Fysik B - Fördjupning i valfri ämnesområde

1 röster
3480 visningar
uppladdat: 2009-12-07
Inactive member

Inactive member

Nedanstående innehåll är skapat av Mimers Brunns besökare. Kommentera arbete

Fysik B - Fördjupning i valfri ämnesområde

Inledning

Elektricitet, vad är det egentligen för något? Försöker man koppla samman elektricitet som tycks vara abstrakt, med något konkret kommer troligtvis glödlampan eller teven att vara bland de första sakerna man tänker på. Kanske beror det på att det är genom dessa prylar som elektricitetens nyttiga sidor kom till användning. En sak är i alla fall säker - vi är beroende av detta fenomen. Men det vi utnyttjar är egentligen en tunn bit av allt vad elektricitet innebär och den är i sin tur bara en del av elektromagnetismen. Genom att utnyttja den energi som finns lagrad mellan två föremål med olika elektriska potentialer kan vi utvinna en elektrisk ström.

Det vore faktiskt enklare att nämna apparater som inte är beroende av ström än saker som är det. Men det är ju inte bara vårt samhälle som är bundet till elektriciteten, ifall all elektricitet skulle upphöra skulle alla kopplingar mellan atomer och molekyler brytas, det mesta skulle faktiskt falla isär ganska abrupt. Detta beror på att elektromagnetismen är ett naturfenomen som är så fundamental att likställs med den starka kärnkraften, den svaga kärnkraften och gravitationen. Den är helt enkelt något som ligger bakom de fysikaliska lagar som gäller i detta universum.

Upptäckter inom detta ämne kan egentligen inte behandlas på samma sätt som till exempel medicin, elektromagnetismen har ju alltid funnits i sin naturliga form, vi har bara inte alltid förstått vad elektromagnetism är för något. Denna essä kommer därför att behandla detta grundläggande fenomen ur ett historiskt perspektiv, och lyfta fram de upptäcker och genomslag vilka har ett när det gäller hur våra liv ser ut idag.    

Första tidiga kontakten

Människor har alltid varit nyfikna (och ibland skrämda) av elektromagnetismen. Upptäckter har skett genom både engagerad forskning men också genom tillfälliga händelser. Exempelvis skriver 1978års nobelpristagare i litteratur - Isaac Bashevis Singer - i en av sina historier om en bonde i medeltida Irland som tar av sin linnekilt en natt och upptäcker hur det slår gnistor om tyget. Byprästen tillkallades och det kalabalik utbröt. Händelser av liknande karaktär med statisk elektricitet kan dateras ända tillbaka till den grekiska antiken, men även om man fumlade över fenomenet så har detta inte medfört någon praktisk betydelse - elektricitet förblev något mystiskt.

På 1790talet presenterade dock Alessandro Volta sin stapel. Då han tryckte ett kopparmynt mot ena sidan av tungan och en likadan fast i zink mot andra sidan, kände han en ilning. Stapelns uppbyggnad liknar i stora drag dagens batterier. Volta hade upptäckt det fundamentala för att vi skall kunna utnyttja elektriciteten praktiskt: elektrisk potentialskillnad. Den elektriska potentialskillnaden kan liknas vid potentialskillnad i lägesenergi. Medan lägesenergin bygger på gravitationen bygger den elektriska potentialskillnaden i just elektromagnetismen. Med andra ord hade Alessandro Volta inte bara upptäckt grundprincipen för att utnyttja elektricitet, han hade funnit den starka korrelationen (även om han inte drog denna slutsats) mellan två starka naturfenomen: elektromagnetism och gravitation.

Den brittiske artilleriofficeren William Sturgeon experimenterade senare på 1800talet med Voltas stapel. Det Sturgeon gjorde var att vira koppartråd runt ett järnstycke och koppla koppartråden till Voltas primitiva stapel och gjort en primitiv elektromagnet. På detta sätt hade han omedvetet kopplat samman elektriciteten med magnetismen. Steget från Voltas stapel till elektromagneten verkar inte vara långt, men principen bakom dessa upptäckter har blivit grundläggande för det sätt som vi utvinner och omvandlar energi från elektromagnetismen. Det som är intressant är att efter Sturgeon var det bara en tidsfråga innan någon skulle upptäcka principen för att lagra energi. Exempelvis skulle något fått för sig att roa sig med att experimentera och tömt energin lagrad i Voltas stapel. Om denna person av någon anledning skulle få för sig att dra järnstycket fram och tillbaka innanför kopparspiralen i några minuter, skulle han kanske upptäcka att Voltas stapel "magiskt" åter hade litet energi lagrad i sig. Magiken förklaras genom det grundläggande sambandet U = Bvd. Med liten god vilja kan man säga att Sturgeon omedvetet upptäckte detta samband fast bak och fram. Detta måste senare ha inneburit något enormt för förståelsen av kopplingen mellan elektriciteten och magnetismen.

En ström av idéer och uppfinningar   

Men för att förstå något räcker det inte bara att experimentera, då man laborerar med något okänt är det nödvändigt att modellera teorier utifrån experimenten och kanske till och med utveckla andra metoder för att bevisa och motbevisa modellerna.

Joseph Henry som var lärare hade inspirerats av den samtida Sturgeons experiment. Han byggde liknande elektromagneter, men det var inte det som var det viktiga med hans insats. Anledningen till att Henry tas upp är att han precis som Einstein vågade modellera, förutsätta och tänka fritt, han bär också en central roll för utvecklingen av praktiska elektriska apparater. Till skillnad från Sturgeon som endast hade experimenterat med elektromagnetismen hade han även funderat över bakomliggande orsaker. Henry förklarade (om än långt efter hans experiment) resultaten med en modell, något som inte bara var ett viktigt steg i att förstå fenomenet men också ett tidigt exempel på hur forskning sker inom fysik.

Modellen byggde på att strömmen från Voltas stapel var elektroner som rullade framåt inne i en tråd, och att det var kraften inom dessa laddade elektroner som gav själva strömmen. Han hänvisade sin modell till när en kabel slets sönder i en storm med gnistbildning som följd. Gnistorna som flög ut sade han var ett tecken på strömmarna av elektroner. Enda problemet var dock att elektronerna isåfall skulle staplas upp i änden av en kabel. - Modellerandet kan verka banalt men är faktiskt ett otroligt genombrott (Jämför med Einsteins kvantifiering av ljuset till fotonen vilken hade gjorts tidigare men som bara Einstein vågade förutsätta)

Faradays Fält

Michael Faraday är ett tungt namn inom detta ämne, och det med god anledning. Faraday var ungefär samtida med Joseph Henry - han som förklarat strömmen som en ström av elektroner. Fast Faraday koncentrerade till skillnad från Henry på frågan hur Sturgeons experimentuppställning kunde få magnetiska egenskaper. Faraday hade liksom sina "rivaler" studerat Newtons avancerade matematik. Men Newton var berömd (idag ökänd?) för skildrandet av ett universum utifrån ett rent mekaniskt perspektiv. Newton och hans rivaler lärde sig därför att det inte fanns någon plats i detta universum för osynliga krafter, inga osynliga "spindelvävar" fanns. Som tur var hade Faraday tagit lätt på matematiken och tillsammans med hans bakgrund med far som var smed ansåg väl de flesta att han inte var kompetent nog för "seriös" forskning. Ännu en gång visar historien hur viktigt det är att tänka fritt: Modigheten hos Henry liksom Einstein var att de vågade förutsätta, Faradays tapperhet var att förkasta det förutsatta. Faraday var fascinerad över Sturgeons fenomen, och han tog lätt på Newtons teorier.

Faraday tänkte att universum visst hade osynliga trådar och spindelvävar, något som ett experiment med järnfilspån och magneter stödde. Det gav ett tecken på att det fanns någon sorts osynligt matris. I slutet av 1831 gjorde han ett experiment vilket Sturgeon hade lagt grunden för: Faraday var mannen som vågade dra järnstycket fram och tillbaka innanför kopparspiralen. Han upptäckte att så länge han rörde magneten i närheten av tråden så skapade han en elektrisk ström - han drog slutsatsen att det måste finnas någon sorts osynligt nät. De flesta av hans rivaler förkastade hans teorier. Oturligt nog var hans lättja för Newtons matematik vilken möjliggjort hans idéer om nät också hans svaghet - han kunde inte bevisa sina matriser matematiskt. Han tröstade sig med att det skulle bevisas någon dag, men anade dock inte att det skulle leva så länge att han fick se det ske.

Fields Kabel och Maxwells Fält

Faradays fält skulle faktiskt bekräftas redan på 1800talet medan han fortfarande var vid liv. Cyrus West Field (Klart han hette fält) hade blivit Joakim-von-Anka-rik på papper och tyger och ville såklart dra sig tillbaka till det lättsamma livet. Men det var en sak som störde Field: England och Amerika låg så otroligt långt ifrån varandra, dessa båda naturliga bundsförvanter skulle väl inte vara skiljda från varandra på detta vis? Field insåg att telegrafförbindelser var sättet att sammankoppla England med Amerika. Även om Field inte direkt bidrog till vetenskapen var de problem som hans projekt stötte på otroligt viktiga för beviset av Faradays idéer.

Med hjälp av matematikern William Thomson (Inte släkt med J.J. Thomson) skulle hans projekt dra en telegrafkabel mellan Atlanten. Men en rad brister hade upptäckts i kabelsystemen: signaler som var tydliga när de sändes kom fram som luddiga och diffusa. Och då talade man om relativt korta avstånd, men Fields och Thomsons kabel skulle bli mycket lång. Man var alltså tvungen att förstå och lösa problemet. Joseph Henry hade förklarat att det var kraften inom elektronerna som drev den framåt i kabeln. Men Thomson menade istället att elektronen fick kraften från ett fält. Field ville att kabeln skulle bestå av koppar omgiven av ett lager gummi och ett hölje av järn (!) för att kabeln inte skulle slitas upp på botten. Thomsons modell förklarade dröjningarna. Varje gång en signal sände skulle ju ett fält skickas och om signalerna skickades alltför nära varandra skulle fälten kollidera. Järnhöljet ansåg han; lockade fälten utåt. Men nu blev Field skeptisk: vilket humbug, kabeln överdrogs ändå med järn.

Det första telegrammet gick felfritt, men resterande meddelande tog längre och längre tid och sedan gick det åt skogen. Thomsons modells förutspåelse hade slagit in, modellen förklarade även varför elektronerna inte hopar sig i andra ändan (Henry): det är inga elektroner som skickas(även om de rör sig) utan det som skickas är själva fältet som i sin tur sätter i rörelse elektroner. Och även om Thomson inte hade bevisat något matematiskt skulle hans vän James Clerk Maxwell göra det, han skulle också teoretiskt visa att Thomsons fält bestod av elektriska och magnetiska strukturer. Maxwell utvecklade fyra partiella diff. ekvationer som förklarade hans och Thomsons teorier. Maxwells resultat kopplade samman alla tidigare rön till en modell, och anses därför vara fadern till "den andra stora unifieringen inom fysik" (den första svarade Newton för)

Sammanfattningsvis kopplade Sturgeon samman elektriciteten med magnetismen men inte teoretiskt. Henry försökte förklara elektriciteten och gjorde det nästan, medan Faraday försökte förklara magnetismen. Thomson förklarade elektriska fält men Maxwell gjorde det teoretiskt och kopplade dessutom teoretiskt samman elektriciteten med magnetismen. Varje steg har varit litet men ändå grundläggande. Det liknar mer ett pussel än ett kappla-torn. Maxwell förklarade nämligen U = Bvd med ord. Elektriska fält som förändras ger upphov till magnetiska. Om förändringar skedde i det magnetiska gav det upphov till nya elektriska, något som förklarade Faradays experiment.

Hertz vågor

Heinrich Hertz experimenterade med specialbyggda elektriska trådar som blev utskjutningsramper för det nu kända elektriska och magnetiska fältet. Det skulle inte bara innebära en ny tid för elektromagnetismen med utvecklingen av radar och datorer, utan banade även vägen för kvantifiering av ljus till fotonen. (Jämför: Elektroner och elektriska + magnetiska fält, ljuspartiklar och ljusvågor)

Nutid

Alan Turing var en man som under 1940 försökta utveckla en dator. Vi ser redan här att utvecklingen från Maxwells modellering till själva datorn har gått otroligt snabbt, det visar hur otroligt viktig Maxwells matematiska förklaring är. Datorn skulle bygga på att elektriska kopplingar skulle kunna ordna om sig. Ä...

...läs fortsättningen genom att logga in dig.

Medlemskap krävs

För att komma åt allt innehåll på Mimers Brunn måste du vara medlem och inloggad.
Kontot skapar du endast via facebook.

Källor för arbetet

Saknas

Kommentera arbetet: Fysik B - Fördjupning i valfri ämnesområde

 
Tack för din kommentar! Ladda om sidan för att se den. ×
Det verkar som att du glömde skriva något ×
Du måste vara inloggad för att kunna kommentera. ×
Något verkar ha gått fel med din kommentar, försök igen! ×

Kommentarer på arbetet

Inga kommentarer än :(

Liknande arbeten

Källhänvisning

Inactive member [2009-12-07]   Fysik B - Fördjupning i valfri ämnesområde
Mimers Brunn [Online]. http://mimersbrunn.se/article?id=58416 [2018-07-16]

Rapportera det här arbetet

Är det något du ogillar med arbetet? Rapportera
Vad är problemet?



Mimers Brunns personal granskar flaggade arbeten kontinuerligt för att upptäcka om något strider mot riktlinjerna för webbplatsen. Arbeten som inte följer riktlinjerna tas bort och upprepade överträdelser kan leda till att användarens konto avslutas.
Din rapportering har mottagits, tack så mycket. ×
Du måste vara inloggad för att kunna rapportera arbeten. ×
Något verkar ha gått fel med din rapportering, försök igen. ×
Det verkar som om du har glömt något att specificera ×
Du har redan rapporterat det här arbetet. Vi gör vårt bästa för att så snabbt som möjligt granska arbetet. ×

Logga in med Facebook