ELEC-A4920 (3 op) Sähkötekniikan historia ja innovaatiot 7. luento: Magneetin sähkövaikutus
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
päivän teema S M M S?
Sähkön tuottaminen ennen vuotta 1800: hankaussähkö, kokeisiin 1800 Voltan pari, kemiallista sähköä kallis 1821 lämpösähköinen efekti mittauksiin (Ohm) 1831 sähköä mekaanisesta energiasta vallankumouksellinen muutos!
Kohti sähkömagneettista induktiota: Örsted: sähkö magne smi kelan sisällä rauta magnetoituu, kun kelaan kytketään tasavirta käänteisesti: syntyykö kelaan virta jos sen sisään asetetaan magnetoitu rauta? Ampère& de la Rive, Fresnel, Colladon negatiivisia tuloksia...
Ampèren koe 1822 (Jos kerran sähkövaraus indusoi metalliin vastakkaismerkkisiä varauksia, miksei sitten sähkövirta herättäisi sähkövirtaa) kelan rautasydämen magnetoituminen (indusoituneita sähkövirtojako?) koe: kääntyykö rengas ulkoisessa magneettikentässä? negatiivinen tulos
(Henri Prudence Gambey: kompassineulan heilahtelut pysähtyvät nopeammin, jos sen alla kuparilevy) Aragon levy 1824 François Arago (1786 1853) tuleeko pyörivä kuparilevy magneettiseksi? Youtubessa
Jean Daniel Colladon (1802 1893) äänen nopeus vedessä akustinen tiedonsiirto! optisen kuidun periaate paineilmaporaus kalliorakentaminen magnetismista sähköä?
Lac Leman, 1826 10 mailia
(Geneve 1841)
Colladon 1825 huolellinen koe magneetin mahdollisesta sähkövaikutuksesta herkkä galvanometri sarjassa kelan kanssa 50 metrin johdot suoran magneettivaikutuksen minimointi: galvanometri toisessa huoneessa oletti näkevänsä jatkuvan virran
Michael Faraday (1791 1867) vaatimaton kotitausta Sandemanin liike 1804 kirjansitojan oppipoika 1812 Royal Institutionin esitelmät (Davy) 1813 Humphry Davyn assistentti 1824 Fellow of Royal Society 1825 Royal Institutionin johtaja 1813 21 kemian tutkimusta 1821 30 kemiaa ja sähkökokeita 1831 sähkömagneettinen induktio 1832 Copley mitali
"How fortunate for civilization, that Beethoven, Michelangelo, Galileo and Faraday were not required by law to attend schools where their total personalities would have been operated upon to make them learn acceptable ways of participating as members of the group. (Joel H. Hildebrand Education for Creativity in the Sciences New York University, 1963)
Kreivi Rumford Benjamin Thompson (1753 1814) amerikkalainen; siirtokuntien itsenäisyystaistelussa Britannian puolella tykinputkien porauskoe Rumfordin liesi/takka Copley mitali 1792 Englannissa 1795 96 ja 1798 1802 filantrooppista työtä perustamassa Royal Institutionia
Royal Institution (21 Albemarle Street, Lontoo) perustettiin 1799 for "diffusing the knowledge, and facilitating the general introduction, of useful mechanical inventions and improvements; and for teaching, by courses of philosophical lectures and experiments, the application of science to the common purposes of life" Kreivi Rumford (Benjamin Thompson) Humphry Davy
Humphry Davy (1778 1829)
Royal Institution 1809 200 kaukaloa 10 elementtiä, 16 neliötuumaa
Royal Institutionin joululuennot vuodesta 1825
Faradayn jälki tieteessä ja tekniikassa Faradayn laki (induktio) Generaattori, rotaattori Permittiivisyystutkimus kapasitanssi (faradi) Faradayn häkki Kenttäkäsite Elektrolyysin lait Faraday kiertymä Diamagneettiset materiaalit... sikarikuva vai lasitanko?
Pyrolyyttinen hiili (grafiitin sukulainen, grafeenikerroksia) voimakkaasti diamagneettinen
Faraday kiertymä 1845
Faraday kiertymä J a B 0 J b Magnetoplasma epäresiprookkista Anisotrooppinen permittiivisyys: symm j g I
Sähkömoottori (1821!) Faradayn rotaattori magneettinen monopoli liikkuisi magneettikentässä dipolin toinen pää! Newtonin 3. laki > sähköjohto liikkuu Wollaston, Davy yrittivät aikaisemmin... kiista/väärinkäsitys?
Magnetismin ja pyörimisliikkeen Peregrinus ikiliikkuja Gilbert De magnete: Book 6, Chap. VI: Descartes kierteiset hiukkaset pitkä historia Diurnal motion is due to causes which have now to be sought, arising from magnetick vigour and from the confederated bodies; that is to say, why the diurnal rotation of the Earth is completed in the space of twenty four hours.
Barlow n pyörä http://www.youtube.com/watch?v=8u5lgfjcsaa
Faraday 1820 luvulla Enimmäkseen kemian kokeita mm. kaasujen nesteytys Luonnon yhtenäisvoima ajatus (kuten Örstedilläkin) Muunna magnetismi sähköksi (1822) Virran induktio toiseen virtaan Ampère: unohda kestomagneetti
Läpimurto 1831/8 1831/11 kokeita vain 10 päivänä puusydämen ympärille kelatut (eristetyt) ensiö ja toisiolangat > värähdys rautasydän! voimakas efekti lokakuussa: kestomagneetin liikuttaminen solenoidin sisällä raportoi tulokset 24.11.1831 Royal Societyssä
Faraday, 1831
Identity of electricities derived from different sources
Faradayn laki: Nablamuoto E B t Stokesin lause F ds F dc Integroitu muoto EMF t
Voimaviivat, kenttäkäsite (venytetty kuminauha pyrkii lyhenemään)
Kenttäviivat
Suora virtalanka magneettikentässä voima
Suorien virtalankojen välinen voima
Merkitys? Ennen vuotta 1831 sähköä vain laboratoriossa ei lennätintä, ei sähkövaloa, ei moottoreita yhtä halpaa kuin mekaaninen työ
Joseph Henry (1797 1878) 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] Kvantiteettisähköstä korkea jännite!
Volta sähköinen induktio Faradayn homopolaarinen generaattori levygeneraattori
Ruhmkorffin kipinäinduktori tasavirtalähteestä katkojan avulla suuri toisiojännite Nicholas Callan (1836)
Hippolyte Pixii (1808 1835) vaihtovirtageneraattori 1832 1834 Edward Clarke: kelat pyörivät magneettien edessä (kevyempi pyörittää) (Faraday: suhteellinen liike olennaista)
Alliance generaattori 1860 höyrykoneella toimiva, käytössä valaistuksessa majakoissa
Vaihtovirtageneraattori kuva: Ulaby, s. 316)
Heinrich (Emil) Lenz (1804 1865) 1834: indusoitunut sähkövirta vastustaa magneettikentän muutosta
Franz Ernst Neumann (1798 1895) 1845: Faradayn laki matemaattisessa muodossa
Faradayn lain eri muotoja...