ELLÄRA INTRODUKTION
Elektricitet, elektron från grekiskans bärnsten
Kompassen
Kina: 1086, Shen Kua beskriver
användning av kompassen i sjöfart.
Kompasser har dock redan använts under
lång tid.
Deklination: 1635, avvikelsen mellan
kompassriktning och den sanna
riktningen till nordpolen inklusive dess
förändring över tiden observeras.
Statisk elektricitet
Triboelektriska serier….
Tribos = gnugga (grek.)
Foto: education at JLAB
Med tiden undersöktes många olika
material och man kom fram till att
skilda material kan skapa statisk
elektricitet som gör att dessa
attraherar eller repellerar varandra.
Väl känt är fallet med silke mot en
glasstav etc.. I dag vet vi att
materialen har olika elektrokemisk
potential, d.v.s. att laddning
omfördelas mellan materialen då de
sätts i kontakt med varandra.
* Human hands (usually too moist, though) Very positive
* Rabbit Fur
* Glass
* Human hair
* Nylon
* Wool
* Fur
* Lead
* Silk
* Aluminum
* Paper
* Cotton
* Steel Neutral
* Wood
* Amber
* Hard rubber
* Nickel, Copper
* Brass, Silver
* Gold, Platinum
* Polyester
* Styrene (Styrofoam)
* Saran Wrap
* Polyurethane
* Polyethylene (like Scotch Tape)
* Polypropylene
* Vinyl (PVC)
* Silicon
* Teflon Very negative
Elektrostatiska generatorer
De första maskinerna för produktion av elektrisk laddning var
s.k. elektrostatiska generatorer. I dessa hade man helt enkelt
mekaniserat “gnuggandet” av olika material t.ex. genom att
med en vev rotera klot av olika lämpliga material. Den första
generatorn tillverkades av von Guericke från Magdeburg ca.
1660.
Leydenflaskan
En vanlig tidig tankegång var att elektricitet var en form av vätska.
Varför inte samla upp denna via en ledare ned i en flaska som innehöll
vatten, d.v.s. elektrifiera vattnet? Senare kläddes flaskans in- och
utsida med ledande material d.v.s. man fick en kondensator…(1745)
Transmission
Elektrisk laddning visar sig kunna flyttas mellan punkter med ledare. Typiskt är dessa
metaller av olika slag. En av de mer originella demonstrationerna var antagligen när JeanAntoine Nollet 1746 låter en Leydenflaska urladdas genom en rad av 180 av Louis XV:s
vaktsoldater.
Batteri och elektrolyt
Alessandro Volta “återuppfinner” batteriet
(också kallat voltastapeln) år 1800 efter en
kontrovers med Luigi Galvani.
Hans batteri består celler av två metaller (Zn,
Cu) som sätts i kontakt med varandra via en
mellanliggande saltlösning (idag allmänt
kallad elektrolyt).
Elektrolyt
Cu
I
Zn
Cu
H2SO4
Det sägs att Galvani hade upptäckt denna
effekt då han dissekerade ett grodlår med en
metallskalpell och att muskeln ryckte till vid
kontakt med skalpellen som av en slump hade
blivit laddad med statisk elektricitet. Effekten
kunde dock upprepas utan statisk laddning
med muskeln mellan två metaller…
Zn
Volta bevisar med sin voltastapel att den
elektricitet som Galvani upptäckt driver
muskelrörelser inte är något fenomen speciellt
relaterat till muskler och dess celler utan kan
skapas utanför kroppen.
Ett nytt sätt att både skapa och “lagra”
elektricitet hade upptäckts.
Torsionsvågen
1/R2
I torsionsvågen utnyttjas att en hängande
tråd som snurras runt sin axel vill
motverka denna rörelse med en elastisk
kraft. Eftersom man kan bestämma hur
denna kraft beror på vridningsvinkeln så
kan man genom att mäta denna vinkel
mäta kraften.
Cavendish använde senare detta
instrument för att mäta en mycket svag
kraft nämligen gravitationen.
+
+
R
Coulomb utnyttjar denna i ett antal
experiment med elektriskt laddade
sfärer upphängda i den centrala
tråden. Genom att föra en annan
laddad sfär mot denna visar han,
åtminstone kvalitativt, att den
elektriska kraften mellan två laddade
föremål avtar som kvadraten på
avståndet mellan dessa. Detta
samband kallas idag Coulombs lag.
Inducerade strömmar och magnetfält
Örsted upptäcker 1820 av en slump att
hans kompass påverkas när en ström leds
genom en ledare som befinner sig nära
kompassen. Inom en vecka efter Örsteds
upptäckt utvecklar Andre-Marie Ampere
en teori för effekten.
I
Örsted
Ampere
Växelström
Inspirerad av Michael Faradays arbete
med elektriska generatorer för likström
utvecklar Hippolyte Pixii den första
maskinen som utnyttjar ett alternerande
magnetiskt fält tillsammans med spolar
för att skapa pulserande ström. Pixiis
uppfinning är grunden för alla senare
växelströmsgeneratorer som exempelvis
dynamon och alternatorn (1832).
Tesla
Nicola Tesla uppfinner
växelströmsmotorn och
vinner det s.k. “war of
currents” i konkurrens
med Thomas Edison
som förespråkar
likströmssystem (1888).
Elektronen
Edison upptäcker under arbete med att förbättra glödlampan s.k. termisk emission av “elektricitet”.
Glödtråd
Glasrör med vakuum
Ledande metallplatta
+
+
Ström flyter
+
+
Ström flyter inte
Triod, elektronrör och så vidare
Elektronen
J. J. Thomson gör en serie experiment som ger honom Nobelpriset för upptäckten av elektronen.
I ett elektriskt fält
Emitter
I ett magnetiskt fält
Strålarna består av elektriskt
laddade partiklar med negativ
laddning. Deras avböjning kan
registeras på den flourescerande
skärmen.
Fluorescerande skärm
Strålarna böjs också i ett
magnetiskt fält. Radien hos banan
mäts.
Sammantaget erhåller
Thomson ett värde för
e/m.
Elektronens laddning
R. A. Millikan mäter 1913 elektronens laddning m.h.a. små oljedroppar i ett elektriskt fält.
Principen bakom Millikans experiment är att spruta
in en tunn oljedimma i en kammare som innehåller
två parallella plattor med en elektrisk potential
emellan.
De oljedroppar som påverkas av det elektriska fältet
har en laddning skild från noll (de är statiskt
laddade). Om det finns en minsta laddning så kan
man anta att dessa doppar har ett antal sådana
laddningar på sig (antalet K t.v.).
+
-
K eE
mg
-
Speciellt om man kan justera fältet så att
gravitationskraften exakt motverkas av den elektriska
kraften så kan man bestämma den totala laddningen Ke.
Genom att göra detta för ett antal droppar som har olika
total laddning så kan man se om den totala laddningen
kan uttryckas som ett heltal multplicerat
med samma lilla tal. Detta tal är då elektronens laddning.
Telegraf; Morse Hertz Marconi Bell
500 BC
1700
1086
Upplysningstiden
1180
1600
1800
Vetenskapliga revolutionen
1700
Industriella revolutionen
Modern fysik,
atomkärnan, neutroner, protoner,
kvarkar, utbytespartiklar, big-bang,
kvantelektrodynamik, relativitetsteori,
standardmodellen och nu fysik bortom
standardmodellen
1900
2000
LHC
1600
W. Gilbert: Begreppet elektricitet
1785
C.A. Coulomb: Elektriska kraftlagen
1800
A. Volta: Batteriet
1820
H. C. Örsted: Inducerat magnetfält
1820
M. A. Ampere: Amperes lag
1827
G.S. Ohm: Ohms lag
1831
M. Faraday: Likströmsgenerator, induktion, elektrolys
1832
H. Pixii: Växelströmsgenerator
1861
J. E. C. Maxwell: Maxwells ekvationer
1880
T. Edison: Glödlampan
1886
H. Hertz: Elektromagnetiska vågor
1888
N. Tesla: Växelströmsmotor
1895
1897
1913
G. Marconi: Radiotransmission
J. J. Thomson: Elektronen
R. A. Millikan: Elektronens laddning
Laddning bärs av elektroner och protoner
Positiv laddning innebär att kroppen ovan har ett
underskott av elektroner.
Negativ laddning innebär att kroppen ovan har ett
överskott av elektroner.
Elektroner förflyttas i ledare
Energitillstånd för elektronerna i ett material
En metall har lättrörliga elektroner, god ledare
E
Metall
Halvledare
Energinivåerna hit upp är alla fyllda
Isolator
Elektrostatik
Lika laddning repellerar
olika laddning attraherar
Elektrostatik
Laddning kan inte förstöras, endast omfördelas
++++++
Elektrostatik
Q1Q2
F
2
Coulombs lag
4 r
Q laddning1C (coulomb), 1 As
+
Q1
r
r
+
Q2
+
Q1
-
Q2
0 r
0 8.854 10 As/(Vm)
12
Vacuumpermittivitet eller äldre kapacitiviteten för
fria rymden, eller ännu äldre
dielektricitetskonstanten för vacuum
r
Permittivitetstal, (=1 för vacuum, nära
1 för luft)
Elektronen
e 1.602 10
19
m 9.1094 10
C
31
kg
Det elektriska fältet och fältlinjer
Enl. definition utgår fältlinjerna från positiv laddning och slutar i
negativ laddning eller oändligheten .
F
+
E
F
E
F och E är vektorer!
Allmänt:
E F /q
Kraftverkan
punktladdning:
F
E
q testladdning
Q1Q2
Q1 E
4 0 r 2
Q2
4 0 r 2
fältet som Q ger upphov till
2
• http://www.youtube.com/watch?v=T6VKxmU
Pb3g
• http://www.youtube.com/watch?v=yfqRy0YpF
2g
• http://www.youtube.com/watch?v=Jm3rHON
Or9o
• http://www.youtube.com/watch?v=RDDfkKEa
2ls
Skärmning
r
Dielektrika
+ + + + + + + + + + +
+
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
+
-
+
+
+
-
+
+
-
+
+
+
+
-
+
+
+
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
-
- -
-
- -
- - - -
-
-
Dipoler
Dipolmoment: p q d , q laddning och d avstånd från till
p
Polarisation
Kärnan +
Elektroner -
Kärnan +
p
Elektroner -
E
Elektriskt fält i ledare, Faradays bur
Laddningar fördelar sig så att nettokraften på
laddningarna i metallen=0
Metall
+
+
+
+ +
+
+
+
+
+
+
+ Isolerande yta
+
+
+
+
+
+
+
+
• https://www.youtube.com/watch?v=Zi4kXgDB
Fhw
• https://www.youtube.com/watch?v=ve6XGKZ
xYxA
• https://www.youtube.com/watch?v=mUWxYe
sR5Wo
• https://www.youtube.com/watch?v=jZEFuCxD
7BE
• https://www.youtube.com/watch?v=aOphqmyqdY
• https://www.youtube.com/watch?v=DSscMup
f4vE
Fältlinjerna lämnar konduktorn under rät vinkel
Fältlinjerna tenderar vara tätast vid spetsig yta
Elektriskt flöde Vm
E dA
flöde av elektriskt fält
Gauss lag för elektriskt fält
E d A Q / r 0
A
flöde av elektriskt fält
Q laddning inne i slutna ytan A
Där arean är vinkelrät mot fältet.
För ett sfäriskt skal:
A 4r 2
Speciellt för en punktladdning är E konstant för konstant
avstånd från laddningen:
EA
Q
0
E 4 r
2
Q
0
E
Q
4 0 r 2
Laddade plattor, Kondensator
Elektrisk potentiell energi och potential
F
+
d
W F d qE d qU
U W / q
U potentials killnad V
Det elektriska fältet är konstant mellan plattorna.
Elektrisk potentiell energi i sfäriskt fält
B
A
B
B
B
qQ
W F (r )dr qE (r )dr
dr
2
4 0 r
A
A
A
Elektrisk potentiell energi i inhomogent fält
B
+
I tre dimensioner gäller allmänt:
dU dU dU
(Ex, Ey, Ez) ( , , )
dx dy dz
E
+
A
