ELEC-A4920 (3 op) Sähkötekniikan historia ja innovaatiot. 5. luento: Sähkön magneettivaikutus

Transkriptio

1 ELEC-A4920 (3 op) Sähkötekniikan historia ja innovaatiot 5. luento: Sähkön magneettivaikutus

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

4

5

6 Historiatrivia: osallistujaa menestys montako oikein kymmenestä Keskiarvo: 3,42 oikein

7 osallistujaa 8.1.: 5,5% 29.1.: 21,1%!!! Kysymyskohtainen menestys (prosentteja oikeita vastauksia) 100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 71,1 63,2 57,9 47,4 42,1 26,3 21,1 10,5 7,9 2,

8 Akun navat: anodi vai katodi? Positiiivinen elektrodi: purkautuessa katodi, varatessa anodi Anodi usein hiilipohjainen Katodi litiumoksidista + lisäaineista (IEEE Spectrum, Vol. 35, No. 11, s.24)

9 Mullistuksien aika 1776 Yhdysvallat itsenäistyy 1789 Ranskan vallankumous 1792 Kustaa III murhataan 1804 Napoleon keisariksi Suomen sota 1815 Waterloo, Wienin kongressi 1785 Coulombin laki 1791 Galvanin kokeet 1800 Voltan patsas 1802 Daltonin atomiteoria Davy (K, Na, Ca, Sr, Ba, Mg) 1820 Örsted, Ampère: sähkön magneettivaikutus 1821 Seebeck: lämpösähköinen ilmiö

10 1800 luvun alussa vielä... sähkö ja magnetismi eri asioita Coulombin mielipide S M havaintoja ilmeisesti ollut aikaisemmin salama magnetoinut rautaesineitä/kompasseja magneetilla vaikutus valokaareen Romagnosi 1802 (Voltan patsaan vaikutus magneettineulaan?)

11 Gian Domenico Romagnosi ( ) koe Trentossa 1802 myös: Davy: magneetin vaikutus valokaareen

12 Hans Christian Örsted ( )

13 lapsuus Langelandin saarella ei koulua veli Anders Sandöe Ö. aikanaan pääministeriksi! ylioppilaaksi 1794 opiskelut Kööpenhaminan yliopistossa väitöskirja Dissertatio de forma metaphysices elementaris naturae externae (1799) apteekkarina, matkoja Eurooppaan apulaisprofessori Kööpenhaminassa 1806, täysi professori 1817 tutki sähkömagnetismia, kemiaa (alumiini 1825)... Copley mitali 1820 perusti 1829 polyteknisen opiston Tanskan teknillinen korkeakoulu 1 Oe = 1000/(4 ) A/m patsas Rudköpingissä

14 Ørstedparken (Kööpenhamina)

15

16 Langeland

17 Copley mitali Sir Godfrey Copley (Royal Society of London) for "outstanding achievements in research in any branch of science, and alternates between the physical sciences and the biological sciences" 1731 Stephen Gray 1747 Gowin Knight 1753 Benjamin Franklin 1776 James Cook 1792 Benjamin Thompson 1794 Alessandro Volta 1805 Humphry Davy 1820 H.C. Örsted 1832 Michael Faraday 1841 Georg Ohm...

18 Saksalainen idealismi ja romantiikka Immanuel Kant ( ) transendenttinen idealismi, velvollisuusetiikka fenomeenit & das Ding an sich tieto = havainto + mielen kategoriat analyyttinen/synteettinen tieto Johann Gottlieb Fichte ( ) idealismi (luonnon kustannuksella) ei ole olioita itsessään Friedrich von Schelling ( ) luonnonvoimat yhtä ja samaa luonto suuri organismi (ei valistuksen kellokoneisto)

19 Toiminta eettistä vain jos tapahtuu velvollisuudesta

20 Örsted(Schellingin metafysiikan vaikutus) luonnonvoimien ykseys sähkö, lämpö, valo, kemia magnetismi?

21

22 Valistuksesta romantiikkaan 1700 luvun rationalismi ja järkiusko newtonilainen mekaniikka 1800 luvulla romantiikka energia, tunne suuria voimia luonto, ihminen, Jumala, kokonaisymmärrys epäorgaaninen kemia > orgaaninen kemia magnetismi mystinen voima Mesmer!

23 Suuri yhtenäisteoria (GUT) jopa kaiken teoria?

24

25 Kokeet 1820 sähköinen konflikti! voiman suunta? sähkön kvantiteetti vaikuttaa

26 luennot sähköstä, galvanismista ja magnetismista

27 lämpö ja valo sähköisiä konflikteja lisäksi kiertoliikettä

28 Julkaisu (kirje) levisi nopeasti, suuri vaikutus 20 vuotta Voltan patsaasta! miksei aikaisemmin? Leidenin pullo vs. Voltan patsas voiman suunta Coulombin auktoriteetti sähkövirran käsite, suuruus...

29 vaikutus Ranskan tieteeseen Ranskan pääministeri 1848! Francois Arago näki kokeen elokuussa 1820 Arago raportoi ja demonstroi Ranskan Akatemiassa syyskuussa André Marie Ampère ryhtyi kokeilemaan: virtojen väliset voimat (syyskuu) Jean Baptiste Biot & Félix Savart (lokakuu): virtalangan voiman etäisyysriippuvuus Laplace: virta alkion voima 1/r 2

30 Sir Humphry Davy (Memoirs, 1836):

31 60? Kun ajatuksen salama leiskahti otsaltasi, tieteelle annettiin suurempi näkemisen kyky. Soit mittaamattoman aarteen maailman maille. Ja totuuden kauneuden kautta johdat meitä avoimin katsein Jumalan luo.

32

33

34

35 (Alec Wilson)

36 (Pedro Aragão)

37 André Marie Ampère ( )

38 Sähködynamiikan isä 1804 professori (Lyonin yliopisto) 1809 professori (École Polytechnique Paris) syyskuu 1820! tutkimukset THÉORIE MATHÉMATIQUE DES PHÉNOMÈNES ÉLECTRO DYNAMIQUES UNIQUEMENT DÉDUITE DE L'EXPÉRIENCE = sähködynamiikan Principia magnetismi sähköä 1881: ampeeri (SI) tandem felix (?)

39

40 Annales de Chimie et de Physique, edited by MM. Gay-Lussac et Arago. Volume 15. Pp , and Paris: Chez Crochard, 1820.

41 1 m 1 A 1 A 200 nn/m

42

43

44 virtasilmukka kääntyy siten, että magneettinen momentti osoittaa kentän suuntaan

45

46

47

48 Ampèren havainnot Virtalangan magneettivaikutus vaihtaa suuntaansa, kun lanka käännetään. Virta edestakaisin > vaikutus häviää. Suora lanka ja kiemurteleva > sama vaikutus Magneettivaikutus on kohtisuorassa virran suuntaa vastaan Piirijärjestelyn vaikutus on riippumaton sen lineaarisista mitoista.

49 THÉORIE MATHÉMATIQUE DES PHÉNOMÈNES ÉLECTRO-DYNAMIQUES UNIQUEMENT DÉDUITE DE L'EXPÉRIENCE (1827)

50 Sähkö vai magnetismi? Gilbert S M; S M Franklin Aepinus Ampère S! S M M S

51 Yksiköt ampeeri (A) Örsted(Oe) CGS järjestelmän yksikkö magneettikentän voimakkuudelle (ja gauss magneettivuon tiheydelle)

52 Johann S.C. Schweigger ( ) multiplikaattori (syyskuu 1820)

53 Leopoldo Nobili ( ) astaattinen galvanometri (toukokuu 1825)

54 astaattinen galvanometri

55 Johan Jacob Nervander palataan...

56 Sähkömagneetti Ampère (solenoidi = kuin magneetti) Arago (rautasydän magnetoituu) William Sturgeon (1825): 16 kierrosta eristämätöntä kuparilankaa eristetyn rautasydämen päällä pehmeä rauta parempi kuin kestomagneettiteräs

57 William Sturgeon ( )

58 Nostokyky kasvaa kestomagneettien tarve väheni Joseph Henry ( ) johdelankojen eristäminen optimointia kyllästymisilmiö rele, lennätin... James Prescott Joule ( ) 200 x oma paino!

59 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]

60 "for the increase and diffusion of knowledge"

61 Moottoreita Faraday (1821): rotaattori, ensimmäinen sähkömoottori Henry(1831): sähkömagneettinen keinu Jacobi (1834): yhden hevosvoiman sähkömoottori (Nevalla 1838 toiminnassa) epätaloudellista (Voltan paristo)

62 Moottoreita

63