1
Thales från Miletos (ca 625-546 f.Kr.)
Elektricitet
Elektriska fiskar – beskrivet i egyptiska texter 2750 f. Kr.
• en av Greklands sju vise
Darrål – 500 V/ 1 A
(Sydamerika)
• alltings ursprung = vatten
(fast, flytande, gas)
2
• förutsåg solförmörkelse
585 f.Kr.
”Electric catfish” – 350 V
(Nilen)
• ”bärnstenseffekten”
Ingvar Albinsson
Institutionen för Fysik
Institutionen för Fysik
3
William Gilbert (1544-1603)
”Bärnstenseffekten”
Bärnsten (fossil kåda)
kan attrahera en fjäder
4
• läkare, fysiker (livsmedikus
hos Elisabet I)
• studerade elektriska och
magnetiska fenomen
elektron (grek.) = bärnsten
Exp 1: plaststav/kattskinn + pappersbitar
Institutionen för Fysik
Exp 2: plastkam/hår + pappersbitar
Institutionen för Fysik
5
”De Magnete…”
Benjamin Franklin (1706-1790)
• ”Om magneter, magnetiska
kroppar och den stora
magneten jorden” (år 1600)
• vetenskapsman, politiker
• Självständighetsförklaringen
(1776)
• införde ordet ”elektricitet”, skiljde mellan
- statisk elektricitet
- magnetism (…Marika!)
• identifierar två typer av ämnen:
6
• studerade statisk elektricitet
”De Magnete, Magneticisque
Corporibus, et de Magno
Magnete Tellure” (1600)
- ”electrics” uppvisar attraktion vid gnidning
(isolatorer t.ex. bärnsten, glas, plast,…)
- ”anelectrics” uppvisar ingen attraktion
(ledare t.ex. metaller)
Institutionen för Fysik
Institutionen för Fysik
”The Declaration of Independence”
1
”Livsfarliga försök”
7
8
Klotblixtar
• blixten = elektrisk urladdning
(säkerligen inget direktnedslag!)
• åskledaren (1749)
• en typ av laddning:
- positiv = överskott (+)
- negativ = underskott (–)
• Summan av alla laddningar =
konstant
Georg Wilhelm Richmann (1711-1753)
Institutionen för Fysik
Sankt Elmseld
Institutionen för Fysik
Statisk elektricitet
9
10
Exp 3: plast/glasstav + plaststav
(attraktion/repulsion)
• två typer av laddning: - glasladdning (+)
- lack/hartsladdning (–)
Olika laddningar ⇒ attraktionskraft
+
-
F
Lika laddningar ⇒ repulsionskraft
+
+
-
-
plast
plast
glas
plast
F
Institutionen för Fysik
Institutionen för Fysik
11
12
Materiens byggnad
En stav gnids med ett kattskinn och blir
negativ. Vilken laddning får skinnet?
• all materia – atomer
• atomen – elementarpartiklar
• Väte:
en proton - laddning = +0,16 aC och
en elektron - laddning = –0,16 aC
• ”a” = 10-18 = en miljarddels miljarddel
• e = elementarladdningen (odelbar) = 0,16 aC
⇒ laddning är kvantiserad (multiplar av e)
• SI-enheten för elektrisk laddning: coulomb, C
Institutionen för Fysik
Institutionen för Fysik
2
13
14
Elektronöverföring
Materiens byggnad 2
• atom – elektriskt neutral
• När två material gnids mot varann,
omfördelas laddning
• Laddning kan
varken skapas
eller förstöras
(antal protoner = antal elektroner)
eHår
elektronunderskott
(positiv)
neutron (neutral)
proton (+)
elektron (–)
Plastkam
Väte
(1p, 1e, 0n)
elektronöverskott
(negativ)
Helium
(2p, 2e, 2n)
Litium
(3p, 3e, 4n)
• jon = elektriskt laddad atom
I ett slutet system (hår + plastkam) är
totala elektriska laddningen bevarad!
(över-/underskott av elektroner – eller +)
Institutionen för Fysik
Institutionen för Fysik
15
16
Karakterisering av material
• Ledare - har många lättrörliga (”fria”) laddningar
(ex. metaller, saltvatten, plasma)
Exp 4: Supraledare (Meissnereffekten)
• Isolatorer - saknar nästan helt rörliga laddningar
(ex. glas, gummi, trä, plast)
• Halvledare - antalet laddningar kraftigt temperaturberoende
(ex. kisel, germanium)
• Supraledare – ideal ledare, resistansen = 0
ex. kvicksilver (4,15 K)
bly (7,19 K)
YBa2Cu3O7 (92 K)
Institutionen för Fysik
Institutionen för Fysik
Charles de Coulomb (1736-1806)
17
18
Coulombs lag (1785)
• fransk fysiker
F =k⋅
• studerade elektrisk kraftverkan med torsionsvåg
Q1 ⋅ Q2
r2
”ömsesidig kraftverkan”
• F = kraft (enhet: N = newton)
k = konstant (9·109 Nm2/C2)
Q1 = laddning nr 1 (C = coulomb)
Q1 = laddning nr 2 (C)
r2 = r·r = avståndet (m) i kvadrat
Eiffeltornet:
”72 franska vetenskapsmän”!
Institutionen för Fysik
• upptäcktes redan 1771 (opublicerat)
av Henry Cavendish,
anteckningarna kända först 1879!
Institutionen för Fysik
Cavendish
3
19
20
Kraften på en laddad kropp från en annan
laddad kropp ökar proportionellt med
laddningarnas storlek!
Kraften avtar snabbt med avståndet!
1 cm
-
+
+
-
Kraften är 4 gånger
större i övre fallet
jämfört med det nedre!
2 cm
++
---
-
+
Det är 2 x 3 = 6 gånger större kraft i det
nedre fallet jämfört med det övre fallet.
• Notera! Påminner om Newtons gravitationslag:
m ⋅m
F = G⋅ 1 2 2
(dock olika ursprung!)
Institutionen för Fysik
Institutionen för Fysik
r
21
22
Elektrisk influens
Exp 5: plastkam + pappersbitar
+
• en neutral kropp kan attraheras genom influens
Exp 6: plastkam + vattenstråle
–
neutral
-
+
+
+
+
- - - - - - - - -
+
– – – –
– – – –
⇒ nettokraften blir attraherande
Exp 7: frigolit mot neutral vägg
Institutionen för Fysik
Institutionen för Fysik
23
24
Vad är elektrisk laddning?
• en egenskap hos materia (jmfr. massa)
• laddning är kvantiserad (e)
”el-avbrott…”
• i ett slutet system är laddningen bevarad
Elektricitetsvisan (88-öresrevyn, Hasse & Tage)
Institutionen för Fysik
Institutionen för Fysik
4
25
Elektriska fältet
(grafisk modell för elektrisk kraftverkan)
1.
En laddad kropp omges
av ett fält (E-fält)
2.
Fältet åskådliggörs med
fältlinjer (Faraday)
3.
Fältriktingen i en punkt sammanfaller med riktningen
hos den kraft som påverkar en liten testladdning (+) i
punkten
4.
Fältet ”går ut” från positiva
laddningar och slutar på negativa
5.
Tätheten av fältlinjer är ett mått
på fältets styrka
Institutionen för Fysik
~1 µC ≈
6·1012 e
En van de Graaff-generator
kan generera mycket höga
spänningar (MeV).
-Q
Q
26
Metallkula
Metallkam sprider ut
laddningen på klotet
E=0
Rem
Positiv metallkam drar
elektroner från remmen
”dipol”
Institutionen för Fysik
Motor
Robert Van de Graaff,
1901-1967
Jord
27
Exp 8: van de Graaff
28
Vi säger att ett elektriskt fält ”existerar”
(OBS modell!!!) i en punkt om en testladdning i den punkten utsätts för en kraft
- laddning/urladdning
- ”peruk”
- mannagryn + matolja
Q
Institutionen för Fysik
+ +
+
+ +
+
testladdning
+
kraft
Institutionen för Fysik
”Faradaybur”
29
30
Exp 9: mikrovågsugn, plastmuggar
• Newton visade att kraften är noll på en liten
massa i en ihålig sfär (gravitationsfältet = 0)
Exp 10: van de Graaff
- (pingisboll?)
- faradaybur
Motsvarighet i elläran:
• laddningarna på en ledare
fördelar sig så att elektriska
fältet inuti är noll (E = 0)
• Faradaybur (”metallbur”)
- skyddar elektronik,
- blixtnedslag (bil)
- etc.
Institutionen för Fysik
Institutionen för Fysik
5
31
32
På analogt sätt införs det elektriska fältet E:
Man kan se gravitationen som ett fält g:
E = F/Q
g = F/m
där g och F är vektorer (både storlek och riktning)
där F är kraften på en laddning Q
laddning Q
massa m
+
fält E
fält g
kraft F
kraft F
jordytan (massa)
Institutionen för Fysik
laddningar (positiva eller negativa?)
Institutionen för Fysik
33
34
En elektron rör sig genom ett homogent
E-fält på samma sätt som en kula genom
ett gravitationsfält (parabel).
Exp 11: elektronrör – laddningar i E-fält
elektronkanon deflektionsplattor
elektronstråle
konstant
horisontell
hastighet
in-spänningar
vertikal elektrisk kraft ger vertikal acceleration
Institutionen för Fysik
skärm
jämför ”gammal” TV-apparat (ej platt skärm!)
Institutionen för Fysik
35
36
Elektrisk ström
Elektrostatik – laddningar i vila
Elektrodynamik – laddningar i rörelse
• SI-enhet: ampere, A
Definition:
• Elektrisk ström (I) = mängden positiva laddningar
som passerar en ledares tvärsnitt per tid
• Vanligen är laddningarna
elektroner (negativa),
t.ex. i metalltråd
⇒
Q
I=
t
Institutionen för Fysik
+
+
+
+
-
-
André-Marie Ampère
(1775-1836)
-
Ström
E
Institutionen för Fysik
6
37
E=0
38
Typiska data för elektroner i en
metallisk ledare:
Fria elektroner (ledningselektroner)
i ständig rörelse kollisioner med andra elektroner,
atomer och defekter!
-
-
Utan elektriskt fält är
drifthastigheten noll!
E≠0
-
-
-
Med ett elektriskt fält
fås en drifthastighet, dvs
en ”nettohastighet”!
Medelhastighet (enskilda e-)
1000 km/s
Drifthastighet (”kollektiv”)
Fri medelväglängd
Tid mellan kollisioner
0.1 mm/s !
40 nm (= 400 Å)
10-14 s
När man slår på en strömbrytare till en lampa
tänds lampan omedelbart. Hur kan det komma
sig? Elektronernas hastighet är ju ≈ 0.1 mm/s!
Institutionen för Fysik
Institutionen för Fysik
39
Luigi Galvani (1737-1798)
40
• italiensk läkare och naturforskare
• fysiologiska studier av muskler
och nerver
• ”animal elektricitet”
(livsgnista/livskraft)
”el-avbrott…”
Institutionen för Fysik
Boris Karloff
(”Frankenstein” – Mary Shelley)
Institutionen för Fysik
”Anton Hansson vals” (E. Taube/Hootenanny singers)
41
Voltas stapel (= elektriskt batteri)
Allessandro Volta (1745-1827)
42
• insåg att Galvani ”råkat” konstruera
en detektor för elektricitet
• italiens fysiker
• kondensatorn (1782)
- lagrar elektrisk laddning
(”leydenflaskan”)
- kan generera tillfällig ström
av laddningar
• voltastapeln = staplade
(seriekopplade) galvaniska celler
• Laddningsströmmen
drivs av kemiska
reaktioner
• ”voltastapeln” (1800)
- genererar kontinuerlig laddningsström i
en sluten krets
”Volta”: kopparplatta / filt (svavelsyra) / zinkplatta
Institutionen för Fysik
Institutionen för Fysik
7
43
44
Exp 12: citronbatteri (Cu-tråd + Zn-spik)
Anodreaktion:
producerar elektroner
•
•
•
•
Institutionen för Fysik
Katodreaktion:
konsumerar elektroner
Batteri = ”laddningspump” (elektrontryck)
Spänning = ”pumpkraft” (enhet: volt, V)
Primära batterier (vanliga) / sekundära = uppladdningsbara
elektroderna ”förbrukas” när ström genereras
Institutionen för Fysik
45
46
Bränsleceller – framtiden?
Bagdadbatteriet (1938)
• daterat till ca 300 f.Kr. (historiebeskrivningen ställs på ända?)
Elenergi
Vätgas
Bränslecell
• galvanisk cell?
• syfte?
Luft
Värme
Vatten
För- och nackdelar:
guldplättering?
+
ca 0,9 V ⇐
Institutionen för Fysik
• ren
• tyst
• effektiv (stor och
liten skala)
• behöver ej uppladdas
_
• Hög kostnad
• materialproblem
Institutionen för Fysik
47
48
Exp 13: bränslecellen
Institutionen för Fysik
Institutionen för Fysik
Honda FCX Clarity
2008, 1600 kg, 45 mil
8
49
50
En elektrisk krets = spänningskälla (batteri)
via ledare (kopparkabel) ansluten till ett
motstånd (resistans)
R = 60 ohm
Analogi
• Det finns ett visst tryck i slangen (spänning / volt)
• Vattnet möter ett motstånd i slangen/ventilen
(resistans / ohm)
• Vattenflödet (ström / ampere) kan vara svag trots
högt tryck
U = 12 volt
Elektronernas
kollisioner orsakar ett
visst motstånd för den
elektriska strömmen!
I = 0.2 ampere
Ohms lag
U = R·I
Institutionen för Fysik
Georg Simon Ohm
(1789-1854)
Institutionen för Fysik
51
Milstenar
När elektrisk ström passerar ett motstånd
utvecklas en Effekt = Energi/Tid
52
• Hans Christian Ørsted (1777-1851):
upptäcker 21/4 1820 sambandet mellan
elektricitet ↔ magnetism
Exp 14: Strömförande ledare
Magnetfält
Den elektriska effekten (P) som omvandlas till
värme i motståndet (pga elektronkollisioner):
• Michael Faraday (1791-1867):
upptäcker induktionen, dvs
elektrisk ström induceras när en
ledare rör sig i ett magnetfält
(även virvelströmmar!)
P = U·I
Exp 15: - Magnet i spole + Voltmeter
- Neodymmagnet i Cu/Al-rör
Exempel - effektförbrukning hos glödlampa:
P = 230 V ⋅ 0,26 A ≈ 60 W
Institutionen för Fysik
Institutionen för Fysik
53
Likström = laddningstransport i en riktning
Växelström = växlande riktning
• i praktiken används sinusformad ström, 50 Hz
Edison förespråkade likström!
- ”Slaget om strömmen!”
- ”Elektriska stolen!”
(trots motstånd mot dödsstraffet)
• Växelströmmen infördes av Tesla
- kan enkelt transformeras (”ändra spänning”)
- kan transporteras långa sträckor
• ”Teslageneratorn”
Institutionen för Fysik
Nikolai Tesla
(1856-1943)
9
