ELEC-A4920 (3 op) Sähkötekniikan historia ja innovaatiot. 8. luento: Sähkömagneettiset aallot

Transkriptio

1 ELEC-A4920 (3 op) Sähkötekniikan historia ja innovaatiot 8. luento: Sähkömagneettiset aallot

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

4 Faradayn lain eri muotoja...

5 sähkön ja magnetismin vuorovaikutus S M M S S M

6

7 B E t D H J t D B 0

8 Aaltoyhtälö?

9 Joseph Henry ( ) Félix Savary, jo 1826: Leidenin pullon purkaus magnetoi neulan eri suuntiin eri etäisyyksillä Henry: purkaus värähtelevä eri purkauksen osille eri suuntainen vaikutus Henryn induktiokokeet : magnetoi neulan 70 metrin etäisyydellä kipinästä salama: magnetoi neulan 13 km:n päästä! Ei kai voinut olla induktio

10 Henry 1842 For example, if a shock were sent through a wire on the outside of a building, electrical effects could be exhibited in a parallel wire within the building. As another illustration of this, it may be mentioned that when a discharge of a battery of several Leyden jars was sent through the wire before mentioned, stretched across the campus in front of Nassau Hall, an inductive effect was produced in a parallel wire, the ends of which terminated in the plates of metal in the ground in the back campus, at a distance of several hundred feet from the primary current, the building of Nassau Hall intervening.

11 Henryn induktiolennätin ennen Samuel Morsea

12 Analogia lämmön ja sähkön välillä: Fourier 1822 Ohm 1827 J lämpö J sähkö c T E William Thomson (myöh. Lordi Kelvin, ( )): sähköstatiikalla ja lämpövirtauskentällä sama matematiikka (1841)

13 Valoteorioiden historiaa Antiikin kreikkalaisten näköteoriat suoraviivainen eteneminen, taittuminen, perspektiivi; näkeminen ja kuvaoppi Keskiajalla Camera obscura, Laterna magica 1600 luku; kaukoputki, mikroskooppi taittuminen: Descartes, Snell hiukkasteoria (Newton); aaltoteoria (Huygens)

14

15 Camera obscura ( pimeä huone )

16 Francesco Maria Grimaldi ( ) Physico mathesis de lumine (1665)

17 Tilanne ennen Maxwellia Newtonin kaukovaikutusteoria (samanaikaisuus) sopii sähkö ja magnetostatiikkaan Faradayn kenttäkäsite, voimaviivat, polarisoituva väliaine Fresnel: valo poikittaista aaltoliikettä, väliaine vaikuttaa valoon; tyhjön väliaine?

18 Polarisaatio ja kahtaistaittuminen Erasmus Bartholinus ( ) islanninsälpä Étienne Louis Malus ( ) ei kahtaistaittumista ikkunalasista heijastuneessa valossa Newton: valohiukkaset sauvamaisia, niillä navat eli poolit

19 Augustin Jean Fresnel ( ) valon aaltoteoria Thomas Young poikittainen aaltoliike ei interferenssiä jos eri polarisaatio Kahtaistaittuminen eetterillä eri kimmoisuus kahdessa eri suunnassa Fresnel linssi

20 Faraday kiertymä 1845

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

22 Optinen aktiivisuus J b J a Resiprookkinen : E a J b dv E b J a dv Kiraalinen levy

23 Geometriasta polarisaation kiertymää?

24 E pe pm

25 H pe pm

26 AINEEN KÄTISYYS: geometria ja rakenne

27 Hegstrom & Kondepundi Scientific American, Jan. 1990

28 Australian trumpet shell Giant frog shell Marlinspike Busycon perversum

29 Albert Edelfelt, 1885 (Musée d Orsay, Pariisi) Louis Pasteur ( )

30 taas pikatesti 1. Minä vuonna Volta keksi pariston (julkaisi artikkelinsa)? 2. Kuka keksi/esitti kahden sähkön teorian (lasi, lakkasähkö)? 3. Kuka yhden sähkön teorian? 4. Kun kissannahalla hankaa styroksia, kumpi varautuu positiivisesti? 5. Sähkövirran yksikkö (ampeeri) tulee erään ranskalaisen tutkijan nimestä. Kirjoita hänen nimensä oikein. 6. Minkälaista sähkön lähdettä Ohm käytti kokeissaan? 7. Kuka keksi sähkön johtumisen? 8. Kumpi elektrodi (anodi vai katodi) luovuttaa paristossa elektroneja? 9. Minä vuonna Örsted keksi/julkaisi sähkön magneettivaikutusraporttinsa? 10. Minä vuonna Suomi siirtyi Ruotsin valtakunnasta Venäjän (autonomiseksi) osaksi?

31

32 James Clerk Maxwell ( ) Edinburghissa opiskeli Cambridgen yliopistossa 1854 tohtori professori Aberdeenin yliopistossa professori King s Collegessa (Lontoo) 1864 Maxwellin yhtälöt Glenlair maatilalla Skotlannissa; kirjoitti kirjan Treatise on Electricity and Magnetism (1873) 1871 professori Cambridgen yliopistossa (Cavendishlaboratoriossa) k (*Einstein, vrt. vuosi 1642/3 Galilei/Newton)

33

34 PHOTOS OF MAXWELL (thanks to Arthur Yaghjian) Student at Cambridge (about 20) Professor at King s College (Wrote Dynamical Theory paper) (about 30) Writing Treatise 38 Later Years (Died at 48)

35 Tutkimuksia ovaalien piirtäminen Saturnuksen renkaat värioppi kineettinen kaasuteoria Maxwellin yhtälöt (relations) Maxwellin yhtälöt (equations)

36

37

38 Kineettinen kaasuteoria: Maxwell (1860) Boltzmann (1872)

39 RGB CMYK

40 500 nm Rakenteelliset värit (kuvat: Blau, Physics Today, Jan. 2004, pp )

41

42 Älkää sekoittako Maxwellin yhtälöitä Maxwellin relaatioihin lämpötila (T), tilavuus (V), paine (P), entropia (S), sisäinen energia (U), entalpia (H), Helmholtzin vapaaenergia (A), Gibbsin energia (G)

43 Maxwellin mekaaninen malli

44 virtalaakerit pyörittävät magneettikenttää, eri puolella eri suuntiin aluksi: jäykkä kellokoneisto samanaikaisuus sähkövuo? sidotut varaukset, joustoa, liikkuminen elastista massa aaltoliike, nopeus eetteri?

45

46 B E t D H J t D B 0

47 Mr. Einstein, you have done great things, but you stand on Newton s shoulders. No, I stand on Maxwell s shoulders.

48

49 Maxwell kirjoitti koko elämänsä ajan runoja

50 Recollections of a Dreamland When, with mind released from study, late I lay note down to sleep, From the midst of facts and figures, into boundless space I leap; Let me wake, and see my duty lie before me straight and plain. Let me rise refreshed and ready to begin my work again.

51 viimeisestä runosta Till in the twilight of the gods, When earth and sun are frozen clods, When, all its energy degraded, Matter to aether shall have faded; We, that is, all the work we ve done, As waves in aether shall for ever run In ever widening spheres through heavens beyond the sun.

52

53 Oliver Heaviside ( ) Maxwellin yhtälöt vektorimuodossa lennätinjohdon (siirtojohdon) teoria pintavirta operaattorilaskenta Kennelly Heavisidekerros

54 Mikko (Leino) kertoi: CATS musikaalissa lauletaan Heaviside kerroksesta: The_Journey_to_the_Heaviside_Layer

55 Gaussin lause? Siirrosvirta

56 + ks.

57 Valon nopeus Ole Römer ( ) km/s James Bradley ( ) km/s (?) Hippolyte Fizeau ( ) km/s Léon Foucault ( ) km/s

58

59 Siirrosvirran olemassaolo? riittävän nopeasti värähtelevä sähkö? sähkögeneraattorin signaali hidas... George Francis FitzGerald, Oliver Lodge: Leidenin pullon purkaus värähtelevä värähtelytaajuus verrannollinen (LC) 1/2 Preussin tiedeakatemian palkintokilpailu 1879: Maxwellin teorian kokeellinen testaus

60 Heinrich Hertz ( ) 1876 Dresdenin teknillinen korkeakoulu 1877 Münchenin teknillinen korkeakoulu, yliopisto 1878 Berliinin yliopisto 1880 tohtori summa cum laude 1883 Privatdozent Kielin yliopistossa 1885 Fysiikan professori, Karlsruhen teknillinen korkeakoulu 1889 Fysiikan professori, Bonnin yliopisto

61 Preussin tiedeakatemian palkintotehtävä (1882)...kokeellinen todistus puolesta tai vastaan sille Maxwellin olettamukselle, että dielektrisen polarisaation muodostuminen tai häviäminen aiheuttaa sähködynaamisia ilmiöitä taikka puolesta tai vastaan sille olettamukselle, että magneettisesti tai sähködynaamisesti indusoidut sähkömotoriset voimat aiheuttavat eristeaineeseen dielektristä polarisaatiota. Vastaukset kysymykseen on lähetettävä mennessä saksaksi, latinaksi, ranskaksi tai englanniksi. Palkinto 100 dukaattia eli 955 saksanmarkkaa luovutetaan Leibnizin vuosipäivänä heinäkuussa dukaatti (kultaraha: 3,494 g) (nykyrahassa noin 100 )

62 Hertzin radioaaltokokeet LC piirin resonanssitaajuus: ei kelaa ja Leidenin pulloa, vaan induktori + dipoliantenni ), jotta pieni aallonpituus (50 MHz)

63 UHF taajuuksille ( MHz) aaltojen interferenssi, heijastus,...

64 + ks. + ks.