Elektromagnetisme

Nedenfor er der vist billeder fra en række eksperimenter, som viser pointer indenfor elektromagnetismen. Du kan i de fleste tilfælde få et større version af et billede frem ved at dobbeltklikke på det.

 

Magnetfelter

Man kan studere B-feltet fra forskellige magneter ved at anbringe magneten over et lag af jernfilspåner på et bord, eller som her nogle små tynde jernstænger indesluttet i plastikrum. Jernstængerne kan her betragtes som tangenter til B-feltet!

Figur 1    Figur 2

 

Ørsteds forsøg og magnetfeltet fra en leder

 Figur 3

Eller med en almidelig kompasnål:

 Figur 4

H. C. Ørsted påviste i 1820, at en strømførende ledning skaber et magnetfelt. Det kan efterprøves ved en opstilling som på figur 3. En strøm på 2.1 A sendes igennem en modstand på ca. 2 ohm. Husk beskyttelsesmodstanden, så der ikke er kortslutning! Når ledningen føres fra siden hen imod en kompasnål, vil denne ændre retning. Dette indikerer, at der er et magnetfelt omkring ledningen. I dag ved vi, at magnetfeltlinjerne danner koncentriske cirkler rundt om lederen. B-feltet får en størrelse som angivet på figuren nedenfor.

Retningen af magnetfeltet kan findes ved hjælp af tommelfingerreglen, som går ud på, at man tager omkring lederen med højre hånd, så tommelfingeren peger i strømmens retning. Så vil magnetfeltlinjerne cirkulere i de øvrige fire fingers retning.

 

Kraften på en leder i et magnetfelt

Figur 5

 

Figur 6

Figur 5 viser den såkaldte Pohls gynge. En leder er anbragt i et magnetgab, holdt oppe af to ledninger. Der er ingen strøm igennem lederen. Derfor hænger den lige ned. På figur 6 tændes der for strømmen, hvorved vi ser, at lederen bevæger sig et stykke ud fra gabet. Vi ser det mere tydeligt i close-up billederne nedenfor.

Fænomenet forklares ved, at der udover tyngdekraften og snorkraften opstår en kraft, der i dette tilfælde går vandret udfra gabet. Det er følgende formel, som er i spil:

Formlen omtales nogle steder som Laplace' lov. Magnetfeltet B går fra den røde magnetiske nordpol N til den hvide magnetiske sydpol S. Strømmen går langs lederen ind i billedet. Derfor vil kraften gå ud af gabet mod venstre.

 

Princippet i et drejespoleinstrument

Figur 9

 

Figur 10

Apparatet ovenfor viser princippet i et drejespoleinstrument. På figur 10 er en flad spole anbragt midt i gabet i en hestesko-magnet. Der er endnu ikke tændt for strømmen. Det sker så på figur 11. Vi ser at spolen og den påmonterede viser drejer. Jo større strøm, jo mere vil viseren dreje sig. Dette fænomen blev tidligere brugt i fysikinstrumenter: Alt efter hvor meget viseren drejede sig, jo større strøm. På en skala anbragt bag viseren kunne man "oversætte" viserens position til en strømstyrke. For at forstå, hvorfor spolen overhovedet drejer, når der sættes strøm til, kan man overbevise sig om via nedenstående figur:

 

 

Situationen er set oppefra. Magnetfeltlinjerne er vandrette og går mod højre. Strømmen går fra A til B til C til D ... i den i begyndelsen vandrette kreds. Ved at kigge bruge formlen fra forrige afsnit (Laplace lov), kan vi konkludere, at der på lederstyket AB vil være en nedadgående kraft, mens der på stykket CD vil være en opadgående kraft. Lederstykkerne parallelt med B-feltet bliver ikke påvirket af magnetfeltet, da krydsproduktet giver nul-vektor. Resultatet er, at kredsen (eller spolen) vil dreje mod venstre, ligesom vi ser på figur 11.

 

Magnetisk inklination

Normalt anbringer man et kompas vandret for at se i hvilken retning kompasnålen viser. Hvis man tillader nålen at pege i et lodret plan, kan man få den lodrette komponent af Jordens magnetfelt. Det kan gøres ved apparatet nedenfor. Nogle steder i landet er den omkring 70 grader.  

Figur 11

 

Elektromagnetisk induktion

I det følgende skal vi se på idéen bag magnetisk induktion. Der viser sig at strøm og magnetisme er "forbundet" på en særlig måde. Således kan en strøm skabes ud fra et varierende magnetfelt. Denne opdagelse blev gjort af Michael Faraday i 1835, 15 år efter Ørsteds opdagelse af elektromagnetismen. På figur 9 nedenfor haves en spole, som er koblet til et drejespoleinstrument, som kan måle en eventuelt strøm i spolens vindinger. Det viser sig, at hvis man fører en stangmagnet op og ned i spolens centrum, så går der en strøm i spolen. Derimod falder strømmen til 0, hvis man blot holder stangmagneten i ro i spolen. Konklusionen er, at et varierende magnetfelt skaber en strøm.

Figur 12

 

Induktion - en strømgenerator

I dette afsnit skal vi se princippet bag en simpel strømgenerator. Vi skal se, hvordan mekanisk energi kan omsættes til elektrisk energi. Maskinen består af fire spoler, fire stangmagneter samt et drejehjul, groft sagt. Dette ses på figur 8 herunder.

Figur 13

Idéen er nu, at når man drejer på hjulets håndtag, så vil magneterne bevæge sig rundt. Det betyder, at spolerne udsættes for et varierende magnetfelt - også selv om magneterne ikke befinder sig i spolens centrum! Ifølge ovenstående vil der gå en strøm i spolerne. Strømmen går i øvrigt fra spole til spole, idet de er forbundne. Dermed har man fået omdannet mekanisk energi til elektrisk. Nedenfor kan du se billeder af opstillingen, hvor der ikke drejes henholdsvis drejes. I sidste tilfælde induceres en strøm.

Figur 14

Figur 15

 

Induktion - en cykellygte

Firma Reelight har fundet på at udnytte den fysiske princip induktion til at fremstille en cykellygte, der laver lys ud fra dette princip.

Figur 16

 

Figur 17

I den sorte pakning på figur 17 befinder sig en spole. På spolen sidder en meget kraft magnet. Idéen er, at magneten sættes på cyklens eger og spolen fastgøres til cyklens faste gaffel, som holder hjulet. Når hjulet drejer rundt, vil den stærke magnet passere tæt fordi spolen, hvilket vil inducere en strøm i spolen og få lampen til at lyse.

 

Induktion - Lenz' lov

Vi skal nu studere et meget underligt fænomen: En meget kraftig magnet af typen neodym lader vi løbe ned ad en aluminiumsskinne, som hælder næsten lodret, som vist på figur 18 herunder. Man ville forvente, at magneten vil rulle meget hurtigt ned ad skinnen. Det sker imidlertid ikke. Man oplever derimod, at den bevæger sig ret langsomt nedad.

Figur 18

 

Figur 19

Nogle kunne måske tro, at magneten bremses af en form for tiltrækning. Men der er slet ingen kraft mellem magnet og skinne. Udskifter man neodym-magneten med en ikke-magnetisk metal cylinder af samme størrelse, så vil man opleve, at den bevæger sig nedad næsten som ved et frit fald. Hvad er da årsagen til magnetens bevægelse. Det viser sig at årsagen er induktion. Magnetens bevægelse giver anledning til et varierende magnetfelt. Der induceres derved en strøm i skinnen. Ofte bruger man lukkede rør til forsøget i stedet for en åben skinne. I det tilfælde er det lettere at forstå: Da kan metalrøret opfattes som en spole med én vinding! Denne strøm laver igen et magnetfelt, som ifølge Lenz' lov er modsat rettet magnetens magnetfelt. Derfor bremses magneten. Faktisk vil magneten bevæge sig nedad med konstant hastighed! Dette skyldes, at der opstår en ligevægt mellem tyngdekraften og den inducerede kraft, som bremser magneten. Hvis man bruger et lukket rør, så behøver man ikke at bruge så stærk en magnet.

Du kan læse meget mere om dette i FYSIKbasen.dk.

 

Elektromagnet

Vi skal her se på, hvordan man kan lave først en simpel elektromagnet og derefter en stærk. Sidstnævnte ved at anvende en jernkerne!

 Figur 20

På figur 17 er spolen tilsluttet jævnspænding. Spolen føres spolen ned over magneten. Derved vil man kunne "samle magneten op", hvis det vel at mærke er den rigtige magnetiske pol, som vender mod spolen. På figur 21 nedenfor udbygger vi elektromagneten ved at anbringe en jernkerne i spolen. Det kan passende gøres ved at anbringe spolen på en jernkerne i form af en hestesko.

 Figur 21

Vi ser, at spole med jernkerne nu fungerer som en stærk magnet, der kan tiltrække ting af jern.

 Figur 22

Lukker man hesteskoen ved at anbringe et stykke jern over gabet, så sidder jernet rigtig godt fast. Det er rigtig svært, om ikke umuligt at trække jernstangen af igen, mens strømmen er sluttet. Man kan passende bruge en spole med 300 vindinger (4 A) og skrue op på 2A. Elektromagnetens styrke afhænger naturligvis af den anvendet strømstyrke!  

 Figur 23

 

Svingende magnetfelt

I dette afsnit skal vi se, hvordan man i et forsøg kan skabe et svingende  magnetfelt. I stedet for at tilslutte spolen vekselstrøm, giver vi spolen en vekselspænding. Hvis man endda bruger en Funktionsgenerator fra fysik, så kan man endda variere frekvensen af spændingen.

 Figur 24

Når man med hånden lader en magnet nærme sig hullet i spolen, kan man tydeligt mærke den vibrerende kraft, magneten udsættes for. Jo større frekvens, jo hurtigere vibreren! Dette princip antyder, at hvis man kunne få lyden noget musik styre frekvensen, så kunne man måske lave an højttaler ...

 

En simpel elektromotor

Vi skal se et eksempel på en uhyre simpel elektromotor. Man laver en lille spole af kobbertråd. Hvis tråden er isoleret, så husk at fjerne den de steder, hvor der skal skabes kontakt.

Figur 25

Kobbertråden hænges om i et lille stativ formet af noget kraftig ståltråd, som kan stå af sig selv. Kernen på gerne være af kobber. To friske 1,5 V AA batterier i serie forbindes nu til hver side af holderen med krokkodillenæb. Det er vigtigt at udforme holderen, så spolen kan rotere frit. Når man sætter en kraftig magnet, fx en neodym magnet, hen i nærheden af spolen, kan man få spolen til at rotere ganske hurtigt, som vist på figur 26 nedenfor.

Figur 26

Forklaring: I princippet er kredsløbet næsten kortsluttet - der er en ganske lille modstand i det. Derfor trækkes en vældig strøm af batterierne, som derfor tappes forholdsvist hurtigt. Man kan også mærke, at kobbertråden bliver varm. Som bekendt vil en strømførende ledning i et magnetfelt blive udsat for en kraft ifølge Laplace' lov:

Batteriet

I år 1800 publiserede den italienske fysiker Alessandro Volta (1745-1827) en artikel, hvor han beskrev den såkaldte Volta-søjle, som skulle blive forløberen til det moderne batteri. At kunne oplagre elektrisk energi skulle vise sig at få overordentlig stor betydning. Forskningen i batterier foregår da også den dag i dag med stor iver. Nedenfor har nogle elever lavet forsøg med en simpel elektrokemisk celle, der kan virke som et simpelt batteri. En mere avanceret udgave er det såkaldte Daniell Element., men vi holder os til det simple her, da det er de kemiske og fysiske principper, som er det centrale.

Figur 27

På venstre side har vi en CuSO4 (kobbersulfat) opløsning i et bægerglas og på højre side en ZnSO4 (zinksulfat) opløsning i et andet bægerglas. De to bægerglas er forbundet med et filterpapir, som virker som en ionbro. I det højre bægerglas oxideres zink fra zink-elektroden til dobbelt-positive zink-ioner. I det venstre bægerglas reduceres de dobbelt-positive Cu-ioner til kobber. De to processer foregår kun, hvis der gennem filterpapiret kan vandre negativt ladede ioner fra det venstre bægerglas over i det højre.

Figur 28

Når broen er etableret vil man kunne registrere en spændingsforskel mellem de to elektroder af kobber og zink. I opstillingen nedenfor har eleverne indsat en dekademodstand, der fungerer som "strømforbruger". Når modstanden varieres, varieres strømstyrken. Derefter kan man måle sammenhørende værdier af strømstyrke og spænding - altså undersøge (I,U)-karakteristikken for cellen.  

Figur 29

Faktisk kan en citron med en kobber og en zink-elektrode også virke som et svagt batteri, som nedenstående elever påviser med et lille forsøg.

Figur 30

Citronerne er her sat i serie for at få en større spænding. Strømstyrken vises på et demonstrations drejespoleinstrument.

Figur 31

 

Bestemmelse af e/m

I et meget berømt forsøg bliver forholdet mellem elektronens ladning e og dens masse m bestemt. I gymnasiet har man produceret udstyr, hvor man kan bestemme omtalte forhold. Udstyret består foruden diverse strømforsyninger af et elektronstrålerør samt en Helmholtz spole. I elektronstrålerøret befinder der sig en elektronkanon (se figur 32), som indeholder en glødetråd, hvorfra der kan løsrives frie elektroner, når glødetråden er varm. Disse elektroner accelereres herefter i et kraftigt elektrisk felt hen mod en anode. De elektroner, der passerer igennem et hul i anoden vil have omtrent samme hastighed og de vil grundet magnetfeltet foretage en jævn cirkelbevægelse.

Figur 32

Magnetfeltet frembringes af de to store såkaldte Helmholtz spoler, som er anbragt udenom elektronstrålerøret. De giver tilnærmelsesvist et homogent magnetfelt i midten, hvor røret befinder sig.

Figur 33

 

Figur 34

På figur 35 nedenfor ser vi tydeligt se elektronernes bane. Når elektronerne rammer ind i atomer fra den hydrogengas, som er under lavt tryk i røret, vil nogle af disse atomer exciteres. Når de falder tilbage til grundtilstanden emiteres lys, som vi kan se. Billedet er taget med meget lang lukketid og uden brug af flash.

Figur 35

 

 

 

Til Toppen | Forsiden | Matematik | Fysik