SÄHKÖMAGNETISMI. LUENNOITSIJA: Emilia Kilpua huone: Physicum D324 vastaanofoaika: ma 12-13

Transkriptio

1 SÄHKÖMAGNETISMI LUENNOITSIJA: Emilia Kilpua huone: Physicum D324 vastaanofoaika: ma 12-13

2 KÄYTÄNNÖN JUTTUJA Luennot: ja ke KoMsivut: hfps://courses.helsinki.fi/fi/530283/ Kurssin arvosana: laskarit 33%, tenu 67% (jos et pääse lopputenuin niin sifen seuraavassa mahdollisessa laitostenmssä) Laskuharjoitukset palautetaan PAPERISINA Poikkeustapauksissa mahdollista myös sähköisesm oman ryhmäsi assistenmn sähköposmin (löytyvät kurssin komsivulta)

3 LASKUHARJOITUSASSISTENTIT Laskuharjoitusryhmät: Ryhmä 1 & Ryhmä 2: Keskiviikko D208 Ryhmä 3: Keskiviikko D204 Ryhmä 4 & Ryhmä 5: Keskiviikko D206 Ryhmä 6 ja Ryhmä 7: Perjantai D208 Ryhmä 1: Joonas Hirvonen Ryhmä 2: Olga Heino Ryhmä 3: Miika Rasola Ryhmä 4: Riina Aapasuo Ryhmä 5: Levi Keller Ryhmä 6: MaMas Mannerkoski Ryhmä 7: PeFeri Helander etunimi.sukunimi@helsinki.fi paitsi: hirvjoo@gmail.com

4 KÄYTÄNNÖN JUTTUJA

5 SÄHKÖMAGNETISMI: KEVÄT 2017 Viikko Aihe kirjan luku Viikko 1 SähkökenFä, pistevaraukset 14 Viikko 2 Varausjakauman sähkökenfä 16 Viikko 2 Sähköinen potenmaalienergia ja potenmaali 17 Viikko 3 SähkökenFä ja aine 15 Viikko 3 MagneeUkenFä 18 Viikko 4 Kertausta Viikko 5 SähkökenFä johmmissa, 19 Viikko 5 sähköiset piirit, komponenmt 20 Viikko 6 MagneeUnen voima 21 Viikko 7 Viikko 8 Kertausta tenu

6 It requires a much higher degree of imagina4on to understand the electromagne4c field than to understand invisible angels Richard Feynmann

7 SähkömagneMsmin ilmiöt ovat perustavanlaatuisia määrifäessä aineiden sisäisiä ominaisuuksia ja ne ovat siis molekyylien ja atomien välisten voimien ja useimpien kemiallisten prosessien taustalla happimolekyyli O 2

8 Nyky- yhteiskunta on hyvin pitkälm sähkömagnemsmiin kuuluvien sovellusten muokkaama. Perustava merkitys mm. energiantuotossa ja - siirrossa, Metoliikenteessä sekä informaamoteknologiassa. Myös uufa sähkömagnemsmiin perustuvaa teknologiaa mm., suprajohtavuustutkimus, magneeunen resonanssi, langaton sähkönsiirto, limum- ioni paferit,

9 SähkömagneMsmi on myös oleellinen tutkifaessa universumin ilmiöitä ja fysiikkaa (plasmafysiikka eli ionisoituneiden kaasujen fysiikka pääosassa), mm. salamat ja revontulet

10 LYHYT HISTORIIKKI Luonnon sähkö- ja magneeuset ilmiöt ovat olleet tunnefuja jo varhain. Kokeellinen ja teoreeunen tutkimus alkoi kunnolla luvun lopulla. (luonnossa havaifavat sähköilmiöt ovat makroskooppisia sähköilmiöitä) Sähköä ja magnemsmia käsitelmin pitkään erillisinä ilmiöinä.

11 Thales Miletoslainen (n eaa): AnMikin kreikkalainen, Meteilijä ja luonnon- filosofi. Hankasi meripihkaa mm. turkiksella ja huomasi efä se alkoi vetää puoleensa kevyitä aineita (esim. hiuksia). (StaaUnen sähkö) DEMO SEURAA LucreMus (99-55 eea; Roomalainen runoilija ja filosofi. KirjoiU teoksen De Rerum Natura) ja Pliny the Elder (n ; roomalainen kirjailija ja luonnonfilosofi. KirjoiU teoksen Naturalis Historia). Molemmat pyrkivät selifämään magnemimn (loadstone) ominaisuuksia.

12 William Gilbert ( ; EnglanMlainen fyysikko ja lääkäri). KirjoiU kirja De Magnete. Teki kokeita joissa huomasi sähköisten ja magneeusten voimien erilaisen luonteen. Ymmärsi ensimmäisenä efä Maa on valtava magneeu. Rakensi pikku Maan (Terella) magnemimsta ja tutki vaikutusta kompassineulaan. Teki myös useita muita sähkömagneeusia kokeita kokeita (mm. osoiu useita materiaaleja jotka varautuvat niitä hangatessa)

13 Leidenin pullon kehiu toisistaan kaksi riippumatonta tutkijaa vuosina 1745 ja Leidenin pullo on vanhin kondensaafori. Siinä on kaksi metallilevyä asetefu eristeenä toimivan lasipullon sisä- ja ulkopinnoille. Pulloon on asetefu metallijohdin, jonka kaufa sisälevy varataan. Pullo täytefy johtavalla nesteellä Mm. Benjamin Franklin teki paljon kokeita Leidenin pullolla. MahdollisM energian varaamisen sähkön muodossa ja toimi alkuna sähkön tutkimukselle. TÄSTÄ DEMO MYÖHEMMIN!

14 1785: Charles Coulomb esifelee kokeisiin perustuvan sähköstamsmikan lakinsa joka kuvaa sähköistä voimaa kahden pistevarauksen välillä. 1791: Luigi Galvani tekee kokeita sammakonreisillä. Hän pääfeli efä lihakset ja hermosolut tuofavat sähköä ( eläinsähkö ). Selitykset eivät ihan oikein mufa inspiroi paljon myöhempiä tutkijoita 1799: Alessandro Volta: KehiU ensimmäisen pariston (sinkki ja kuparilevystä + rikkihappoon kastefua imupaperia) Voltan patsaan. Sähkövirran käsite alkoi kehifyä.

15 1820: Hans ChrisMan Ørsted (Tanskalainen kemism ja fyysikko) löysi magnemsmin ja sähkön välisen yhteyden. Havaitsi, efä johto missä kulkee sähkövirta muufaa kompassineulan suuntaa (muufuva sähkövirta aiheufaa magneeukentän) 1820: André- Marie Ampère muovasi sähkömagnemsmin matemaausta ja fysikaalista teoriaa. JohM Ampere n lain joka kuvaa magneeusta voimaa kahden virtajohdon välillä (hylkiminen ja vetovoima riippuen virtojen suunnista)

16 1831: Michael Faraday (englanmlainen fyysikko ja kemism) teki sarjan kokeita jotka johmvat sähkömagneeusen indukmolain löytymiseen (mm. liikuu magneeua virtasilmukan lävitse). Keksi myös diamagneeusuuden ja aloiu sähkömooforeiden kehifämisen Heinrich Lenz (venäläinen fyysikko) muotoili Lenzin lain jonka mukaan jonka mukaan indusoituneen sähkövirran suunta on sen aiheufajaa vastaan. Jos magneeua liikutetaan suljefua virtasilmukkaa kohm, silmukkaan indusoituu virta muodostaa kentän joka vastustaa vastustaa magneemn liikefä)

17 1865: James Clerk Maxwell (skotlanmlainen fyysikko) julkaisi armkkelin A Dynamical Theory of the Electromagne4c Field, jossa hän julkaisi Maxwellin yhtälöt jotka kuvaavat sähkö- ja magneeukenuen käyfäytymistä ja vuorovaikutusta. Yhtälöt ennustavat sähkömagneekset aallot jotka etenevät tyhjiössä valonnopeudella. Suuri osa sähkötekniikasta perustuu sähkömagnemsmiin, jota Maxwellin lait kuvaavat.

18 Gaussin laki MagneeUkentän lähteefömyys Faradayn indukmolaki Maxwell- Amperen laki D=sähkövuon Mheys (tyhjiössä D=ε 0 E) B=magneeUvuon Mheys T E=sähkökentän voimakkuus H=magneeUkentän voimakkuus (tyhjiössä B=µ 0 H) J=sähkövirranMheys lähdetermit ρ=varausmheys

19 1878: Thomas Edison and sähkölamppu 1887: Nikolae Tesla ja indukmomoofori 1888: Heinrich Heinz osoifaa EM aaltojen olemassaolon 1892: Henrik Lorentz ja Lorentzin voima 1897: J.J. Thomson löytää elektronin Max Planck ja energian kvanmfuminen 1905: Einstein ja suppea suhteellisuusteoria. EeFeriä ei ole 1911: Heike Onnes löytää suprajohtavuuden 1924: De Broglie ja elektronin aaltoluonne

20 LUENNOT 1-2: SÄHKÖKENTTÄ JA PISTEVARAUKSET Mitä sähkö on? Kentän määritelmä SähkökenFä - Coulombin laki - Pistevaraus - Dipoli

21 DEMO: HANKAUSSÄHKÖ Mitä voidaan päätellä? - On olemassa jokin ominaisuus mikä saa sauvat hylkimään ja vetämään toisia puoleensa. Kutsutaan sitä sähkövaraukseksi - Sähkövarausta on selväsm kahta lajia. Kutsutaan toista negamiviseksi ja toista posimiviseksi sähkövaraukseksi - Varausta ei synny vaan varaus jakautuu epätasaisesm Mitä tarkalleen oikein tapahtuu? Siirtyvätkö protonit, elektronit, rikkoutuvatko molekyylit? Miten tämä sähköinen vuorovaikutus suhteutuu gravitaa4ovuorovaikutukseen?

22 HANKAUSSÄHKÖ Kun MeFyjä materiaaleja hangataan toisiinsa, havaitaan niiden välillä mm. voimavaikutuksia ja kipinöinmä. Sanotaan efä tällaisella kappaleella on sähkövaraus. Havaitaan, efä sähköä on kahta lajia: Saman lajin varaukset hylkivät toisiaan, eri lajin vetävät toisiaan puoleensa.

23 HANKAUSSÄHKÖ Hankaamisessa pieni määrä varausta siirtyy kappaleesta toiseen: syntyy varausten epätasapaino. Kappaleiden yhteinen kokonaisvaraus kuitenkin säilyy.

24 MITÄ SÄHKÖ ON? Sähköilmiöiden mikroskooppisessa kuvauksessa tarkastellaan atomeja ja elektroneja. Elektronien varaus on negamivinen, ymmen varaus on posimivinen. negamivisesm varafu elektronipilvi Atomin ymmen ja sen elektronien varaus on tarkalleen yhtä suuri, joten atomi on sähköisesm neutraali *hyvä muistaa: Jos ymmen halkaisija olisi 1 cm, atomin halkaisija olisi 1 km! posimivisesm varafu ydin (koko liioiteltu)*

25 MITÄ SÄHKÖ ON? Sähköilmiöiden mikroskooppisessa kuvauksessa tarkastellaan atomeja ja elektroneja. Elektronien varaus on negamivinen, ymmen varaus on posimivinen. negamivisesm varafu elektronipilvi Atomin joka ei ole sähköisesm neutraali on ioni. Miten saadaan aikaan ioni? posimivisesm varafu ydin (koko liioiteltu)

26 MITÄ SÄHKÖ ON? Sähköilmiöiden mikroskooppisessa kuvauksessa tarkastellaan atomeja ja elektroneja. Elektronien varaus on negamivinen, ymmen varaus on posimivinen. negamivisesm varafu elektronipilvi Atomin joka ei ole sähköisesm neutraali on ioni. Miten saadaan aikaan ioni? posimivinen ioni (poistetaan elektroni) posimivisesm varafu ydin (koko liioiteltu)

27 MITÄ SÄHKÖ ON? Sähköilmiöiden mikroskooppisessa kuvauksessa tarkastellaan atomeja ja elektroneja. Elektronien varaus on negamivinen, ymmen varaus on posimivinen. negamivisesm varafu elektronipilvi Atomin joka ei ole sähköisesm neutraali on ioni. Miten saadaan aikaan ioni? negamivinen ioni (lisätään elekrtoni) posimivisesm varafu ydin (koko liioiteltu)

28 MITÄ SÄHKÖ ON? Molekyylit ja molekyyli- ionit muodostuvat atomeista. Atomeja SähköisesM neutraali molekyyli Sidos posimivinen molekulaarinen ioni (Tämä puoli meneu yhden elektronin) + - Kitka rikkoo sidoksen negamivinen molekulaarinen ioni (Tämä puoli sai yhden ylimääräisen elektronin sidoksen rikkoutuessa)

29 VARAUSTILAT Ionilla voi olla erilaisia varausmloja. Atomi, joka on menefänyt kaikki elektroninsa on täysin ionisoitunut, paljas ydin. Mekanismi Kemiallisen sidoksen rikkominen Elektronin poistaminen Protonin poistaminen Energia ~5 ev ~10 ev ~10 6 ev

30 SÄHKÖVARAUS Sähkövaraus on kvanmfunut. Varauksella on pienin jakamaton osa, alkeisvaraus*. Elektronin varaus on alkeisvarauksen suuruinen (-e = C). Kaikki makroskooppisten kappaleiden varaukset ovat tämän varauksen monikertoja. Muillakin vapaina hiukkasina esiintyvillä alkeishiukkasilla (hiukkasilla, joita ei voida jakaa osiin, esim. positroni, neutriino, myoni), on alkeisvarauksen suuruisia varauksia tai niillä ei ole varausta (ne ovat sähköisesm neutraaleja). *kvarkkien ja anmkvarkkien sähkövaraukset alkeisvarauksen kolmasosia, mufa niitä ei havaita vapaina vaan aina sitoutuneina hardroneiksi)

31 KYSYMYS: LaiFakaa varaukset järjestykseen, posimivisesta negamivisempaan. Protoni Elektroni 17 protonia 19 electronia 1,000,000 protonia 1,000,000 elektronia lasipallo puufuu 3 elektronia (A) (B) (C) (D) (E) A. q a = q b > q e > q c > q d B. q a > q e > q d > q c > q b C. q e > q a > q d > q b > q c D. q d > q c > q e > q a = q b E. q d > q c > q e > q a > q b

32 KENTÄN KÄSITE Varatut hiukkaset ja kappaleet vuorovaikufavat keskenään tyhjiössäkin. Miten sähköstaalnen vuorovaikutus siirtyy kappaleesta toiseen? Tätä kaukovaikutusta kuvataan käsifeen kenfä avulla: VaraFu tai massan omaava kappale luo ympärilleen kentän. Kun tähän kenfään tuodaan toinen kappale, se kokee kentän välifämän vuorovaikutuksen. KenFä on vuorovaikutuksen välifäjä.

33 KENTÄN KÄSITE Olkoon jollakin suureella määräfy arvo jokaisessa tarkasteltavan avaruuden pisteessä. Näiden arvojen joukko on kenfä. KenFä voi olla skalaarikenfä tai vektorikenfä. Se voi pysyä samana tai muufua ajan kuluessa.

34 KENTÄN KÄSITE Mie4 esimerkki skalaari- ja vektorikentästä SkalaarikenFä: Mars Global Surveyor luotaimen mifausten tuofama kuva Marsin ilmakehän lämpömlasta vektorikenfä: Auringon pinnan (fotosfäärin) sähkökenfä. Nuolet näyfävät kentän suunnan ja niiden pituus kuvastaa kentän voimakkuufa

35 KENTÄN KÄSITE Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) NASA:n Aqua satelliimn kyydissä mifaama lämpömla- (värit) ja tuulikarfa (vektorit)

36 SÄHKÖKENTÄN MÄÄRITTÄMINEN Miten sähkökentän voimakkuus määritetään? + pistevaraus q mikä on sähkökenoä tässä pisteessä? V: Laitetaan kenfään varaus ja määritetään voimavaikutus + pistevaraus q + q F Varatun kappaleen ympärillä on sähkökenfä. Kun tähän sähkökenfään viedään posimivinen pistevaraus q, vaikufaa kenfä siihen voimalla F à Eli sähkökentän kenfävektori E määritellään kentän voimavaikutuksen perusteella.

37 SÄHKÖKENTÄN MÄÄRITTÄMINEN SähkökenFävektori on vuorovaikutusvoiman ja varauksen osamäärä: E=F/q SähkökenFävektorin suuruus (itseisarvo) on sähkökentän kenfävoimakkuus. KenFävoimakkuuden yksikkö on N/C. SähkökenFävektorin suunta on voiman suunta jokaisessa kentän pisteessä ja sen suuruus on E = F/q. + pistevaraus q + q E

38 KENTTÄVIIVAESITYS KenFää kuvataan usein kenfäviivoilla. Ne ovat kuvioeellisia * viivoja, jotka osoifavat kentän suuntaa ja voimakkuufa. Sähkökentän kenfäviivat alkavat posimivisista varauksista ja pääfyvät negamivisiin. Kun liikut pois päin varauksesta, kenfäviivojen Mheys pienenee Sähkökentän suunta on joka paikassa kenfäviivan tangenmn suunta. KenFäviivojen Mheys kuvaa kentän voimakkuufa. * Tosiasiassa mitään viivoja ei avaruudessa risteile.

39 SUPERPOSITIOPERIAATE SähköstaaUselle voimalle pätee sama superposimo- periaate kuin gravitaamolle Pistemäisten kappaleiden systeemissä kappaleet vaikufavat pareifain ja jokaiseen kappaleeseen (esim. kappaleeseen 1) vaikufava kokonaisvoima on näiden summa:!!!! n! F = F + F F = F 1,kok n 1i i= 2

40 VOIMA VARATTUUN HIUKKASEEN KenFään tuotu varafu hiukkanen kokee voiman F=qE Hiukkanen saa kiihtyvyyden a tämän voiman suuntaan a = dv dt = F m = qe m à SähkökenFä voi siis kiihdyfää varafua hiukkasta

41 COULOMBIN LAKI Fysiikan laki joka kuvaa voimaa kahden staausen sähköisesm varatun hiukkasen välillä Julkaisi vuonna 1784 ranskalainen fyysikko Charles AugusMn de Coulomb (havaintoihin perustuva) Voidaan johtaa myös Gaussin laista DEMO

42 COULOMBIN LAKI F(r) = k q 1 q 2 r 2 ˆr, q 1 ˆr r q 2 missä q 1 ja q 2 ovat varaukset, r niiden välinen etäisyys, k sähköstaaunen vakio ja ˆr varauksesta q 1 varauksen q 2 suuntaan piirrefy yksikkövektori r/r. Coulombin voimaa kutsutaan myös sähköstaauseksi voimaksi. Käänteisen neliön laki (vrt. gravitaamo)