ELEC-A4920 (3 op) Sähkötekniikan historia ja innovaatiot 8. luento: Sähkömagneettiset aallot
luento päivämäärä aihe 1 8.1.2018 Johdanto. Sähkön ja magnetismin varhaishistoria 2 15.1.2018 Lasi- ja lakkasähkö 3 22.1.2018 Staattisen sähkön aikakausi 4 29.1.2018 Sähkökemian synty, sähköparisto 5 5.2.2018 Sähkön magneettivaikutus 6 12.2.2018 Sähköinen virtapiiri 7 19.2.2018 Magneetin sähkövaikutus 8 26.2.2018 Sähkömagneettiset kentät ja aallot 9 5.3.2018 Sovelluksia: tietoliikenne 10 12.3.2018 Sovelluksia: sähkövalo 11 19.3.2018 Sovelluksia: sähkövoima 12 26.3.2018 Sovelluksia: langaton tiedonsiirto
Faradayn laki: Nablamuoto E B t Stokesin lause F ds F dc Integroitu muoto EMF t
Faradayn lain eri muotoja...
sähkön ja magnetismin vuorovaikutus S M M S S M
B E t D H J t D B 0
Aaltoyhtälö?
Joseph Henry (1797 1878) 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
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.
Henryn induktiolennätin ennen Samuel Morsea
Analogia lämmön ja sähkön välillä: Fourier 1822 Ohm 1827 J lämpö J sähkö c T E William Thomson (myöh. Lordi Kelvin, (1824 1907)): sähköstatiikalla ja lämpövirtauskentällä sama matematiikka (1841)
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)
Camera obscura ( pimeä huone )
Francesco Maria Grimaldi (1618 1663) Physico mathesis de lumine (1665)
Tilanne ennen Maxwellia Newtonin kaukovaikutusteoria (samanaikaisuus) sopii sähkö ja magnetostatiikkaan Faradayn kenttäkäsite, voimaviivat, polarisoituva väliaine Fresnel: valo poikittaista aaltoliikettä, väliaine vaikuttaa valoon; tyhjön väliaine?
Polarisaatio ja kahtaistaittuminen Erasmus Bartholinus (1625 1698) islanninsälpä Étienne Louis Malus (1775 1812) ei kahtaistaittumista ikkunalasista heijastuneessa valossa Newton: valohiukkaset sauvamaisia, niillä navat eli poolit
Augustin Jean Fresnel (1788 1827) valon aaltoteoria Thomas Young poikittainen aaltoliike ei interferenssiä jos eri polarisaatio Kahtaistaittuminen eetterillä eri kimmoisuus kahdessa eri suunnassa Fresnel linssi
Faraday kiertymä 1845
Faraday kiertymä B 0 J b J a Magnetoplasma epäresiprookkista Anisotrooppinen permittiivisyys: symm j g I
Optinen aktiivisuus J b J a Resiprookkinen : E a J b dv E b J a dv Kiraalinen levy
Geometriasta polarisaation kiertymää?
E pe pm
H pe pm
AINEEN KÄTISYYS: geometria ja rakenne
Hegstrom & Kondepundi Scientific American, Jan. 1990
Australian trumpet shell Giant frog shell Marlinspike Busycon perversum
Albert Edelfelt, 1885 (Musée d Orsay, Pariisi) Louis Pasteur (1822 1895)
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?
James Clerk Maxwell (1831 1879) Edinburghissa 1840 1850 1850 opiskeli Cambridgen yliopistossa 1854 tohtori professori Aberdeenin yliopistossa 1860 1865 professori King s Collegessa (Lontoo) 1864 Maxwellin yhtälöt 1865 1871 Glenlair maatilalla Skotlannissa; kirjoitti kirjan Treatise on Electricity and Magnetism (1873) 1871 professori Cambridgen yliopistossa (Cavendishlaboratoriossa) k. 1879 (*Einstein, vrt. vuosi 1642/3 Galilei/Newton)
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)
Tutkimuksia ovaalien piirtäminen Saturnuksen renkaat värioppi kineettinen kaasuteoria Maxwellin yhtälöt (relations) Maxwellin yhtälöt (equations)
Kineettinen kaasuteoria: Maxwell (1860) Boltzmann (1872)
RGB CMYK
500 nm Rakenteelliset värit (kuvat: Blau, Physics Today, Jan. 2004, pp. 18 20)
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)
Maxwellin mekaaninen malli
virtalaakerit pyörittävät magneettikenttää, eri puolella eri suuntiin aluksi: jäykkä kellokoneisto samanaikaisuus sähkövuo? sidotut varaukset, joustoa, liikkuminen elastista massa aaltoliike, nopeus eetteri?
B E t D H J t D B 0
Mr. Einstein, you have done great things, but you stand on Newton s shoulders. No, I stand on Maxwell s shoulders.
Maxwell kirjoitti koko elämänsä ajan runoja
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.
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.
http://www.jpier.org/pier/pier149/17.14092503.pdf
Oliver Heaviside (1850 1925) Maxwellin yhtälöt vektorimuodossa lennätinjohdon (siirtojohdon) teoria pintavirta operaattorilaskenta Kennelly Heavisidekerros
Mikko (Leino) kertoi: CATS musikaalissa lauletaan Heaviside kerroksesta:.....http://catsmusical.wikia.com/wiki/ The_Journey_to_the_Heaviside_Layer
Gaussin lause? Siirrosvirta
+ ks. http://anim.radio.aalto.fi/ymppolar.html
Valon nopeus Ole Römer (1644 1710) 220000 km/s James Bradley (1693 1762) 304300 km/s (?) Hippolyte Fizeau (1819 1896) 313000 km/s Léon Foucault (1819 1868) 297000 km/s
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
Heinrich Hertz (1857 1894) 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
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 1.3.1882 mennessä saksaksi, latinaksi, ranskaksi tai englanniksi. Palkinto 100 dukaattia eli 955 saksanmarkkaa luovutetaan Leibnizin vuosipäivänä heinäkuussa 1882. 1 dukaatti (kultaraha: 3,494 g) (nykyrahassa noin 100 )
Hertzin radioaaltokokeet 1887 88 LC piirin resonanssitaajuus: ei kelaa ja Leidenin pulloa, vaan induktori + dipoliantenni ), jotta pieni aallonpituus (50 MHz)
UHF taajuuksille (200 500 MHz) aaltojen interferenssi, heijastus,...
+ ks. http://www.tkk.fi/yksikot/sahkomagnetiikka/kurssit/animaatiot/ + ks. http://www.falstad.com/mathphysics.html