Vetenskapsmän som haft stor betydelse för elektriciteten och magnetismen

Under 1800-talet gjordes många intressanta experiment för att utforska elektriciteten och jordens magnetfält. Några lyckade försök gjordes av vetenskapsmännen Ampére, Volta, Ohm och Gauss som publicerades under 1800- talet.

 André Marie Ampére

 Ampére visar att ström ger upphov till magnetfält.  

På bilden ovan ses en rotationsapparat enligt Ampére. Med den kunde man åstadkomma en rörelse med hjälp av likström och en magnet och den kan sägas vara föregångaren till den elektriska motorn.

André Marie  Ampére

Fransk fysiker och matematiker (1775-1836)

Ampére upptäckte och fastslog flera allmänna regler:

• Två elektriska ledare attraheras när strömmarna flyter parallellt i samma riktning och repelleras när den flyter i motsatt riktning.

• Två strömförande ledare försöker ställa in sig parallellt och i samma riktning.

• Attraktion och repulsion är motsatt jämförelse med det elektrostatiska fältet.

• Att elektrisk ström och en magnet täcks av lagen om attraktion mellan två strömmar.
  (Örsted upptäckte och påvisade att den elektriska strömmen påverkar en magnetisk nål.)

Ampére var övertygad om att magnetism var ett elektriskt fenomen. Han påpekade att två kroppar med samma laddning repellerar varandra men två ledare, som för ström i samma riktning , attraherar varandra. Kraften är direkt proportionell mot strömstyrkan och omvänt proportionell mot kvadraten på avståndet mellan dem.

Ampére gjorde många experiment för att undersöka krafterna mellan två strömförande ledare. Med hjälp av dessa och andra experiment gjorde han följande observationer:

1. När strömriktningen ändras reverseras effekten av strömmen.

2. Effekten från en krokig ledare blir densamma  även om ledaren rätas ut.

3. Kraften på en ledare från strömmen genom en närliggande  ledare är riktad vinkelrätt mot linjen mellan ledarna.

4. Kraften mellan två ledare blir opåverkad om alla linjära dimensioner ökas proportionellt och strömstyrkan är oförändrad.

Ampére kunde inte mäta strömstyrkan, men han skissade ett mätinstrument, som han kallade galvanometer. Strax efteråt presenterade tysken Johann Schweigger den förste galvanometern. Den bestod av en magnet upphängd i centrum av en spole.

Tack vare Ampére förklarades många fenomen inom eltekniken. De förvandlades till något mätbart genom en rad experiment som bekräftade teorierna.

År 1884 bestämdes att enheten för elektrisk strömstyrka skall heta amper och betecknas med symbolen A.

 Alessandro Volta.

 Voltas stapel

  Alessandro Volta med sina utförda och noterade experiment

Alessendro Volta

Italiensk fysiker och vetenskapsman (1745-1827)

Under åren 1776-77 studerade Volta kemin i gaser. Han upptäckte metangas genom att samla gasen från träsken (träskmarker). Han utformade experiment som antändning av metangas genom en elektrisk gnista i ett slutet kärl. År 1779 utnämndes Alessandro Volta till professor i fysik vid universitetet vid Pavia. År 1800 upptäckte Volta olika galvaniska svar, som resulterade i att han uppfann Voltas stapel, ett tidigt elektriskt batteri, som producerade en hållbar ström.

Volta insåg att metallerna zink och silver (koppar) var de mest effektiva att producera elektricitet Som elektrolyt mellan metallskivorna användes kartong indränkt i saltlake.

Batteriet, som gjordes av Volta, krediterades som den första elektrolytiska cellen. Det består av två elektroder, en gjord av zink, den andra av koppar. Elektrolyten är svavelsyra eller en saltlake, blandning av salt och vatten. Batteriet består av flera element (galvaniska celler) som utgjorde en stapel, som kallas Voltas stapel.

Den först kända strömkällan av praktisk betydelse är det galvaniska elementet. I detta omvandlas kemisk energi till elektrisk. Ett galvaniskt element består av två elektroder, en gjord av zink, den andra av koppar. Elektrolyten är av svavelsyra eller utspädd saltsyra. Kopparelektroden erhåller en högre potential än zinkelektroden. I det galvaniska elementet är kopparelektroden elementets positiva pol eller anod och zinkelektroden med den lägre potentialen dess negativa pol eller katod.

Om de båda polerna förbinds med en metallisk ledare uppkommer en elektrisk ström. Den elektriska strömmen utför ett kretslopp. Strömbanan är sluten. Den, i detta fall genom kemiska reaktioner alstrade spänningen, som är en förutsättning för att en ström skall kunna erhållas, benämns strömkällans elektromotoriska kraft (förkortas EMK).

Enheten för elektromotorisk kraft elektrisk potential, är volt och är uppkallad efter Volta och betecknas med V.

Ett senare och mera stabilt element är Westonelementet. Det utvecklades och patenterades av Dr. Edvard Weston 1893. Det så kallade Weston-kadmiumelementet har en elektrolyt av kadmiumsulfat. Elementet genererar en spänning mellan 1,0188-1,0198 volt vid + 20 C°.

Weston kadmiumelementet förekommer i två olika utföranden, det mättade elementet, det s.k. normalelementet, och det omättade standardelementet. Det omättade elementet är den mest förekommande typen vid praktiska laboratoriemätningar.

Volta uppfann också den elektriska kondensatorn 1780. Han studerade elektrisk  potential (V) och laddning (Q), och upptäckte att för ett givet objekt är proportionella Q= C x V.

 Georg Simon Ohm

 Georg Simon Ohm – en man och hans lag

På bilden visas Ohms bok "Die Galvanische Kette" som fick en hel del kritik när den kom ut vilket gjorde att Ohm fick ta  avsked från universitetet där han arbetade. Först när han var 60 år blev hans teorier helt accepterade

Georg Simon Ohm

Tysk  fysiker och vetenskapsman  (1789-1854).

Ohm experimenterade med strömmar i en galvanisk krets. Till ett voltabatteri med tolv celler anslöt han en 90 meter lång järntråd. Tack vare att tråden hade så stor resistans kunde han studera vad han kallade ”den elektroskopiska kraften”, dvs. spänningen i olika punkter med en guldbladselektrometer. Han bosatte sig i Berlin där han sysselsatte sig med att summera sina teorier och skrev ner dem.

Han fastslog att:

• I en sluten galvanisk krets passerar samma mängd ström som varje tvärsnitt vinkelrätt mot strömriktningen. Detta gäller oavsett formen på ledaren.

• Ändringar i en del av kretsen påverkar hela förloppet i hela kretsen.

• Strömflödet är direkt proportionellt mot den elektromotoriska kraften och omvänd proportionellt mot kretsens resistans.

• Resistansen hos en krets är summan av resistansen hos voltabatteriet och resistansen hos ledaren, som förbinder  dess ändpunkter.

• Om batterierna är kopplade i serie är strömmen proportionell mot deras antal om den yttre resistansen är mycket stor men oberoende av antalet om yttre resistansen är liten.

Ohm klargjorde skillnaden mellan begreppen strömmängd och strömstyrka, fastslog att metallers konduktivitet minskar vid ökade temperaturer. Strömstyrkan var lika med summan av de sammanlagda elektromotoriska krafterna delat med summan av de samlade resistanserna.
På så vis formulerade Ohm den lag som idag bär hans namn: V= A x Ω

Här ställdes han dock inför det faktum att strömmen går över hela ledarens tvärsnittsarea medan man tidigare visste att statisk elektricitet bara finns på en ledares yta.

1881 fastslog den internationella elektriska kongressen att enheten för elektrisk resistans skulle heta ohm och anges med symbolen Ω

Karl Friedrich Gauss

Gauss och en gaussmeter för mätning av magnetfält

Gauss och Willhem Weber

Gauss normalfördelningskurva ”Klockkurvan”

Karl Friedrich Gauss

Tysk fysiker och matematiker (1777- 1855)

Gauss har blivit känd för sina strikta matematiska beskrivningar av det jordmagnetiska fältet. Det var på den tiden ett kommersiellt viktigt område, eftersom handeln över hela jorden höll på att öka kraftigt och därmed ökade också behovet av att kunna navigera säkert efter kompassen.

1833 publicerade Gauss sin första avhandling om styrkan av det jordmagnetiska fältet: ”Intensitas vis magneticae terrestris”. I den använde Gauss för första gången absoluta enhetsmått för styrkan av magnetfältet. Han fastslog att det jordmagnetiska  fältet kunde delas upp i två komponenter: en som härrör från jordens inre och en som hade sitt ursprung utanför jordytan.

Tillsammans med Wilhelm Weber uppförde han ett magnetiskt observatorium i Göttingen. I detta fick det bl.a inte förekomma något järn. Från detta observatorium kom en rad observationer t.ex den magnetiska deklarationen i Göttingen, de magnetiska polernas lägen och deras ändringar under åren. Observatoriet blev centrum för en sammanslutning kallad ”Magnetischer Verein” grundat av professorerna Gauss och Weber.

Där utvecklades även magnetometern, som består av en magnet som hålls upp av två trådar och där dess vridning mäts med hjälp av en spegel på magneten och ljusstråle. Med dessa magnetometrar mäter man det jordmagnetiska fältets horisontella komposant. Med dagens magnetometer mäter man magnetfältets styrka och riktning vid en viss punkt.

Gauss var den som gjorde absoluta mätningar på magnetiska fält och Weber kom att bli den som gjorde det på elektriska fält. Weber införde absoluta enheter på ström och elektromotorisk kraft och kunde, tack vare Ohms lag, även bestämma enheten för resistans.

Gauss var en exakt matematiker, som tillämpade sina matematiska modeller på fysikaliska förlopp. Han publicerade bara helt avslutade undersökningar och han gav inte många mellanled eller ledtrådar till hur han kommit fram till sina resultat.

Ett annat hjälpmedel för statistiker, som matematikern Gauss uppfann, är normalfördelningen, eller den gaussiska ”klockkurvan”. Normalfördelningen är en viktig fördelning inom sannolikhetsteori och statistik. En normalfördelad variabel antar ofta värden som ligger nära medelvärdet och mycket sällan värden som har en stor avvikelse.

Gauss lag definieras som att flödet Φ genom area A vinkelrät mot elektriska fältet E är Φ=E x A

För Gauss insatser på det magnetiska området beslöt Internationella Elektriska Kongressen att enheten för magnetisk fältstyrka skulle heta gauss (G).

Heliotrop

Heliotrop är ett instrument som använder en spegel att reflektera solljus över stora avstånd för att markera positioner.

Heliotrop är en uppfinning av Karl Friedrich Gauss. Den används vid geodetiska mätningar till att låta en inriktad avlägsen terrester punkt genom reflekterat solljus framstå som ett fixstjärnliknande föremål. Den består av en liten, kring två axlar (en horisontell och en vertikal), vridbar spegel som i mitten har en cirkelrund öppning och ett ca 0,5 meter därifrån befintligt rör med ett trådkors. Man inriktar observationen genom hålet i spegeln och trådkorset i röret och vrider därefter spegeln omkring dess båda axlar, till dess att det från det ensamma reflekterande solljuset upplyser trådkorset. Med en liten spegel kan man på detta sätt göra mycket avlägsna, annars inte igenkännbara punkter, skarpt synliga.

(Geodetiska mätningar är inmätning av punkter och deras läge i plan, höjd eller båda delarna.)

Sammanställt av: Göran Gustafsson AEF. 

Källor: Tidningen Elteknik med aktuell elektronik och Wikipedia.

Senast uppdaterad: 2012-05-21