845

28 Faraday kiertymä J a B 0 J b Magnetoplasma epäresiprookkista Anisotrooppinen permittiivisyys: symm j g I

29 Sähkömoottori (1821!) Faradayn rotaattori magneettinen monopoli liikkuisi magneettikentässä dipolin toinen pää! Newtonin 3. laki > sähköjohto liikkuu Wollaston, Davy yrittivät aikaisemmin... kiista/väärinkäsitys?

30 Magnetismin ja pyörimisliikkeen Peregrinus ikiliikkuja Gilbert De magnete: Book 6, Chap. VI: Descartes kierteiset hiukkaset pitkä historia Diurnal motion is due to causes which have now to be sought, arising from magnetick vigour and from the confederated bodies; that is to say, why the diurnal rotation of the Earth is completed in the space of twenty four hours.

31 Barlow n pyörä

32 Faraday 1820 luvulla Enimmäkseen kemian kokeita mm. kaasujen nesteytys Luonnon yhtenäisvoima ajatus (kuten Örstedilläkin) Muunna magnetismi sähköksi (1822) Virran induktio toiseen virtaan Ampère: unohda kestomagneetti

33 Läpimurto 1831/8 1831/11 kokeita vain 10 päivänä puusydämen ympärille kelatut (eristetyt) ensiö ja toisiolangat > värähdys rautasydän! voimakas efekti lokakuussa: kestomagneetin liikuttaminen solenoidin sisällä raportoi tulokset Royal Societyssä

34 Faraday, 1831

35

36 Identity of electricities derived from different sources

37 Faradayn laki: Nablamuoto E B t Stokesin lause F ds F dc Integroitu muoto EMF t

38 Voimaviivat, kenttäkäsite (venytetty kuminauha pyrkii lyhenemään)

39 Kenttäviivat

40 Suora virtalanka magneettikentässä voima

41 Suorien virtalankojen välinen voima

42 Merkitys? Ennen vuotta 1831 sähköä vain laboratoriossa ei lennätintä, ei sähkövaloa, ei moottoreita yhtä halpaa kuin mekaaninen työ

43 Joseph Henry ( ) 1819 opintoja Albany Academyssä, 1826 matematiikan professoriksi 1832 Princetonin yliopistoon 1846 Smithsonian Institutionin ensimmäiseksi johtajaksi keksi induktion (kuten Faraday) 1831, ei ehtinyt julkaista! Itseinduktio (kipinä kun galvaaninen piiri katkaistaan) induktanssi [henry] Kvantiteettisähköstä korkea jännite!

44 Volta sähköinen induktio Faradayn homopolaarinen generaattori levygeneraattori

45 Ruhmkorffin kipinäinduktori tasavirtalähteestä katkojan avulla suuri toisiojännite Nicholas Callan (1836)

46 Hippolyte Pixii ( ) vaihtovirtageneraattori Edward Clarke: kelat pyörivät magneettien edessä (kevyempi pyörittää) (Faraday: suhteellinen liike olennaista)

47 Alliance generaattori 1860 höyrykoneella toimiva, käytössä valaistuksessa majakoissa

48 Vaihtovirtageneraattori kuva: Ulaby, s. 316)

49 Heinrich (Emil) Lenz ( ) 1834: indusoitunut sähkövirta vastustaa magneettikentän muutosta

50

51 Franz Ernst Neumann ( ) 1845: Faradayn laki matemaattisessa muodossa

52 Faradayn lain eri muotoja...