Fysiikan historia kevät 2011 Luento 7 Faradayn sähkömoottori (1820).
Sähkön ja magnetismin historia Ensimmäinen laaja tieteellinen tutkimus magnetismista ja staattisesta sähköstä oli De Magnete, jonka julkaisi englantilainen William Gilbert (1544-1603) vuonna 1600. Opiskeli Cambridgen yliopistossa. Oli menestyvä lääkäri. Elisabeth I:n ja James I:n henkilääkäri. Muinaisuudesta asti luonnosta löytyvää voimakkaasti magneettista magnetiittia (Fe 3 O 4 ) (engl lodestone) oli käytetty kompassina. Gilbert osoitti kokeilla, että magneetin kääntyminen pohjois-etelä-suuntaan johtuu siitä, että maapallo on magneetti. Aiemmin syyksi luultiin Pohjantähteä tai pohjoisessa olevaa magneettista vuorta. Terrella
Rakensi pallomaisen magneetin (terrella), Maan mallin, ja tutki pienellä kompassilla sen magneettikenttää. Osoitti, että Maan magneettikentän suuntaisesti asetettu rautatanko magnetoituu vähitellen. Samoin, että kuumentaminen hävittää aineiden magneettisuuden. Teki eron magnetismin ja staattisen sähkön (meripihkailmiö) välille. Otti sähkölle käyttöön termin electricity. Kannatti Kopernikusta. Oletti taivaankappaleet magneettisiksi, liikuttava voima magneettivoima. Magnetismi oli merenkulun kannalta tärkeä ilmiö, ja sen takia Maan magnetismista oltiin kiinnostuneita. Henry Gellibrand osoitti 1635, että magneettinen pohjoisnapa liikkuu. Edmond Halley esitti 1692, että maapallon rakentuu pallomaisista magnetoituniesta kerroksista, jotka liikkuvat hitaasti toistensa suhteen. Hän myös mittasi ja laati Atlantille magneettisen kartan. 1724 George Graham huomasi Maan magneettikentässä pieniä häiriöitä, magneettisia myrskyjä. Anders Celcius ja Graham mittasivat Tukholmassa ja Lontoossa yhtäaikaa tällaisia häiriöitä, joten kyse oli laaja-alaisesta ilmiöstä. Celsius oppilaineen huomasi häiriöiden yhteyden revontuliin (nyk puhutaan magneettisista alimyrskyistä).
Staattinen sähkö Toisin kuin magnetismi, sähkö oli pitkään ihimisille lähes tuntematon ilmiö. Tunnettiin sähkökaloja, Pyhän Elmon valoja laivojen mastoissa ukkosella ja että kun meripihkaa hankaa kankaalla, se vetää puoleensa esim höyheniä. Vuonna 1669 Otto von Guericke varasi rikkipallon hankaamalla ja sai aikaan kipinöintiä. Sähkön varastoinnin (kondensaattorin) keksi Pieter van Musschenbroek (1692 1761) vuonna 1745 Leidenissa, Hollannissa. Leidenin pullo on lasiastia, joka on vuorattu ulkoa ja sisältä metallikalvolla. Sisäosa varattiin hankaamalla varatusta kappaleesta metallijohtimen avulla. Ulko- ja sisäpinnan välille syntyi jännite. Leyden jar St Elmo s fires
Sähkön johtuminen Sähkön johtumista tutki esim. Francis Hauksbee (1666-1713). Teki Newtonin toimeksiannosta kokeita Royal Societyn kokouksissa- Keksi hohtopallon: kun kaasua sisältävään lasipalloon tehdään tarpeeksi suuri alipaine, pallon pintaan tuotu varaus (esim kädellä koskettamalla) saa kaasuun syntymään hehkuvia vanoja. Harventuneessa kaasussa elektronit kulkevat nopeasti ja ionisoivat kaasua. Valo syntyy, kun ionisoituminen purkautuu. Stephen Gray (1670-1736) osoitti, että eri aineilla on erilainen kyky johtaa sähköä. Johtoa sauvojen C ja D välillä kannattava silkkilanka ei johda sähköä. Ransk. Guillame le Monnier (1717-1799) teki virtapiirikokeita ihmisillä, mm. 200 munkkia 2 km:n mittaiseksi piiriksi rautalangoilla yhdistettynä. Yhtäaikainen kiljahdus oli hämmästyttävä tapahtuma.
Charles Coulomb osoitti 1777, että magneettinin voima pienenee kuten 1/r 2. Hän teki mittaukset torsiovaa alla. (Itse asiassa ensimmäinen, joka mittasi magneettista voimaa torsiovaa an avulla, oli saksalainen Tobias Mayer 1760.) Langan kiertymisestä aiheutuva voima on suoraan verrannollinen kiertokulmaan. Verrannollisuuskerroin saadaan selville mittaamalla langan päässä olevan vaakatangon heilahdusaika. Kun kerroin tiedetään, voidaan mitata magneettisten kappaleiden (ja myös varattujen kappaleiden) välinen voima eri etäisyyksillä.
Vuonna 1820 tanskalainen Hans Christian Ørsted (1777-1851) huomasi, että johtimessa kulkeva virta saa aikaan magneettikentän. Tämä oli tärkeä havainto, sillä se liitti yhteen sähkön ja magnetismin.
Andre-Marie Ampere (1775-1836), ransk, julkaisi pian Orstedin jälkeen uusia tuloksia sähkömagnetismista. Mm virtajohtojen attraktio- ja repulsiosta kertovan lain. Ampere esitti teorian, jonka mukaan magneetti koostuu hiukkasista, joiden ympäri kiertää sähkövirta. Ampere uskoi teorian voimaan: kokeilla ei päästä käsiksi perustotuuksiin vaan vain koetulosten pohjalta tehtävien deduktiivisten matemaattisten päättelyiden kautta. Ns. Amperen pöytä. Kaaviokuva laitteesta, jolla Ampere mittasi suorien virtajohtojen toisiinsa aiheuttamaa voimaa.
Sähkön tutkimus Ensimmäinen sähkön laaja-alainen tukija oli amerikkalainen Benjamin Franklin (1706-1790). Saavutti maailmanmainetta paitsi fyysikkona myös keksijänä, kirjoittajana ja kustantajana,diplomaattina ja politikkona. Yksi Yhdysvaltain itsenäisyysjulistuksen kirjoittajista. Kirjoitti 1751 kirjan Experiments and Observations on Electricity, Made at Philadelphia in America. Selitti, että hangattaessa kahta ainetta, toinen aineesta saa sähköisyyttä, toinen menettää. Ei ole erikseen negatiivista sähköä ja positiivista sähköä. Tämä yhden sähkön malli teki Franklinista kuuluisan ja hänet kutsuttiin Royal Societyn jäseneksi. Tutki sähkön purkautumista varatusta kappaleesta ja esitti oleellisesti sähkövarauksen säilymislain.
Franklinin leijakoe voi olla pelkkä legenda. Näin tarina menee. F halusi tietää, onko ukkosessa kyse sähköilmiöstä. Leija liiteli ukkospilvien lomassa. Siihen kertyi negatiivista varausta, joka kulki kosteaa lankaa pitkin avaimeen. Avaimesta oli metallijohdin Leydenin pulloon (alkeellinen kondensaattori). F piteli leijaa avaimeen kiinnitetyn kuivan silkkilangan (ei johda) avulla. Jos hän vei kätensä lähelle avainta, syntyi kipinöivä läpilyönti ja sähköisku. Se todisti, että ukkospilvissä on sähköä. Venäläinen Georg Richmann kuoli sähköiskuun toistaessaan F:n koetta silkkilanka puuttui.
Alessandro Volta (1745-1827) ital. Vaikutti Pavian yliopistossa. Kuuli Luigi Galvanin sammakonkoipihavainnosta: kuparikoukkuun kiinnitetty kuolleen sammakon koipi sätki,kun se painettiin rautaa vasten. Volta selitti, että kun kaksi eri metallia erotetaan toisistaan sopivalla aineella, metallien välille syntyy sähkövirta. Rakensi 1800 tällä periaatteella ensimmäisen sähköpariston, Voltan patsaan. Ensimmäinen tasaisen sähkövirran lähde. Humphrey Davy käytti Voltan patsasta sähkökemiallisiin kokeisiin.
Michael Faraday (1791-1867) engl. fyysikko ja kemisti Kirjansitoja. Opiskeli ominpäin kemiaa ja fysiikkaa. Hankkiutui Royal Institutionin johtajan, kemisti Humphry Davyn assistentiksi. V 1825 johtajaksi, jona oli kuolemaansa asti. Nerokas kokeiden tekijä. Teoreettiset ja matemaattiset taidot puutteellisia. Innostui Ørstedin tuloksesta, että sähkövirta synnyttää magnetismia. Halusi osoittaa sähkön ja magnetismin välillä vallitsevan symmetrian eli että magneetin avulla voidaan vastaavasti saada aikaan sähkövirtaa. Keksi sähkömoottorin periaatteen eli laitteen, jolla sähkömagneettista energiaa voidaan muuttaa mekaaniseksi liikkeeksi. Virtajohdin Sauvamagneetti
Keksi 29. elokuuta 1831 induktioilmiön. Käämissä kulkeva sähkövirta synnyttää virran toiseen käämiin muodostaessaan magneettikentän. Faradayn ratkaiseva oivallus oli, että ei magneettikenttä sinänsä vaan sen muuttuminen indusoi virtaa. Faradayn induktiokäämit, 1831. Teki Davyn kanssa tuttuja rautajauhekokeita, josta sai idean kuvata magneettisia ja sähköisiä vaikutuksia voimaviivojen avulla. Faradayn piirros magneetin voimaviivoista.
Faradayn suuriin ideoihin kuuluu kentän käsite. Etävoimien ymmärtäminen oli noussut keskustelun aiheeksi: mikä saa varauksen tietoiseksi toisen varauksen olemassaolosta jo etäältä? Faraday sanoi, ettei kaukovaikutusta ole vaan että sähkövaraus on ymmärrettävä sekä itse varattuna kappaleena että kappaleen ympärillä avaruudessa olevana sähkökenttänä. Sähkökenttä neuvoo toista varausta paikan päällä siitä, miten sen tulee käyttäytyä. Vastaava pätee hänen mukaansa magneettiselle vuorovaikutukselle. Ne olivat vain spekulaatioitani, mieleni epävarmoja häivähdyksiä. James Clerk Maxwell saattoi Faradayn kentät ja sähköisten ja magneettisten ilmiöiden symmetrian matemaattiseen muotoon 1860-luvulla. Maxwellin yhtälöt ovat fysiikan tärkeimpiä aikaansaannoksia.
The Royal Institution