olika "sorters" ström

Vilka olika sorters ström finns det?

Elektrisk ström är laddningar som flyttar sig i ett elektrostatiskt fält.
Massa påverkas av gravitationsfält, man kanske kan tala om gravitationsström när saker faller?
Men finns det fler krafter som kan orsaka ström när det som påverkas har tillförts potential genom att föras mot fältriktningen?

Låt mig först gratulera Kickan2 till en intressant frågeställning.

Flödet (eng. flux), inom transportteori, är mängden av en kvantitet som färdas genom en enhetsarea per enhetstid. En ström är flödet integrerat över hela den relevanta tvärsnittsarean.

Flöde används i många delar av fysik:

värmeflöde
laddningsflöde (strömtäthet)
partikelflöde (ex. havsströmmar och diffusion)
spinflöde (flödet av totalt spin i ex. en spin-ventil)
sannolikhetsflöde (flödet av sannolikhet inom kvantmekaniken)
rörelsemängdsflöde
energiflöde (ex. som flödet av energi från en lampa)
osv.

Dessa flöden kan i sin tur drivas av olika gradienter, som temperaturskillnader, gravitationspotentialskillnader, kemiska potentialskillnader, osv.

Alla dessa flöden motsvaras av en ström om vi definierar den totala tvärsnittsarean vi betraktar.

Visst kan du tala om en gravitationsström, eller snarare en partikelström när saker faller. Det är ju vad som händer i ex. en flod. Däremot brukar ju ordet ström främst användas när de enskilda partklarna som utgör strömmen inte är intressanta. För en dator som faller från ett bord blir konceptet ström lite meningslöst. Tycker jag.

Svaret på din sista fråga är ja och jag nämnde ju några potentialskillnader ovan. Elektrisk potential, gravitationspotential, kemisk potential, tryckskillnader, temperaturskillnader, etc.

Jag var helt inne på kraftfält, men så är det förstås, att gradienter i sig driver flöden.

Vad är spin? (och spin-ventil?)

Edit: jag undrar ju fortfarande om det finns fler krafter än gravitation och coulombkraft, men har svårt att definiera vad jag menar med "kraft" i detta fall

Spinn är en fundamental egenskap för elementarpartiklar som elektroner. Du kanske kommer ihåg att en partikel som roterar kring ett centrum har ett rörelsemängdsmoment kring detta centrum som definieras av L = r x p där r är ortsvektorn och p är rörelsemängden, p = mv. Spinn är ett inbyggt rörelsemängdsmoment för partikeln. Det är som att elektronen roterar kring sin egen axel, därav namnet spinn, men det är egentligen en felaktig bild eftersom elektronen inte har någon struktur och därför inte kan rotera. Precis som en roterande laddning ger spinnet ett magnetiskt moment som är direkt proportionellt mot spinnet.

Elektroner är spin 1/2-partiklar vilket betyder att rörelsemängdsmomentet associerat med spinnet kan ha värdena -hbar/2 och hbar/2 (hbar är Plancks konstant). Neutroner är spinn 1-partiklar vilket betyder att rörelsemängdsmomentet associerat med spinnet kan ha värdena -hbar, 0 och hbar. Huruvida en partikel har heltalsspinn (som neutronen) eller halvtalsspinn (som elektronen) avgör om vågfunktionen för två växelverkande partiklar är symmetrisk eller antisymmetrisk. Partiklar med halvtalsspinn kallas fermioner och har antisymmetriska vågfunktioner och de med heltalsspinn och symmetriska vågfunktioner kallas bosoner. Fermioner och bosoner beter sig helt olika. Fermioner vill inte befinna sig i samma kvantmekaniska tillstånd medan bosoner inte har något emot detta. Elektronerna i en metall får exempelvis mycket hög energi genom att de inte alla kan vara i de lägre energitillståndet. Under vissa omständigheter kan en del av elektronerna bilda par med motsatt spinn så att den kombinerade partikeln har spinn 0. Dessa partiklar är då bosoner och kan kollapsa ihop till ett lägre energitillstånd, vi har ett Bose-Einstein kondensat, och detta är vad som händer i supraledare.

Spinnet för elektroner ger bl a upphov till ferromagnetism i vissa material (det som vanligtvis kallas magnetism). I ex. järn så rör sig en del elektroner ganska fritt, de är nästan som ledningselektroner, men dessa elektroner har alla en speciell spinnriktning. I icke-ferromagnetiska metaller så pekar spinnen åt alla möjliga håll och man får ingen resulterande magnetisering. Om man nu tar två magnetiska järnbitar där man kan ändra magnetiseringen på minst en av dem och sätter ihop dem med en tunn isolator mellan så har man en spinn-ventil. Elektroner från sida A kan tunnla genom isolatorn in i B, men tunnelströmmen beror på antalet lediga elektrontillstånd i B. Om A är magnetiserad "upp" och B är magnetiserad "ned" så kommer massor av upp-elektroner och vill hoppa in i B där det mest finns platser för ned-elektroner. Strömmen blir låg. Om riktningen på magnetiseringen är lika för A och B så blir tunnelströmmen större. Detta kallas för en magnetisk tunnelövergång eller en spin-ventil.

Ovanstående princip används i MRAM, magnetisk RAM, där informationen inte lagras i en kondensator som måste laddas upp (som i SRAM/DRAM) utan i magnetiseringsriktningen för ett av de magnetiska lagren. Man läser informationen genom att mäta storleken på tunnelströmmen (resistansen) och man ändrar strömmen genom att låta en närliggande strömförande slinga ändra magnetiseringen i det rörliga lagret genom Amperes lag. Denna minnestyp är alltså icke-volatil - minnet försvinner inte när man stänger av strömmen. Frågan är nu om man kan göra dem lika snabba, små och billiga som SRAM/DRAM.

Man skulle kunna skriva om spinn och spinn-ventiler hela natten!

http://en.wikipedia.org/wiki/MRAM
http://en.wikipedia.org/wiki/Spin_%28physics%29
http://en.wikipedia.org/wiki/Spintronics
http://en.wikipedia.org/wiki/Pauli_principle

På det mest fundamentala planet finns det fyra krafter:

• Elektromagnetism - mycket stark, verkar även på långa avstånd, syns sällan i vardagen eftersom makroskopiska objekt ofta är neutrala
• Gravitation - svag, verkar på långt avstånd, till skillnad från elektromagnetiska kraften är den additiativ så denna kraft är viktigt på mycket stora skalor
• Starka kärnkraften - håller ihop elementarpartiklar (och atomkärnor på ett indirekt sätt), mycket stark men verksam på mycket små avstånd
• Svaga kärnkraften - är bland annat ansvarig för betasönderfall (radioaktivitet), mycket svagare än starka kärnkraften

Lite mer informellt kan ju alla gradienter jag nämnde ovan ses som krafter. En "temperaturkraft" ser till att varma partiklar går i motsatta temperaturgradientens riktning, "F = - dT/dr".

Kunde inte koppla spinn ihop det med flöde och ventil... tack för förklaringen. Hade aldrig ens hört talas om MRAM.

Kanske du får göra också.

Är kärnkraften också gravitation? Eller, konstigt formulerat, men visst hänger de ihop på något sätt.

Nej, absolut inte!

Ja, definitivt!

I våra nuvarande fysikaliska teorier så behandlas gravitation i en teori, allmänna relativitetsteorin, och de andra krafterna inom kvantmekaniken. Vi letar fortfarande efter en teori som kan kombinera gravitation och de andra krafterna. Denna teori kallas för "kvantgravitation".

Anledningen till att jag svarar "ja" är att man tror att de olika krafterna blir en och samma kraft vid högre energier. Hittills har man lyckats visa att den elektromagnetiska kraften och den svaga kärnkraften kan kombineras till den elektrosvaga kraften vid energier ovan ca 100 GeV. Existensen av den elektrosvaga kraften har visats experimentellt och är inte bara en matematisk spetsfundighet. Nästa mål är att kombinera den elektrosvaga kraften med den starka kärnkraften, vilket görs inom GUT - the grand unification theory (blygsamt va). Dessa krafter bör visa sig vara samma kraft över ca 10^14 GeV. Det finns en mängd möjliga modeller för att genomföra detta "enande" men ingen av dem är ännu tillfredsställande (och vi har inga experimentella bevis).

Det slutgiltiga måler är sedan att lyckas kombinera dessa tre med gravitationen. Denna "superkraft" bör yttra sig vid energier på ca 10^19 GeV. Än så länge är vi mycket långt (anser jag) från en sådan teori.

För att få perspektiv på saken kan vi titta på Big Bang och hur krafterna borde separeras. Under de första ~ 10^(-50) sekunderna har vi bara en kraft men sedan bryter sig gravitationen loss, den starka kärnkraften bryter sig ut runt 10^(-35) s efter smällen, och den elektrosvaga kraften är ett par ända till ca 10^(-12) s efter Big Bang.

Men vilka potentialer är meningsfulla att skapa för att lagra energi som både skall kunna överföras och återfås? Elektrisk och gravitationelll potential är fortfarande de enda för där kan vi återfå energin nästan fullt ut. Värme och rörelsemängdsmoment tappar snabbt pga värmeförluser. Är det en slump att det är"grundkrafter" som funkar för detta ändamål?

Kom på att det gäller för kärnkraften också, alltså alla grundkrafterna.

Eller.. kan spin-potential och sannolikhetspotential (som jag inte kan göra klart för mig vad det vore) återvinnas som energi?

Som du säger har du kommit fram till att alla "grundpotentialerna" kan användas för att lagra energi.

Det sägs att ett tecken på storhet är att erkänna sin okunskap. Jag har funderat på om man kan lagra energi i spinn på något sätt. Alla sätt jag kommit fram till har varit lite märkliga. Jag får fortsätta fundera. Du kan ju lagra energi genom att föra två magneter mot varandra i orientation nord-nord men då är det snarare den klassiska elektromagnetiska energin du utvinner när du släpper magneterna, eftersom spinnet inte flippas.

Matematisk syn på olika sorters ström.

Jag betecknar storhetstäthet med ρ. Olyckligtvis brukar samma symbol användas både för elektricitet resp massa. Vilket som avses framgår dock nedan.

Storhetstätheten ρ anger hur storheten ifråga är fördelad i rummet. I allmänhet är ρ inte en konstant utan är en funktion av rumskoordinaterna.

En storhet kan vara t.ex. laddning (ofta betecknad Q), enhet amperesekund, As. Motsvarande storhetstäthet är


Enheten blir elektrisk laddning per volymsenhet, dvs As/m^3.

Motsvarande gäller för materiemängd; massa (M), enhet kg, med motsvarande

, enhet kg/m^3.

I det allmänna fallet relateras storhet med storhetstäthet med volymsintegraler enligt:



När man integrerar något med en volymsintegral så multipliceras enheten med volym, dvs med m³

För kondenserade faser utan alltför stora yttre pålagda kraftpåkänningar är oftast masstätheten konstant, anges som ämnets densitet. För vatten som bekant 1 kg/dm³. Sak man vara petigare så är densiteten för ämnen i allmänhet både tryck- och temperaturberoende. För kondenserade faser är tryckberoendet mycket mindre än för gaser. Dock har detta viss praktisk betydelse, t.ex. i solkurvor, speciellt farligt för järnvägsräls.

Om inget annat uttryckligen anges, så kan man utgå från att alla storheter och –tätheter är funktioner av rumskoordinaterna, ibland också av tiden. Och som om det inte är klyddigt nog ändå, även av tryck och temperatur.

Ström är en transport av storhet.

Anta att man på något sätt sätter fart på laddningar/massa, så att de rör sig med hastigheten v. Obs att v är en vektorvärd storhet (markeras med bold). Man betecknar då strömtätheten med vektorn

j = ρv

Enhet för j är: (As/m³)*(m/s) = As/(m²s) = A/m², dvs laddning per ytenhet och tidsenhet, vilket är lika med ström per tidsenhet.

Benämningen strömtäthet avslöjar att det snart blir värre.

Anta att vi har en plan yta S med area A(S), samt att S är vinkelrät mot vektorn j.
Strömmen I genom S ges av: I = |j|A .
Enhet för I blir (As/m²s)* m² = As/s = A, dvs laddning per tidsenhet = ström.

Men det är i allmänhet alldeles för snäva inskränkningar på ytan S och vektorfältet j. I allmänhet kan ytan S se bra mycket jävligare ut än ett enkelt plan. Likaså är i allmänhet j en funktion av x,y,z.

I det allmänna fallet är S en yta, vilken antas vara någorlunda vettig. Dvs vi antar utan vidare att ytans parametrisering är tillräckligt kontinuerligt deriverbar, ytan är orienterbar (inga Möbiusband!), osv.
Då kan vi tilldela S en normalriktning överallt (går inte på icke orienterbar yta). Kalla enhetsnormalen i en punkt på S för N.
Enhetsnormalen är dimensionslös, dvs har enheten 1.

Det som är relevant är att studera den punktvisa transporten av laddningar (resp massa) genom S, vinkelrät mot S.
Flödestätheten genom S (i en punkt på S vinkelrät mot S) ges av skalärprodukten j•N.
Eftersom jag är så förtjust i matematikernas beteckningar kör jag helt fräckt med beteckningen <j,N> för skalärprodukten.

Enheten är samma som för j.

Det totala flödet genom S ges av en integral av skalärprodukten integrerat över hela ytan, en ytintegral.

Flödet genom S betecknas ofta Φ(s). I det allmänna fallet ges flödet av ytintegralen


Fysikerna är förtjusta i att beteckna integralen enligt
Ett speciellt fall, särskilt viktigt i härledningen av Maxwells ekvationer, är när S är en sluten yta. I det fallet är S randytan till en volym V, vilket matematikerna betecknar S = ∂V.

Fysikerna brukar istället skriva integralen över en sluten yta som


(om inte tecknet syns i browsern: en dubbelintegral med ring ovanpå integraltecknen)

Strömmen av laddningar genom S är definitionsmässigt sak samma som flödet av elektriska laddningar genom S.

(hoppas jag inte blir hudflängd av fysikerna nu)