Vetenskapen om elektromagnetism är en av de mest betydelsefulla inom fysiken. Den ligger till grund för många tekniska lösningar och används flitigt inom industrin. Utan elektromagnetism skulle vi inte kunna generera eller transportera elektricitet – inget ljus, inga apparater, ingen modern vardag.
Elektromagnetismen är en av universums fyra grundläggande krafter och verkar mellan elektriskt laddade partiklar. Den styr kemiska bindningar mellan atomer och möjliggör fenomen som ljus och elektricitet. Det är därför vi inte kan säga att någon ”uppfann” elektromagnetismen – den upptäcktes.
Elektromagnetism finns överallt runt oss, men i den här artikeln fokuserar vi på ett särskilt fenomen: elektromagnetisk induktion – framställningen av elektromotorisk kraft genom ett föränderligt magnetfält. Oroa dig inte om det låter krångligt; här får du en enkel genomgång av allt du behöver veta för att förstå denna fascinerande process.
Vad är elektromagnetism?
Låt oss börja med elektromagnetism. Vissa material är magnetiska, det vill säga, de har en magnetisk kraft. Andra material är inte magnetiska överhuvudtaget.
Ferromagnetiska material, såsom järn och nickel, består av magnetiska domäner – små områden där atomernas magnetiska moment är riktade åt samma håll. När dessa domäner orienteras i samma riktning får materialet en stark magnetisk kraft. Material som förblir magnetiska även utan yttre fält kallas permanentmagneter. Det sker inte i icke-magnetiska material, där är istället alla elektroner antingen parade eller helt slumpmässiga.
Ferromagnetiska material, såsom järn och nickel, har interna magnetiska domäner som kan orienteras för att producera stark magnetism, vilket kan förstärkas av ett yttre magnetfält. Och även om det är fantastiskt i sig självt så är de inte lika användbara som elektromagneter.
Elektromagneter kan slås på och stängas av och är mycket mer kraftfulla. Dessutom så kan kraftfulla magneter kan användas till väldigt mycket!
Vad är elektromagneter?
En elektromagnet är en magnet som uppstår när elektrisk ström flyter genom en ledare. Strömmen skapar ett magnetfält runt tråden, som förstärks om tråden lindas i en spole kring en järnkärna.
Dessutom så har forskarna hittat sätt att göra denna kraft mycket starkare. I allmänhet används elektromagneter med spolar av tråd, där varje spole lindas runt en bit metall (vanligtvis järn).
Denna speciella skapelse kallas för en solenoid. När en elektrisk ström går genom solenoiden skapas ett magnetfält både runt tråden och genom kärnan, där kärnan förstärker det magnetiska fältet.
Dessa elektromagneter är mycket starka, och när strömmen stängs av försvinner magnetismen nästan omedelbart. Så ja, en elektromagnet är egentligen bara en riktigt stark magnet.
Denna speciella kombination av elektricitet och magnetism är dock otroligt användbar. En av dess viktigaste tillämpningar är elektromagnetisk induktion - framställningen av elektromotorisk kraft (även kallad inducerad spänning).
Förändringar i magnetfält kan skapa elektricitet – det är principen bakom elektromagnetisk induktion.
En kort sammanfattning om elektromagnetisk induktion
För att på bästa sätt förklara processen och betydelsen av elektromagnetisk induktion ska vi kortfattat tittat tillbaka på dess historia. Låt oss gå tillbaka till ett av de allra första experimenten som ledde till dess upptäckt - långt tillbaka på 1830-talet.
Då hade vi redan hästsko-elektromagneten tack vare William Sturgeons uppfinning. Vi visste även att elektriska strömmar har en egen magnetisk kraft tack vare Ampere och Oersted.
Det var dock en man vid namn Michael Faraday som upptäckte principerna för elektromagnetisk induktion när han utförde ett experiment vars resultat publicerades år 1831.
Vetenskapsmannen Michael Faraday
Michael Faraday har blivit en av historiens mest inflytelserika vetenskapsmän. Genom sitt arbete visade han att magnetfält kan påverka ljusets polarisation, ett fenomen som i dag kallas Faraday-effekten.
Hans mest inflytelserika experiment var dock det då han upptäckte elektromagnetisk induktion. Faraday tog en järnring och lindade två olika trådstycken från olika spolar runt dess motsatta sidor.
Sedan lät han en elektrisk ström gå genom en av trådbitarna och förväntade sig se någon form av elektrisk laddning eller effekt på den andra trådbiten. Han kopplade den andra trådbiten till en galvanometer – ett instrument som mäter elektrisk ström.
När han ändrade magnetfältet genom spolen observerades en ström i den andra spolen, vilket visade att en förändring i magnetfält kan inducera en elektrisk spänning. Detta, menade Faraday, berodde på det magnetiska flöde som passerade genom ringens centrum.
För att förtydliga så producerades det endast en elektrisk ström när magnetfältet ändrades. Ström observerades endast när magnetfältet förändrades, t.ex. när han slog på eller av strömmen i den första spolen.
Vid andra tillfällen visade galvanometern ingenting. Detta är anledningen till att han i ett annat av sina experiment lät en stavmagnet glida in och ut ur en trådspole. Där kunde han observera samma elektriska laddning på galvanometern.
Här kan du lära dig ännu mer om våra fantastiska elektromagneter och deras funktion!
Faradays lag och Maxwells ekvationer
Medan Faraday utförde detta praktiska arbete och experiment möttes hans resultat inte av någon större entusiasm. Det berodde dock på att han inte presenterade sina resultat i matematiska termer.
Det var James Clerk Maxwell som trettio år senare beskrev vad Faraday redan hade bevisat, men rent matematiskt. Maxwells ekvationer beskriver alla grundläggande samband i elektromagnetism, inklusive den princip som Faraday upptäckte, elektromagnetisk induktion.
Hur fungerar elektromagnetisk induktion?
Så vad exakt var det som Faraday upptäckte? Enkelt uttryckt så fann han att förändringar i magnetfält kan inducera elektriska strömmar.
Och som vi vet har elektriska strömmar ett magnetfält. Men om du skulle låta det magnetiska fältet interagera med en annan magnet förändras den elektriska strömmens potential eller spänning, precis så som i Faradays experiment.
När magneten rör sig induceras en elektrisk ström i spolen, och enligt Lenz lag uppstår en motkraft som motverkar rörelsen. Den inducerade strömmen skapas alltså av förändringen i magnetfältet.
Om man påskyndar magnetens rörelse kommer den inducerade strömmen att öka och om man förstärker magnetfältet händer samma sak. På detta sätt kan magneter alltså användas till att omvandla rörelseenergi till elektrisk energi.
Strömmen induceras av förändringen i magnetfältet, vilket kan uppnås genom att röra magneten i förhållande till spolen eller förändra strömmen i en närliggande spole. Det är just så saker som generatorer fungerar: de genererar elektricitet genom att en magnet rör sig i ett magnetfält.
Inte undra på att detta var en så otroligt viktig upptäckt!
Hur använder vi elektromagnetisk induktion?
För att förtydliga detta fenomen ytterligare ska vi ta en titt på en av de viktigaste teknikerna där det tillämpas. Det är nämligen genom elgeneratorn.
Elgeneratorer används bland annat i kraftverk, i bilar och pyttesmå motorer, samt i alla möjliga olika typer av utrustning. Tro oss - de finns överallt.
Elektriska generatorer
I en elektrisk generator roterar spolar i ett magnetfält, vilket inducerar en elektrisk spänning i ledarna enligt Faradays lag. Bilar använder till exempel en växelströmsgenerator för att se till att batteriet håller sig laddat.
Vid växelström rör sig den inducerade strömmen i växelvis riktning - därav namnet. Föreställ dig ett magnetfält framför dig. I mitten av utrymmet finns en roterande trådspole med ström som passerar genom den.
Som du kan föreställa dig uppstår en växelverkan mellan spolen (med sitt eget magnetfält) och generatorns magnetfält, vilket enligt Lenz lag skapar en motverkande kraft. När spolen roterar förändras riktningen på den inducerade strömmen periodiskt – vilket ger upphov till växelström.
När den rör sig tillbaka nedåt sker motsatsen. Följaktligen får man ström som ständigt förändras.
Likströmsgeneratorer använder en kommutator som ändrar ledningskontakten så att den inducerade strömmen alltid rör sig i samma riktning.
Finns det några fördelar med att använda växelström?
Växelström är mycket vanligare i större elektriska apparater. Det beror på att det är mycket lättare att transportera än likström.
Det går nämligen att öka spänningen samtidigt som man har en liten ström. Växelström används för effektiv överföring av elektricitet och möjliggör dessutom användning av transformatorer, som kan höja eller sänka spänningen – något som inte fungerar med likström. Passa på att lära dig allt om transformatorer här.
Tycker du om artikeln? Visa det gärna!
Loading...
