Elektromagnetisme: fra Ørsteds kompasnål til din smartphone

Det er foråret 1820, og H.C. Ørsted er midt i en forelæsning på Københavns Universitet. Han sender en kraftig strøm gennem en platintråd, og i det øjeblik strømmen løber, sker noget uventet: kompasnålen på bordet drejer sig. Slukker han for strømmen, drejer nålen tilbage. Tænder han igen, drejer den igen. Ørsted har netop opdaget, at elektricitet og magnetisme ikke er to adskilte fænomener, men to sider af det samme.

I dag er elektromagnetisme fundamentet under næsten al den teknologi, du bruger til daglig. Vindmøller producerer strøm via elektromagnetisk induktion. Din telefonoplader er en transformer baseret på elektromagnetisme. MR-scanneren, induktionskomfuret og hele det trådløse internet ville ikke eksistere uden det fænomen, som Ørsted opdagede med en simpel kompasnål. Forstår du elektromagnetisme, forstår du, hvordan verden fungerer.

Hvad er elektromagnetisme?

Elektromagnetisme er én af de fire fundamentale naturkræfter i naturen. De tre øvrige er tyngdekraften og de to kernekræfter. Det bemærkelsesværdige ved elektromagnetismen er, at den styrer næsten alle kræfter, vi oplever til daglig, undtagen tyngdekraften. Når du holder en kop, er det elektromagnetiske kræfter mellem atomerne i materialet, der holder det sammen. Lys, der rammer dit øje, er en elektromagnetisk bølge. Og den elektriske strøm, som Ohms lov beskriver sammenhængen i, er drevet af elektromagnetiske kræfter.

H.C. Ørsted og opdagelsen i 1820

Ørsted var ikke den første, der spekulerede på en sammenhæng mellem elektricitet og magnetisme, men han var den første, der beviste den eksperimentelt og publicerede resultaterne. Hans opdagelse i 1820 beskrives i lex.dk's artikel om elektromagnetisme som et af de mest grundlæggende gennembrud i den klassiske fysik. Ørsted sendte en elektrisk strøm gennem en ledning placeret parallelt med en kompasnål og observerede, at nålen drejede vinkelret på ledningen. Det var beviset: en elektrisk strøm skaber et magnetfelt.

Ørsteds opdagelse satte gang i en intensiv forskning. Franskmanden André-Marie Ampère udviklede kort efter den matematiske beskrivelse af kraften mellem to parallelle strømførende ledere. Faraday viste i 1831, at man kunne gå den anden vej og bruge et magnetfelt til at producere en elektrisk strøm. Maxwell samlede det hele i fire ligninger, der i dag er grundlaget for al moderne elektromagnetisk teori og teknologi.

Magnetfelt fra en strømførende ledning

Tag en simpel strømledning. Rundt om den dannes et magnetfelt med feltlinjer formet som koncentriske cirkler, ligesom ringe på vandet. Jo tættere på ledningen, jo stærkere er feltet. Jo mere strøm der løber igennem, jo stærkere er det. Disse to relationer er indeholdt i formlen for magnetfeltet fra en lang, ret leder.

Lad os sætte tal på. En ledning fører en strøm på \( I = 10 \text{ A} \). Du måler magnetfeltet i en afstand på \( r = 0{,}02 \text{ m} \) fra ledningen:

0,1 mT er faktisk sammenlignelig med Jordens magnetfelt, der er på ca. 0,05 mT. Magnetfeltet falder med \( 1/r \): dobler du afstanden, halveres feltstyrken. Det fremgår direkte af formlen. Grafen nedenfor viser dette invers-proportionale forhold.

Elektromagneten: en magnet du kan tænde og slukke

En køleskabsmagnet er magnetisk altid, uanset om du vil det eller ej. En elektromagnet er anderledes: den er kun magnetisk, når der løber strøm igennem den. Det lyder simpelt, men det er præcis den egenskab, der gør elektromagneten uundværlig i industri, medicin og hverdagselektronik.

1. 1

   Vikl en ledning om en jernkerne

   Tag en isoleret kobbertråd og vikl den tæt rundt om et stykke blødt jern. Hver omgang tråd kaldes en vinding.

2. 2

   Tilslut en strømkilde

   Forbind trådens to ender til en strømforsyning. Strøm begynder at løbe gennem alle vindingerne.

3. 3

   Magnetfelterne forstærker hinanden

   Hver vinding skaber sit eget lille magnetfelt. Fordi alle vindingerne er parallelt orienterede, lægger feltlinjerne sig i samme retning og forstærker hinanden.

4. 4

   Jernkernen forstærker feltet yderligere

   Jern er ferromagnetisk: det lader sig let magnetisere og forstærker det ydre felt mange gange.

5. 5

   Sluk for strømmen, og magneten forsvinder

   Afbryder du strømmen, holder jernkernen op med at være magnetisk næsten øjeblikkeligt. Det er den afgørende forskel fra en permanent magnet.

Vil du gøre elektromagneten stærkere? Du har tre muligheder: øg strømstyrken \( I \), øg antallet af vindinger per meter \( n \), eller brug et kernemateriale med højere magnetisk permeabilitet. Alle tre faktorer fremgår direkte af formlen. Der er dog en øvre grænse: jernkernen når til magnetisk mætning, og herefter vokser feltet ikke yderligere.

Elektromagnetisk induktion: kan en magnet skabe strøm?

Ørsted viste, at strøm skaber et magnetfelt. Men hvad med den omvendte situation: kan et magnetfelt skabe en strøm? Det var præcis det spørgsmål, Michael Faraday stillede sig selv i 1831, og svaret var ja. Men med en vigtig betingelse.

Faraday opdagede, at en magnet, der ligger stille inde i en spole, slet ikke producerer nogen strøm. Det er først, når magnetfeltet igennem spolen ændrer sig, at en strøm induceres. Bevæger du magneten ind og ud af spolen, skifter magnetfeltet konstant, og spolen genererer en strøm. Jo hurtigere du bevæger magneten, jo større strøm. Jo stærkere magnet, jo større strøm. Jo flere vindinger spolen har, jo større spænding. Præcis dette princip driver alle elektriske generatorer.

Den blå kurve viser den magnetiske flux igennem spolen over tid. Den røde kurve er den inducerede EMF. EMF'en er størst, når fluxen ændrer sig hurtigst, altså ved nulpunkterne. Og EMF er nul, når fluxen er på sit maksimum eller minimum. Det er Faradays induktionslov i grafisk form.

Faradays induktionslov

Faraday formulerede sin opdagelse matematisk: den inducerede spænding er proportional med, hvor hurtigt den magnetiske flux igennem spolen ændrer sig, og med antallet af vindinger. En spole med 100 vindinger inducerer ti gange så stor en spænding som en spole med 10 vindinger, alt andet lige.

Lenz' lov: retningen af den inducerede strøm

Minustegnet i Faradays lov er ikke tilfældigt. Det afspejler Lenz' lov, opkaldt efter den estiske fysiker Heinrich Lenz. Lenz' lov siger: den inducerede strøm løber altid i en retning, der modvirker den ændring i magnetfeltet, som fremkaldte den. Spolen kæmper imod forandringen.

Et konkret eksempel: skubber du en nordpol ind mod en spole, reagerer spolen ved at skabe sit eget magnetfelt med nordpolen vendt imod din magnet. Du kan mærke en modstand, når du skubber magneten ind. Den kraft, du bruger, omdannes til elektrisk energi. Det er energibevarelse i praksis.

Elektromagnetisme i hverdagen

Næste gang du tænder for kogepladen på et induktionskomfur, er det Faradays induktionslov i aktion. En spole under kogepladen skaber et skiftende magnetfelt, der inducerer hvirvelstrømme direkte i grydebunden. Det er de strømme, der varmer gryden. Kogepladen selv forbliver kold, fordi den ikke er af et elektrisk ledende materiale.

En vindmølle er en generator i stor skala. Rotorbladene drejer en aksel, der drejer en magnet inde i en stor spole. Den konstante rotation ændrer magnetfeltet igennem spolen, og det inducerer en vekselstrøm. En cykeldynamo virker på nøjagtig samme måde, blot i langt mindre skala. Begge udnytter Faradays opdagelse fra 1831.

En transformer, fx i din telefonoplader, udnytter gensidig induktion: en vekselstrøm i den primære spole skaber et skiftende magnetfelt, der inducerer en strøm i den sekundære spole. Afhængigt af vindingsforholdet kan en transformer sætte spændingen op eller ned. Det er denne mekanisme, der som beskrevet i lex.dk's artikel om elektromagnetisme tillader os at transportere elektricitet over lange afstande ved høj spænding og derefter transformere den ned til 230 V i dit stikket.

Maxwell forudsagde i 1864, at lys er en elektromagnetisk bølge. Det hele elektromagnetiske spektrum, fra radiobølger og mikrobølger over infrarødt og synligt lys til ultraviolet, røntgen og gammastråling, er elektromagnetiske bølger. De adskiller sig alene ved frekvens og bølgelængde. Din WiFi-router, din mikrobølgeovn og røntgenscanneren i lufthavnen bruger alle elektromagnetiske bølger. Kernekræfterne, som styrer fænomener som radioaktivt henfald og halveringstid, er derimod en helt anden naturkraft.

Kæmper du med Faradays lov og induktionsberegninger? Hos Toptutors fysiklektiehjælp finder du certificerede undervisere med 4,7 stjerner på Trustpilot. Gratis prøvetime, ingen binding, fra 229 kr./time.