Sähkömagnetismin ymmärryksen kehityshistoriaa 6.4.2009 Katja Palomäki Tervetuloa! 1
Johdanto Esityksen tavoitteena on luoda yleiskatsaus tärkeimpiin sähkömagnetismin ymmärtämiseen vaikuttaneihin asioihin ja henkilöihin alkaen ensimmäisistä tiedetyistä havainnoista antiikin ajoista lähtien. 2
Antiikin kreikka Meripihka Magnetiitti 600-500 eaa (Fe 3 O 4 ) Filosofit Thales ja Sokrates: meripihkalla ja magneettisilla kivillä on sielu. Aristoteles: valonnopeus on ääretön, kirjasi jälkipolville Thaleen kokeilut meripihkalla. Kreikkalaisen myytin mukaan magneetti on saanut nimensä Magnes nimisen paimenen mukaan. 3
Kiina 200 eaa 500 jaa n. 200 eaa Kompassi etelän osoittaja kehitetty mahdollisesti Qin dynastian aikana 221-206 eaa. n. 500 jaa Kiinalaiset oppivat magnetisoimaan neuloja. 4
5
Petrus Peregrinus (Ranska, 1240 -?) 1200-luku 1. tieteellinen kirjoitus sähköstä/magnetismista. Kehitti mahdollisesti ensimmäisen asteikolla varustellun kompampassin (kuvassa). Yksi harvoista tunnetuista kokeellisista tutkijoista keskiajalta. Yritti rakentaa ikiliikkujaa magneetin avulla. 6
William Gilbert (Englanti, 1544 1603) 1600-luku Elisabet I henkilökohtainen lääkäri. Tutki laajalti magnetismia ja sähköä. Julkaisi kirjan De Magnete (1600). Käytti ensimmäisen kerran sanaa electricity. 7
8
9
Stephen Greyn koe sähkönjohtavuudesta Leydenin pullo 10
11
Hans Christian Ørsted (Tanska, 1777-1851) 1700-1800-luku Tanskalainen farmaseutin poika, fysiikan vakituinen professuuri 1817. Ørsted ajatteli, että sähkö, magnetismi, lämpö, valo, kemian sidokset ja gravitaatio ovat yhden ja saman voiman eri ilmenemismuotoja. 12
Örstedin koe Jos johdin asetetaan pohjois-eteläsuuntaan kompassineulan suuntaisesti, virran aiheuttama magneettivoima tulee itä-länsisuuntaiseksi (kohtisuora voimavaikutus) ja kääntävä voima tulee tällöin mahdollisimman suureksi. 13
Örstedin koe Ørsted havaitsi, että pelkästään sähkövirta ei vaikuta magneettineulaan, vaan myös magneettikenttä pyrkii kääntämään sellaista johdinsilmukkaa, jossa kulkee sähkövirta. 14
15
André Marie Ampère (Ranska, 1775-1836) Teki oppineen tutkielman kartioleikkauksista ollessaan vasta 13 vuotias. Ampèren nk. oikean käden sääntö antaa sähkövirran ja magneettikentän suuntien välisen yhteyden. Yksi sähkömagnetismin peruslakien luojista: Ampèren laki Biot n ja Savartin laki 16
17
Michael Faraday (Lontoo, 1791-1867) Faradaylla erinomainen kyky visualisoida fysiikan ilmiöitä, mutta avuton matematiikassa. 1831 kehitti induktiolain. 1832 osoitti, että kyseessä on sama sähkö Loi kenttäkäsitteen. Rakensi ensimmäisen vaihtovirtamuuntajan. 18
Faradayn rakentama sähkömoottorin edeltäjä: Rotaattori Virtajohdin Magneettisauva Magneettisauva Elohopeaa 19
James Clerk Maxwell (1831-1879) 1800-luku Kuten Ampère, myös kutsuttu sähkömagnetismin isäksi. Ensimmäinen tutkielma ovaalikäyristä julkaistiin jo 1845 Maxwellin ollessa vasta 14- vuotias. Maxwellin päätutkimukohteet olivat kineettinen kaasuteoria ja sähkömagneettinen kenttäteoria (1854-1879). Cambridge 1855 1854 julkaistiin tutkielma Dynamical Theory of the Electric Field Faradayn kenttäviivoista. 20
1861 julkistetaan teos On physical lines of force Maxwell kuvaa sähkömagneettisia voimia mekaanisella mallilla: Kuvan elementit: Kuusikulmiot = väliaineen kiinteät molekyylit; kuvaavat magneetti kenttää Pyöreät pallot = sähkövaraukset Nuolet kuvaavat pyörimissuuntaa 21
Vuonna 1864 Maxwellin yhtälöt (20 kpl) ja sähkömagneettinen kenttäteoria esitettiin Royal Societylle 1864. Valon eteneminen vaatii väliaineen, valoeetterin Oliver Heaviside yksinkertaisti Maxwellin yhtälöt vektorilaskennan avulla. Kuvassa Maxwell mahdollisesti Cambridgessa 22
Yhteys valon ja sähkömagnetismin välille 1865 8 Laskettuaan valonnopeudeksi noin 3,1 10 m/s Maxwell kirjoitti: Tämä nopeus on niin liki valonnopeutta, että on hyvä syy ajatella, että valo itse (sisältäen lämpösäteilyn ja muut säteilyt) on sähkömagneettista häiriötä, joka etenee aaltoina läpi sähkömagneettisen kentän sähkömagneettisten lakien mukaan. 23
Heinrich Rudolf Herz (Saksa, 1857-1894) Vuonna 1888 Heinrich Hertz havainnollisti ensimmäisenä sähkömagneettinen säteilyn olemassaolon. havaitsi, että valo irrottaa elektroneja metallin pinnasta. 24
Yhteenveto Sähkömagnetismin ymmärtämiseen vaikuttivat suuresti seuraavat henkilöt: Aristoteles (Thales) Peregrinus Gilbert Ørsted Ampère Faraday Maxwell Hertz pätemisen ensimmäiset maininnat sähköstä/magnetismista 1. tieteellinen tutkielma magnetismista/sähköstä teoria maan magneettikentästä sähkön- ja magnetismin yhteys Ampèren laki -> Biot n ja Savartin laki keksi induktion ja kehitti induktiolaina yhtenäinen teoria sähkömagneettisista ilmiöistä todisti sähkömagneetisen säteilyn olemassaolon ja samalla Maxwellin yhtälöiden 25
Lähteitä Electrodynamics from Ampère to Einstein, Olivier Darrigol Sähkötekniikan historia, Ismo Lindell, 1994 http://www.vuse.vanderbilt.edu/~rap2/papers/em_history.pdf http://en.wikipedia.org/wiki/wave_theory_of_light#wave_theory http://www.jupiterscientific.org/science/baeparts/historyelectromagnetism.html http://www.prizz.fi/linkkitiedosto.aspx?taso=2&id=181&sid=491. ppt esitysprizztech Magneettiteknologiakeskus Minna Haavisto 8.11.2007 http://fi.wikipedia.org/wiki/s%c3%a4hk%c3%b6tekniikka http://www.tiede.fi/arkisto/artikkeli.php?id=1&vl=2005 Jukka Maalampi http://www.tiede.fi/arkisto/artikkeli.php?id=930&vl=2008, Leena Tähtinen Tiedelehden artikkeli 26
Kiitos osallistumisestasi! 27