elektrisitet
Store norske leksikon,Realfag,Fysikk,Elektromagnetisme
Elektrisitet er fysiske fenomener som er knyttet til negativt eller positivt ladede partikler i ro eller i bevegelse.
I dagligtale brukes av og til ordet elektrisitet når det egentlig er snakk om elektrisk strøm (ladninger i bevegelse), for eksempel i setninger som «denne maskinen drives av elektrisitet».Læren om elektrisitet i ro, statisk elektrisitet, kalles elektrostatikk, mens læren om elektrisitet i bevegelse, elektrisk strøm, kalles elektrodynamikk. Elektrostatikk Elektrostatikken er læren om elektriske ladninger i ro. Det finnes positive og negative elektriske ladninger, og stoffer med omvendte ladninger tiltrekker hverandre. Atomteorien kan forklare fenomenet; kjernen i atomet består av positive ladninger (protoner), mens elektronene omkranser kjernen. Et overskudd av elektroner gir negativt ladet stoff, mens et underskudd av elektroner gir positiv ladning.Coulombs lov fra 1785 beskriver kraften mellom elektriske ladninger. Loven er dannet etter forbilde av Newtons gravitasjonslov og sier at kraften F mellom to elektriske ladninger er proporsjonal med produktet av ladningene og omvendt proporsjonal med kvadratet av avstanden mellom dem:\[F = \frac{1}{4\pi\varepsilon} \cdot \frac{q_1 \cdot q_2}{r^2}\]Her er q1 og q2 er ladningene, r er avstanden mellom dem og ε er permittiviteten for det stoffet som befinner seg mellom ladningene.På grunnlag av Coulombs lov utviklet G. Green og J. C. Gauss den matematiske teorien for elektrostatikk, som i det vesentlige er teorien om elektrisk potensial. Les mer om elektrisk ladning, elektrisk spenning, og elektrisk felt. Elektrodynamikk Elektrodynamikken omhandler læren om elektrisk strøm, det vil si elektrisk ladning i bevegelse. Strømmen oppstår når det er en elektrisk spenning mellom forskjellige punkter i en leder. Motstanden (resistansen) i en elektrisk leder ble beskrevet av Georg S. Ohm. James Joule fant sammenhengen mellom elektrisk strøm og elektrisk energi. Les mer om Ohms lov og elektromagnetisme. Historisk utvikling av teoriene Elektrostatiske fenomener var kjent allerede i oldtiden. Blant annet påviste Thales fra Milet (ca. 600 fvt.) at rav etter gnidning kunne tiltrekke lette gjenstander. Disse observasjonene ble ikke utviklet videre før Elizabeth 1s livlege William Gilbert beskrev fenomenet i sitt verk De Magnete (1600). Gilbert fant at noen stoffer, for eksempel diamant, safir, harpiks og svovel, blir elektrisk ladd når man gnir dem, mens andre, for eksempel metaller, ikke blir det. Denne oppdelingen faller sammen med den nåværende oppdelingen i isolatorer og ledere.Otto von Guericke i viste i 1671 at ladning kan overføres fra ett legeme til et annet når de er i kontakt. Han fant også at det ikke bare er elektrisk tiltrekning, men også frastøtning. Von Guericke konstruerte den første maskinen til å oppnå ladning i større mengder (elektrisermaskin). Charles Dufay oppdaget i 1733 at det var to slag ladning; samme slags ladning frastøter hverandre, mens det ene slaget tiltrekker det andre. Omtrent på samme tid fant Stephen Gray at ladning kan ledes gjennom visse stoffer fra et legeme til et annet, og han fant forskjellen på gode og dårlige ledere.Benjamin Franklin påviste at lynet er en elektrisk gnist og foreslo i 1747 en teori for elektrisitet som vant liten tilslutning. Han innførte betegnelsene positiv og negativ ladning, i betydningen overskudd på og mangel på ladning. Hans hypotese om bare en slags ladning (unitariske teori) ble trengt tilbake for den dualistiske teori, utformet av Robert Symmer (1759) i samsvar med Dufay. Michael Faraday sluttet av lovene for elektrolyse at ladning i ledende løsninger er bundet til atomene i bestemte mengder, som en slags elektrisitetsatomer (elektroner).I 1767 fant Joseph Priestley, og uavhengig av ham Charles-Augustin de Coulomb i 1785, loven om hvordan den elektriske kraften mellom to ladde legemer avhenger av avstanden mellom dem. Coulomb beviste loven ved hjelp av ytterst primitive og unøyaktige forsøk, men man har senere vist at evt. avvik fra loven må være minimale. Joseph Louis Lagrange, Pierre Simon de Laplace, Carl Friedrich Gauss, G. Green med flere utviklet ut fra Coulombs lov teorien for det elektrostatiske potensialet. Elektrostatikken er senere ikke blitt vesentlig forandret, bortsett fra modifikasjoner som følger av relativitetsteorien.Det skjedde derimot en utvikling i forståelsen av elektrisk ladning. I 1895 foreslo Hendrik Antoon Lorentz en teori om elektriske elementærladninger eller minsteladninger som han kalte elektroner. I 1898 påviste Wilhelm Wien ved studiet av kanalstråler at de bestod av positivt ladde partikler, og i 1919 påviste Ernest Rutherford at det ble frigjort hydrogenkjerner ved kjernereaksjoner. Han antok at disse partiklene var bærere av den positive elementærladningen, og foreslo i 1920 at de skulle kalles protoner. Siden da er det påvist en rekke partikler, dels med positiv, dels med negativ ladning av samme størrelse som elektronets og protonets ladning. En ny æra begynte da den italienske legen Luigi Galvani i 1780 fant ut at musklene i flådde froskelår trakk seg sammen når han tok gnister av en elektrisermaskin i nærheten. Han mente at virkningene skyldtes en særlig, dyrisk egenskap som ble kalt galvanisk elektrisitet. Den riktige forklaringen ble funnet i 1800 av den italienske fysikeren Alessandro Volta. Han fant at to forskjellige slags metaller blir ladde når de begge berører en ledende væske. Han konstruerte det første galvaniske elementet og satte elementer sammen til batteri, såkalt voltasøyle. Den videre utviklingen av galvaniske elementer har ført til dagens tørrelementer og elektriske akkumulatorer. Man mente lenge at elektrisiteten som man fikk av galvaniske elementer, var noe annet enn den man fikk med elektrisermaskiner. Den videre utviklingen viste at dette ikke var riktig, men at den galvaniske strømmen, som man kalte den, er ladning i bevegelse, altså en elektrisk strøm.I 1821 offentliggjorde den danske fysikeren Hans Christian Ørsted sin oppdagelse av strømmens virkning på en magnetnål. Samme år fant Jean-Baptiste Biot og Félix Savart loven for kraftvirkningen mellom to elektriske strømmer, og i det følgende året kom André Marie Ampère med den første av de avhandlingene som dannet grunnlaget for elektrodynamikken. I 1822 oppdaget Thomas Johann Seebeck termoelektrisiteten, og i 1826 fant Georg Simon Ohm motstandsloven, senere kalt Ohms lov. Michael Faradays oppdagelse av elektromagnetisk induksjon i 1831 avsluttet perioden.Faraday begynte å eksperimentere med elektriske kraftvirkninger i isolatorer og fant at kraften mellom elektriske ladninger var avhengig av stoffet mellom ladningene. Disse forsøkene brakte ham i 1851 til en teori som gikk ut på at elektriske og magnetiske krefter er virkninger i eteren, som han antok fylte rommet mellom ladningene. Det hypotetiske stoffet, eteren, lot seg ikke påvise, og hans samtid stilte seg avvisende overfor ideene. Faradays teori ble imidlertid tatt opp av James Clark Maxwell i 1864 og satt i matematisk form. Ifølge Maxwells teori trenger elektriske og magnetiske kraftvirkninger tid for å nå frem. Dette ble verifisert av Heinrich Hertz i 1888, da det lyktes ham å påvise elektromagnetiske bølger. Etter eldre teorier ble elektrisitet oppfattet som en eller to vektløse væsker (imponderable fluida), altså som stoff. Maxwell beskriver derimot kraftvirkningene som en følge av tilstanden i rommet mellom ladningene, det elektromagnetiske feltet.I strid med Maxwells opprinnelige teori postulerte Max Planck på grunnlag av sine studier av elektromagnetisk stråling fra svarte legemer, at strålingen ble sendt ut i avgrensede mengder, kvanter. Kvantehypotesen ble videre bekreftet ved Niels Bohrs atommodell og ledet til formuleringene om kvantemekanikk. Kvante-elektrodynamikken er en syntese av kvantemekanikken og Maxwells feltteori (se kvantefysikk). Les mer om Maxwells ligninger. Navneforklaring Det nevnes i oldtidens litteratur at rav kan tiltrekke lette gjenstander, for eksempel tørre strå, når man gnir det. Betegnelsen «elektrisk», som kom på 1600-tallet, betyr egentlig «ravaktig». Ordet elektrisitet kom senere og var opprinnelig navnet på tilstanden et elektrisk legeme er i (som i dag heter elektrisk ladning). Skadevirkninger Det kan oppstå skader når det går elektrisk strøm gjennom kroppen. Omfanget av skaden er avhengig av en rekke forhold. Les mer om elektrisk skade og elektrisk støt i Store medisinske leksikon. Les mer i Store norske leksikon måleenheter for elektrisitet elektriske måleinstrumenter elektrisitetsforsyning elektrisk strøm lyn elektromagnetisme