inledande fysik för v1 - atomic · pdf filemed muskeln mellan två metaller ... r....
TRANSCRIPT
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…. * 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
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.
Foto: education at JLAB
Tribos = gnugga (grek.)
Elektrostatiska generatorer
Leydenflaskan
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 Jean-Antoine Nollet 1746 låter en Leydenflaska urladdas genom en rad av 180 av Louis XV:s vaktsoldater.
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.
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)
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).
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…
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.
I
Zn Cu
H2SO4
Cu
Zn
Elektrolyt
1/R2
Torsionsvågen
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.
Växelström
Inducerade strömmar och magnetfält
I
Örsted Ampere
Tesla 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).
Nicola Tesla uppfinner växelströmsmotorn och vinner det s.k. “war of currents” i konkurrens med Thomas Edison som förespråkar likströmssystem (1888).
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.
Elektronen
Edison upptäcker under arbete med att förbättra glödlampan s.k. termisk emission av “elektricitet”.
Glasrör med vakuum Glödtråd Ledande metallplatta
+
+
+
+
Ström flyter
Ström flyter inte
Elektronen
Strålarna består av elektriskt laddade partiklar med negativ laddning. Deras avböjning kan registeras på den flourescerande skärmen.
I ett elektriskt fält
Fluorescerande skärm
Emitter
J. J. Thomson gör en serie experiment som ger honom Nobelpriset för upptäckten av elektronen.
I ett magnetiskt fält
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.
-
+
-
mg
K eE
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.).
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.
2000
500 BC 1086 1180 1600 1700 Vetenskapliga revolutionen
Modern fysik, atomkärnan, neutroner, protoner, kvarkar, utbytespartiklar, big-bang, kvantelektrodynamik, relativitetsteori, standardmodellen och nu fysik bortom standardmodellen
1800
1900
1700 Upplysningstiden Industriella revolutionen
LHC
W. Gilbert: Begreppet elektricitet
J. J. Thomson: Elektronen
M. Faraday: Likströmsgenerator, induktion, elektrolys
C.A. Coulomb: Elektriska kraftlagen
H. C. Örsted: Inducerat magnetfält
A. Volta: Batteriet
M. A. Ampere: Amperes lag
H. Hertz: Elektromagnetiska vågor
R. A. Millikan: Elektronens laddning
N. Tesla: Växelströmsmotor
T. Edison: Glödlampan
G.S. Ohm: Ohms lag
1600
1785
1800
1831
1820
1820
1886
1880
1888
1827
1897
1913
G. Marconi: Radiotransmission 1895
H. Pixii: Växelströmsgenerator 1832
J. E. C. Maxwell: Maxwells ekvationer 1861
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.
En metall har lättrörliga elektroner, god ledare
Metall Halvledare Isolator
E
Energinivåerna hit upp är alla fyllda
Energitillstånd för elektronerna i ett material
Vacuumpermittivitet eller äldre kapacitiviteten för fria rymden, eller ännu äldre dielektricitetskonstanten för vacuum
)As/(Vm10854.8 12
0
0
r
kg101094.9
C10602.1
31
19
m
eElektronen
rPermittivitetstal, (=1 för vacuum, nära 1 för luft)
Det elektriska fältet och fältlinjer
Enl. definition utgår fältlinjerna från positiv laddning och slutar i negativ laddning eller oändligheten .
tillupphovger2
somfältet4
4
2
0
2
12
0
21
Qr
QE
EQr
QQF
Kraftverkan punktladdning:
F
F och E är vektorer!
+
F
E
E
Allmänt: ngtestladdni/ qqFE
• http://www.youtube.com/watch?v=T6VKxmUPb3g
• http://www.youtube.com/watch?v=yfqRy0YpF2g
• http://www.youtube.com/watch?v=Jm3rHONOr9o
• http://www.youtube.com/watch?v=RDDfkKEa2ls
Dielektrika
+ + + + + +
+ +
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+ + + + +
- - - - - - - - - - -
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
r
Dipoler Dipolmoment:
Kärnan +
Elektroner -
Kärnan +
Elektroner -
Polarisation
E
tillfrånavståndochladdning, dqdqp
p
p
Laddningar fördelar sig så att nettokraften på laddningarna i metallen=0
Elektriskt fält i ledare, Faradays bur
Metall
Isolerande yta
+
+
+
+
+
+
+ + +
+
+ +
+
+
+
+
+
+
+
+
• https://www.youtube.com/watch?v=Zi4kXgDBFhw
• https://www.youtube.com/watch?v=ve6XGKZxYxA
• https://www.youtube.com/watch?v=mUWxYesR5Wo
• https://www.youtube.com/watch?v=jZEFuCxD7BE
• https://www.youtube.com/watch?v=aO-phqmyqdY
• https://www.youtube.com/watch?v=DSscMupf4vE
Gauss lag för elektriskt fält
AQ
QAdE r
A
ytan slutna i inne laddning
fältelektrisktavflöde
/ 0
A 4r2
Där arean är vinkelrät mot fältet. För ett sfäriskt skal:
Speciellt för en punktladdning är E konstant för konstant avstånd från laddningen:
2
00
2
04
4r
QE
QrE
QAE
Elektrisk potentiell energi och potential
V killnad potentials
/
U
qWU
UqdqEdFW
Det elektriska fältet är konstant mellan plattorna.
+
F
d