Hur skulle världen se ut utan elektromagneter? Ett magnetfält kan uppstå naturligt, men en elektromagnet är något vi människor har skapat. Den bygger på elektrisk ström – och förståelsen av hur en elektromagnet fungerar har förändrat hela vårt sätt att leva.
Elektromagnetens funktion gör den till en av de mest användbara uppfinningarna i modern tid. Tack vare att den kan slås av och på samt skapa starka magnetfält används den i allt från motorer och generatorer till högtalare och MRI-maskiner.
När vi ser på elektromagnetens användning inser vi snabbt hur avgörande den är för vår vardag. Utan den skulle vi sakna många av de tekniker som formar vårt samhälle – elektricitet, transporter och kommunikation. Men innan vi går in på detaljerna, låt oss först titta närmare på vetenskapen bakom elektromagneten.
När upptäcktes elektromagneten?
Utan elektromagneten skulle vi sannolikt fortfarande leva i något som mer liknar 1820-talet. Tekniken uppfanns nämligen inte förrän på 1820-talet, när två olika forskare (en i Danmark och en i England) började leka med samspelet mellan elektricitet och magnetism.
De hette William Sturgeon och Hans Christian Ørsted. Det var Hans som först insåg att en elektrisk ström skapar ett magnetfält. Samtidigt tillverkade Sturgeon den första rudimentära elektromagneten.
Redan under 1820–1830-talet utvecklades teorier som beskrev hur elektrisk ström ger upphov till magnetfält. Däremot lade den franske fysikern Pierre Weiss år 1906 fram teorin om magnetiska domäner – vilket hjälpte till att förklara varför vissa material blir permanenta magneter.
Med sin teori om den magnetiska domänen tog den franske fysikern oss ett steg närmare den kunskap vi har idag och hjälpte oss förstå hur i hela världen det hela går till. Men i denna berättelse saknas fortfarande två av de viktigaste namnen i elektromagnetismens historia.
Du kanske har hört talas om Michael Faraday, som upptäckte principen om elektromagnetisk induktion? Eller André-Marie Ampère, som visade att två parallella ledare stöter bort eller drar till sig varandra beroende på strömmens riktning.
Sedan elektromagnetismens upptäckt har tekniken vad berör den gått från klarhet till klarhet. Vår värld har fyllts med saker vars enorma betydelse för oss vi knappt ens uppmärksammar.
Låt oss ta en titt på vetenskapen.
Hur fungerar en elektromagnet?
Vetenskapen om elektromagnetism bygger på magneten och alla dess relaterade fenomen: de magnetiska polerna. Det vill säga, den magnetiska kraften och de laddade partiklar som endast går att se på en subatomär nivå.
Kommer du ihåg exakt vad magnetism är? Här kommer en snabb liten sammanfattning.
Magnetismen grundar sig på oparade elektroner. Elektroner är de partiklar som utgör en del av atomen, men de flesta material har elektronpar med motsatt spinn. Elektroner är negativt laddade partiklar som rör sig runt atomkärnan. Protonerna i kärnan är positivt laddade. I de flesta material är elektroner parade, vilket gör att deras magnetiska effekter tar ut varandra.
När elektroner är parade neutraliseras deras respektive magnetiska krafter – vilket innebär att de inte har någon magnetisk kraft. När de är oparade neutraliseras de dock inte.
I magnetiska material (som vetenskapligt brukar kallas ferromagnetiska material) kan alla dessa elektroner spontant gå i samma riktning, vilket ger materialet starka magnetiska egenskaper.
Vad är elektromagnetism?
Även om magnetism kan fungera naturligt på det sättet så fungerar elektromagneter på ett något annorlunda sätt. Upptäckterna gjorda av vetenskapsmän så som Ampère, Faraday och Ørsted kunde ske just för att man insåg att detta inte var det enda sättet som magnetism kunde uppstå och fungerade på.
Man insåg att det elektriska strömflödet också har ett magnetfält. Ampère upptäckte att två parallella ledare med ström i samma riktning attraherar varandra, medan strömmar i motsatt riktning repellerar varandra.
Via elektromagnetism magnetiseras hela den tråd eller spole som elektriciteten flyter genom. Det beror återigen på elektronerna. När elektrisk ström flyter i en ledare rör sig elektronerna i genomsnitt i en viss riktning. Denna rörelse skapar ett magnetfält runt ledaren.
Elektronerna i en elektrisk ström är som fria från sina atomer och flödar längs materialets längd. Det ger materialet dess magnetiska styrka.
Grundläggande växelverkan
Elektromagnetismen – kombinationen av magnetism och elektricitet – är en av naturens fyra grundläggande krafter, tillsammans med gravitationen och de starka och svaga kärnkrafterna.
Elektromagnetism är alltså den kraft som håller ihop atomerna och är ansvarig för ljuset. Den är även ansvarig för bindningen av kemiska föreningar.
Elektromagnetism är utan tvekan en fantastisk kraft...och en användbar sådan. Dess upptäckt - liksom vår förmåga att utnyttja dess kraft - har varit en otroligt viktig bidragande faktor vad gäller människans vetenskapliga utveckling.
Hur fungerar elektromagneter?
Men hur fungerar alla dessa elektromagneter egentligen? Vi har hört tillräckligt mycket om vad som ledde till att de uppfanns. Hur fungerar egentligen en elektromagnet i sig själv?
En elektromagnet fungerar i stort sett på samma sätt som en enkel stavmagnet. Den har både en nordpol och en sydpol, som – precis som hos andra magneter – attraherar motsatta poler och repellerar lika poler.
Den producerar även ett magnetfält på samma sätt, som man skulle kunna se med järnfilspån. Skillnaden mellan en elektromagnet och en vanlig magnet är att en elektromagnet har ett mycket starkare magnetfält.
Du kan naturligtvis även stänga av och sätta på den genom att stänga av strömmen. Dessa två faktum gör den särskilt användbar.
En elektromagnets uppbyggnad
Precis som vi diskuterade ovan så skiljer sig den magnetiska kraften mellan en normal ferromagnet och dess elektromagnetiska kusin ändå en del. I den förstnämnda är elektronerna riktade åt ett och samma håll.
I den sistnämnda är det just elektronströmmen (elektricitet) som producerar magnetfältet. Ledningar blir magnetiska när elektrisk ström flyter genom dem, vilket Ampère visade i sina experiment.
För att skapa en elektromagnet använder vi dock en mer sofistikerad metod än så. Metoden bygger på trådspolar. Man tar en cylindrisk bit av ferromagnetisk metall (t.ex. järn) och lindar trådspolen (som vanligtvis är gjord av koppar) runt den.
Så snart du sätter på elektriciteten kommer strömmen att löpa genom tråden och magnetisera metallen i mitten av den – precis som en permanentmagnet. Om du stänger av strömmen upphör metallen att vara magnetisk.
Så enkelt är det, kort förklarat. Du behöver inte nödvändigtvis järnkärnan heller, eftersom det magnetfält som spolen producerar redan är centrerat på hålet genom mitten av spolen.
Järnkärnan -eller "magnetkärnan" - gör dock elektromagneten ännu kraftfullare. Tusentals gånger kraftfullare!
Som du märker finns detta fenomen omkring oss hela tiden! Och att förstå hur det verkligen fungerar kommer att svara på många av dina framtida frågor. Skaffa hjälp i fysik och nörda ner dig totalt!
Vad använder vi elektromagneter till?
Så hur skulle världen se ut i dag om vi inte hade elektromagneter? Vilka saker skulle vi inte ha om vi inte hade elektromagneter? Det är definitivt fascinerande frågor.
Det är förstås även svårt att besvara så stora frågor, men vi kan hänvisa till några av de mest kraftfulla tekniker vi har och som bygger på elektromagnetism. De finns ärligt talat överallt.
Elektriska motorer och generatorer
En elmotor (som du hittar i bilar och alla möjliga andra maskiner) fungerar tack vare samspelet mellan ett magnetfält och elektrisk ström.
En elmotor består delvis av en stator - en magnet som sitter runt motorns kant och som förblir statisk. Den består även av en rotor - en roterande elektromagnet som nästan är identisk med den spole som beskrivs ovan.
När elektricitet förs in i spolen dras spolen mot statorn, som sedan vänds om så att den stöter bort den. Spolen snurrar därför hela tiden och producerar mekanisk energi.
Dessa motorer finns i allt från din dator till dina hörlurar, från din ugn till din hårddisk. Generatorer och motorer bygger på samma princip – elektromagnetisk induktion – men fungerar i motsatt riktning. En motor omvandlar elektrisk energi till rörelse, medan en generator omvandlar rörelse till elektrisk energi.
Transformatorer
Med tanke på att elledningar transporterar flera hundratusentals elektriska volt så behöver elens spänning minskas innan den når in i din brödrost (som bara behöver cirka 230 volt). Det är just vad en transformator gör.
Den fungerar genom placeringen av två spolar. Den enorma elektriska spänningen passerar genom den första spolen. Om du placerar en spole med färre varv bredvid den kommer den elektriska strömmen dock att hoppa över till nästa spole, men då kommer den att ha lägre spänning.
Utan denna uppfinning skulle du inte kunna använda någon elektrisk utrustning i ditt hus.
Magnetisk levitation
En av de häftigaste sakerna som folk har gjort med elektromagneter är att skapa magnetisk levitation. Detta är ett transportsystem där tågen svävar och de blir både snabbare och mer effektiva på grund av bristen på friktion.
Systemet använder starka elektromagneter – ett magnetfält lyfter tåget från rälsen, och ett annat styr och driver det framåt.
Tycker du om artikeln? Visa det gärna!
Loading...
