Sähkömagnetismin ymmärryksen kehityshistoriaa 6. 4 Sähkömagnetismin ymmärryksen kehityshistoriaa 6.4.2009 Katja Palomäki Tervetuloa!

Johdanto Esityksen tavoitteena on luoda yleiskatsaus tärkeimpiin sähkömagnetismin ymmärtämiseen vaikuttaneihin asioihin ja henkilöihin alkaen ensimmäisistä tiedetyistä havainnoista antiikin ajoista lähtien.

Antiikin kreikka 600-500 eaa Magnetiitti Meripihka Filosofit Thales ja Sokrates: meripihkalla ja magneettisilla kivillä on sielu. Aristoteles: valonnopeus on ääretön, kirjasi jälkipolville Thaleen kokeilut meripihkalla. Sokrates (470/469 eaa.–399). Theophrastus tunsi toisenkin aineen jolla on sama ominaisuus kuin meripihkalla. Aine tunnetaan nykyisin nimellä turmaliini. Meripihka on 20-100 miljoonaa vuotta sitten kasvaneiden havupuiden kivettynyttä pihkaa, joka on kerrostunut meren pohjaan. Aristotheles ja Ptolemaios olivat sitä mieltä, että valon nopeus on ääretön. Magnetiitin kuva: http://www.kiviopas.fi/opetus/mineraal/magnetiitti.htm Kreikkalaisen myytin mukaan magneetti on saanut nimensä Magnes nimisen paimenen mukaan.

Kiina 200 eaa – 500 jaa n. 200 eaa n. 500 jaa Kompassi – ”etelän osoittaja” kehitetty mahdollisesti Qin dynastian aikana 221-206 eaa. n. 500 jaa Kiinalaiset oppivat magnetisoimaan neuloja. Kiinassa teräsneulan magnetisointi keksitiin noin 500-luvulla. Kiinalaisen kompassin kuva: Physica

Rene Descates piti valonnopeutta äärettömänä, kuvasi myös Maan magneettikentän, kehitti effluvium-käsitteen huippuunsa.

Petrus Peregrinus (Ranska, 1240 - ?) 1200-luku Petrus Peregrinus (Ranska, 1240 - ?) 1. tieteellinen kirjoitus sähköstä/magnetismista. Kehitti mahdollisesti ensimmäisen asteikolla varustellun kompampassin (kuvassa). Yksi harvoista tunnetuista kokeellisista tutkijoista keskiajalta. Yritti rakentaa ikiliikkujaa magneetin avulla.

1600-luku William Gilbert (Englanti, 1544–1603) Elisabet I henkilökohtainen lääkäri. Tutki laajalti magnetismia ja sähköä. Julkaisi kirjan De Magnete (1600). Käytti ensimmäisen kerran sanaa electricity.

Rene Descates piti valonnopeutta äärettömänä, kuvasi myös Maan magneettikentän, kehitti effluvium-käsitteen huippuunsa.

Stephen Greyn koe sähkönjohtavuudesta Leydenin pullo

Hans Christian Ørsted (Tanska, 1777-1851) 1700-1800-luku Hans Christian Ørsted (Tanska, 1777-1851) 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.

Örstedin koe Jos johdin asetetaan pohjois-eteläsuuntaan kompassineulan suuntaisesti, virran aiheuttama magneettivoima tulee itä-länsisuuntaiseksi (kohtisuora voimavaikutus) ja kääntävä voima tulee tällöin mahdollisimman suureksi. Örsted oli farmaseutin poika.

Örstedin koe Ørsted havaitsi, että pelkästään sähkövirta ei vaikuta magneettineulaan, vaan myös magneettikenttä pyrkii kääntämään sellaista johdinsilmukkaa, jossa kulkee sähkövirta. Örsted oli farmaseutin poika.

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

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.

Faradayn rakentama sähkömoottorin edeltäjä: Rotaattori Virtajohdin Magneettisauva Magneettisauva Elohopeaa

James Clerk Maxwell (1831-1879) 1800-luku James Clerk Maxwell (1831-1879) 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). 1854 julkaistiin tutkielma Dynamical Theory of the Electric Field Faradayn kenttäviivoista . Kuvassa 24 vuotiaalla Maxwellilla on kädessään värihyrrä jolla hän teki värien näkemiseen liittyviä kokeitaan (Cambridge 1855). Cambridge 1855

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

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. Maxwellin yhtälöiden ”syntymävuosi”. Maxwell yhdisti sähkön ja magnetismin teoriat sähkömagneettiseksi kenttäteoriaksi Nämä neljä Maxwellin yhtälöä ovat nykyään kaiken sähkömagnetismin perusta. Kuvassa Maxwell mahdollisesti Cambridgessa

Yhteys valon ja sähkömagnetismin välille 1865 Laskettuaan valonnopeudeksi noin 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.” Kuvassa Maxwell on mahdollisesti Cambridgen yliopistossa. Maxwellin yhtälöt kuvaavat sekä sähkömagneettisen kentän käyttäytymistä että vuorovaikutusta aineen kanssa. Lisäksi Maxwell osoitti että yhtälöt ennustavat aaltojen värähtelyä sähkö- ja magneettikentissä, jotka kulkevat tyhjän avaruuden läpi nopeudella, joka voitiin ennustaa yksinkertaisella kokeella – käyttäen sen hetkistä saatavilla olevaa tietoa Maxwell sai nopeudeksi 310 740 000 m/s.

Heinrich Rudolf Herz (Saksa, 1857-1894) Vuonna 1888 Heinrich Hertz havainnollisti ensimmäisenä sähkömagneettinen säteilyn olemassaolon. havaitsi, että valo irrottaa elektroneja metallin pinnasta.

Yhteenveto Sähkömagnetismin ymmärtämiseen vaikuttivat suuresti seuraavat henkilöt: Aristoteles (Thales) ensimmäiset maininnat sähköstä/magnetismista Peregrinus 1. tieteellinen tutkielma magnetismista/sähköstä Gilbert teoria maan magneettikentästä Ørsted sähkön- ja magnetismin yhteys Ampère Ampèren laki -> Biot’n ja Savartin laki Faraday keksi induktion ja kehitti induktiolaina Maxwell yhtenäinen teoria sähkömagneettisista ilmiöistä Hertz todisti sähkömagneetisen säteilyn olemassaolon ja samalla Maxwellin yhtälöiden pätemisen

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

Kiitos osallistumisestasi!