Fysiikan historia kevät Luento 7. Faradayn sähkömoottori (1820).

Transkriptio

1 Fysiikan historia kevät 2011 Luento 7 Faradayn sähkömoottori (1820).

2 Sähkön ja magne-smin historia Ensimmäinen laaja -eteellinen tutkimus magne-smista ja staa7sesta sähköstä oli De Magnete, jonka julkaisi englan-lainen William Gilbert ( ) vuonna Opiskeli Cambridgen yliopistossa. Oli menestyvä lääkäri. Elisabeth I:n ja James I:n henkilääkäri. Muinaisuudesta as- luonnosta löytyvää voimakkaasmagnee7sta magne-i7a (Fe 3 O 4 ) (engl lodestone) oli käytepy kompassina. Gilbert osoi7 kokeilla, epä magnee-n kääntyminen pohjois- etelä- suuntaan johtuu siitä, epä maapallo on magnee7. Aiemmin syyksi luul-in Pohjantähteä tai pohjoisessa olevaa magnee7sta vuorta. Terrella

3 Rakensi pallomaisen magnee-n (terrella), Maan mallin, ja tutki pienellä kompassilla sen magnee7kenpää. Osoi7, epä Maan magnee7kentän suuntaises- asetepu rautatanko magnetoituu vähitellen. Samoin, epä kuumentaminen hävipää aineiden magnee7suuden. Teki eron magne-smin ja staa7sen sähkön (meripihkailmiö) välille. O7 sähkölle käypöön termin electricity. Esi7, epä taivaankappaleiden kiertoliike johtuu Maan pyörimisestä, ei taivaan sfäärien pyörimisestä. Magne-smi oli merenkulun kannalta tärkeä ilmiö, ja sen takia Maan magne-smista ol-in kiinnostuneita. Henry Gellibrand osoi7 1635, epä magnee7nen pohjoisnapa liikkuu. Edmond Halley esi7 1692, epä maapallon rakentuu pallomaisista magnetoituniesta kerroksista, jotka liikkuvat hitaas- toistensa suhteen. Hän myös mipasi ja laa- Atlan-lle magnee7sen kartan George Graham huomasi Maan magnee7kentässä pieniä häiriöitä, magnee7sia myrskyjä. Anders Celcius ja Graham mipasivat Tukholmassa ja Lontoossa yhtäaikaa tällaisia häiriöitä, joten kyse oli laaja- alaisesta ilmiöstä. Celsius oppilaineen huomasi häiriöiden yhteyden revontuliin (nyk puhutaan magnee7sista alimyrskyistä).

4 Sähkön keksiminen An-ikissa -ede7in, epä meripihka vetää kappaleita, kun sitä hangataan. Gilbert pi- magne-smia tärkeämpänä kuin sähköä. Sähkö on kappaleesta irtoavaa effuliumia, joka harvenee etäisyyden kasvaessa. Pi- sähköä pelkästään vetovoimana. OPo von Guericke ( ) teki kokeita rikkipallolla. Suuri varaus. Keksi myös, epä sähkö johtuu langassa. Pieter van Musschenbroek ( ) keksi sähkö varastoimisen eli kondensaaporin: Leydenin pullon.

5 Charles Coulomb osoi7 1777, epä magnee7nen voima pienenee kuten 1/r 2. Hän teki mipaukset torsiovaa alla. (Itse asiassa ensim- mäinen, joka mipasi magnee7sta voimaa torsiovaa an avulla, oli saksalainen Tobias Mayer 1760.) Langan kiertymisestä aiheutuva voima on suoraan verrannollinen kiertokulmaan. Verrannollisuuskerroin saadaan selville mipaamalla langan päässä olevan vaakatangon heilahdusaika. Kun kerroin -edetään, voidaan mitata magnee7sten kappaleiden (ja myös varapujen kappaleiden) välinen voima eri etäisyyksillä.

6 Vuonna 1820 tanskalainen Hans Chris-an Ørsted ( ) huomasi, epä joh-messa kulkeva virta saa aikaan magnee7kentän. Tämä oli tärkeä havainto, sillä se lii# yhteen sähkön ja magne2smin.

7 Andre- Marie Ampere ( ), ransk, julkaisi pian Orstedin jälkeen uusia tuloksia sähkömagne-smista. Mm. virtajohtojen aprak-osta ja repulsiosta kertovan lain. Ampere esi7 teorian, jonka mukaan magnee7 koostuu hiukkasista, joiden ympäri kiertää sähkövirta. Ampere uskoi teorian voimaan: kokeilla ei päästä käsiksi perustotuuksiin vaan vain koetulosten pohjalta tehtävien deduk-ivisten matemaa7sten pääpelyiden kaupa. Ns. Amperen pöytä. Kaaviokuva laipeesta, jolla Ampere mipasi suorien virtajohtojen toisiinsa aiheupamaa voimaa.

8 Sähkön tutkimus Ensimmäinen sähkön laaja- alainen tukija oli amerikkalainen Benjamin Franklin ( ). Saavu7 maailmanmainepa paitsi fyysikkona myös keksijänä, kirjoipajana ja kustantajana,diplomaa7na ja poli-kkona. Yksi Yhdysvaltain itsenäisyysjulistuksen kirjoipajista. Kirjoi kirjan Experiments and Observa9ons on Electricity, Made at Philadelphia in America. Seli7, epä hangapaessa kahta ainepa, toinen aineesta saa sähköisyypä, toinen menepää. Ei ole erikseen nega-ivista sähköä ja posi-ivista sähköä. Tämä yhden sähkön malli teki Franklinista kuuluisan ja hänet kutsu7in Royal Societyn jäseneksi. Tutki sähkön purkautumista varatusta kappaleesta ja esi7 oleellises- sähkövarauksen säilymislain.

9 Franklinin leijakoe voi olla pelkkä legenda. Näin tarina menee. F halusi -etää, onko ukkosessa kyse sähköilmiöstä. Leija liiteli ukkospilvien lomassa. Siihen kertyi nega-ivista varausta, joka kulki kosteaa lankaa pitkin avaimeen. Avaimesta oli metallijohdin Leydenin pulloon (alkeellinen kondensaapori). F piteli leijaa avaimeen kiinnitetyn kuivan silkkilangan (ei johda) avulla. Jos hän vei kätensä lähelle avainta, syntyi kipinöivä läpilyön- ja sähköisku. Se todis-, epä ukkospilvissä on sähköä. Venäläinen Georg Richmann kuoli sähköiskuun toistaessaan F:n koepa silkkilanka puupui.

10

11

12 Alessandro Volta ( ) ital. Vaiku7 Pavian yliopistossa. Kuuli Luigi Galvanin sammakonkoipihavainnosta: kuparikoukkuun kiinnitepy kuolleen sammakon koipi sätki,kun se paine7in rautaa vasten. Volta seli7, epä kun kaksi eri metallia erotetaan toisistaan sopivalla aineella, metallien välille syntyy sähkövirta.

13 Rakensi 1800 tällä periaatteella ensimmäisen sähköpariston, Voltan patsaan. Ensimmäinen tasaisen sähkövirran lähde. Humphrey Davy käytti Voltan patsasta sähkökemiallisiin kokeisiin.

14 Michael Faraday ( ) engl. fyysikko ja kemis- Kirjansitoja. Opiskeli ominpäin kemiaa ja fysiikkaa. Hankkiutui Royal Ins-tu-onin johtajan, kemis- Humphry Davyn assisten-ksi. V 1825 johtajaksi, jona oli kuolemaansa as-. Nerokas kokeiden tekijä. Teoree7set ja matemaa7set taidot puupeellisia. Innostui Ørstedin tuloksesta, epä sähkövirta synnypää magne-smia. Halusi osoipaa sähkön ja magne-smin välillä vallitsevan symmetrian eli epä magnee-n avulla voidaan vastaavas- saada aikaan sähkövirtaa. Keksi sähkömooporin periaapeen eli laipeen, jolla sähkömagnee7sta energiaa voidaan muupaa mekaaniseksi liikkeeksi. Virtajohdin Sauvamagnee7

15 Keksi 29. elokuuta 1831 induk-oilmiön. Käämissä kulkeva sähkövirta synnypää virran toiseen käämiin muodostaessaan magnee7kentän. Faradayn ratkaiseva oivallus oli, epä ei sinänsä vaan sen indusoi virtaa. Faradayn induk-okäämit, Teki Davyn kanssa tupuja rautajauhekokeita, josta sai idean kuvata magnee7sia ja sähköisiä vaikutuksia voimaviivojen avulla. Faradayn piirros magnee-n voimaviivoista.

16 Faradayn suuriin ideoihin kuuluu kentän käsite. Etävoimien ymmärtäminen oli noussut keskustelun aiheeksi: mikä saa varauksen -etoiseksi toisen varauksen olemassaolosta jo etäältä? Faraday sanoi, epei kaukovaikutusta ole vaan epä sähkövaraus on ymmärrepävä sekä itse varapuna kappaleena epä kappaleen ympärillä avaruudessa olevana sähkökenpänä. SähkökenPä neuvoo toista varausta paikan päällä siitä, miten sen tulee käypäytyä. Vastaava pätee hänen mukaansa magnee7selle vuorovaikutukselle. Ne olivat vain spekulaa-oitani, mieleni epävarmoja häivähdyksiä. James Clerk Maxwell saapoi Faradayn kentät ja sähköisten ja magnee7sten ilmiöiden symmetrian matemaa7seen muotoon luvulla. Maxwellin yhtälöt ovat fysiikan tärkeimpiä aikaansaannoksia.

17 The Royal Ins-tu-on