Magnetisme

Magnetisme, elektromagnetisme, induktion og transformation

Skrevet af Rasmus Foss

Indholdsfortegnelse:

  • Magnetisme
  • Elektromagnetisme
  • Induktion
  • Transformation
  • Kilder

Magnetisme

Magnetfelter og poler

Magnetisme virker således, at magnetiserede stoffer, magneter, har et magnetfelt omkring sig, hvori der hersker magnetiske kræfter. Dette kan ses, hvis en anden magnets magnetfelt kommer inden for magnetens magnetfelt, hvor man vil opleve, at magneterne enten tiltrækker eller frastøder hinanden. Hvilket kommer an på magnetens poler.

En magnet har altid to poler, en nordpol og en sydpol, hvor magneten er stærkest. Forskellen på nord- og sydpolen er, hvilken der tiltrækker eller frastøder hvilken, når to magneter nærmer sig hinanden. Her gælder det, at to ens poler altid frastøder hinanden, mens to forskellige poler tiltrækker hinanden. Bemærk desuden at en magnets poler kun kan påvises ved frastødning, da tiltrækning ikke altid er præcist nok.

Magnetfeltet siger altså noget om, hvor de magnetiske kræfter er til stede. Dette kan for eksempel påvises ved hjælp af jernfilspåner, som er meget små magnetiserbare stoffer. Det kan gøres ved at ligge en magnet på et stykke papir og drysse jernfilspånerne rundt om. Her vil man se, at der dannes nogle buede linier af jernfilspånerne rundt om magneten, som viser magnetfeltet størrelse og hvor det er stærkest (ved polerne) – disse kaldes feltliner. Her gælder det, at feltlinierne går fra nord- til sydpolen udenfor magneten, mens de går fra syd- til nordpolen inden i magneten. Det vil se således ud:

Magnetisme måles i måleenheden Tesla, hvor 1 Tesla er et meget højt, hvorfor man taler mest om mikrotesla og derunder. Enheden Tesla defineres af magnetens fluxtæthed, som man kan måle ved brug af en speciel formel, hvor man inddrager kraften, ladningen og bevægelseshastigheden for en partikel samt den magnetiske fluxtæthed.

 

Magnetisering og afmagnetisering

Kun få stoffer er magnetiserbare. Et magnetiserbart stof er et stof, der kan magnetiseres af en anden magnet. De mest kendte magnetiserbare stoffer er Jern (Fe), nikkel (Ni) og cobalt (Co). Herudover er der nogle kemiske forbindelser – som jern- og chromoxid – der kan magnetiseres.

Hvis et magnetiserbart stof er blevet magnetiseret, er dets magnetfelt blevet aktiveret. Dette sker, når en anden magnets magnetfelt nærmer sig det. Man siger, at småmagneterne i magneten drejer sig og lægger sig i orden. Man forestiller sig nemlig, at der findes en masse småmagneter i alle magnetiserbare stoffer, som vil dreje sig – eller lægge sig i orden –, når et magnetfelt ”berører” dem – og på samme måde lægge sig i uorden, når de magnetiske kræfter forsvinder igen, hvis det ikke er en permanent magnet (dvs. en magnet, der holder på magnetismen). Småmagneterne har ligeledes en nord- og en sydpol, hvorfor de vil ligge sig i orden, når et magnetfelt nærmer sig, således at nordpolen ligger mod den anden magnets sydpol og omvendt – hvorved den ligner en rigtig magnet og er blevet magnetiseret. Dette kalder man ’småmagnetmodellen’.

Herudover er det muligt at magnetisere ved hjælp af strygning. Hvis man for eksempel stryger en savklinge (som består af jern) med en magnet, vil den efterhånden blive magnetisk. Man kan forestille sig, hvordan det går til ved at kigge på netop småmagnetmodellen. Når alle småmagneterne ligger i uorden, når klingen er umagnetisk, vil småmagneterne dreje sig så snart en magnet nærmer sig. Dog kun svagt. Derfor vil klingen blive mere og mere magnetisk, jo flere gange man stryger. Man vil herefter kunne se, at ens magnet bliver frastødt ved den ene side af klingen og dermed opleve, at klingen er blevet magnetisk. Her gælder det, at klingen danner den modsatte pol af den man strøg med, der hvor man afslutter strygningen – altså for enden af klingen.  Dette illustreres meget fint her:

Man kan afmagnetisere en magnet på tre måder:

  • Ved at opvarme den til den når sit curiepunkt, som er temperatur-grænsen hvor en magnet ikke længere vil fungere som en magnet, da partiklerne da bevæger sig så stærkt, at magneten ikke længere kan ensrette sine småmagneter. Curiepunktet er forskelligt fra stof til stof.
  • Ved at give den et kraftigt slag
  • Eller ved at putte den ind i en spole tilsluttet vekselstrøm.

Historie

Magnetismen blev opfundet i en by ved navn Magnesia i Lilleasien, hvor de havde fundet en speciel sten, der kunne tiltrække jern. Denne kaldte de for ’magnetjernsten’, eller ’magnetit, der er sammensat af jern og oxygen (Fe₃O₄). Denne magnet er ikke særlig kraftig, da det er en naturlig magnet, og den bliver ikke brugt i dag, men tidligere brugte man det i kompasser. De magneter vi bruger i dag er langt stærkere, da de er ”permanente”, dvs. de holder bedre på magnetismen, da de er menneskeskabte, kunstige.

Hvordan skabes magnetisme?

Magnetismen skabes af de uparrede elektroners rotation om sig selv. Langt de fleste stoffer er ikke magnetiske, da alle deres elektroner har dannet par i atomerne sådan at de roterer hver sin vej. I så fald ophæver de hinandens magnetiske kræfter udadtil. De stoffer, hvor elektroner ikke har dannet par, er altså magnetiske, da de uparrede elektroner roterer om sin egen akse på en sådan måde, at der dannes magnetisme. Man siger, de har modsat spin.

Dette opdagede fysikeren Andre Ampere, da han opdagede, at en elektrisk ledning virker som en lille magnet. Elektronerne i ledningen bevægede sig altså således, at der blev skabt magnetisme, og Ampere mente derfor, at magnetisme er en form for elektricitet – hvilket altså ikke er helt forkert.

 

Elektromagnetisme

Elektromagnetisme handler om at skabe magnetisme ved hjælp af strøm, hvorved det er muligt at skabe en meget stærk magnetisme.

Elektromagneter

Når man skaber elektromagnetisme, er ledningen, hvori strømmen løber, i sig selv magnetisk – som Ampere opdagede –, men magnetismen er ikke særlig stærk. Dette kan man for eksempel påvise ved at nærme en ledning tilsat strøm til en magnetnål. Her vil man se, at magnetnålen vil dreje sig efter hvordan ledningen står i forhold til den. De magnetiske feltlinier vil ligge sig som cirkler omkring den strømførende ledning. Når man skal angive retningen af dette – ledningens magnetfelt –, bruger man følgende regel, kaldet højrehåndsreglen:

Griber man med højre hånd om ledningen med tommelfingeren i strømmens retning, vil fingrene pege i magnetfeltets retning.

Man kan altså finde magnetfeltets retning omkring en ledning, når man kender strømmens retning. Hele magnetfeltet kan man på samme måde som ved magneter påvises ved hjælp af jernfilspåner.

Ledningen er altså den ene del af en elektromagnet. Derudover behøves der en jernkerne, da ledningens magnetisme i sig selv ikke er så stærk. Det er dét, en elektromagnet er skabt af: En jernkerne med en spole (ledning viklet rundt) tilsluttet strøm viklet rundt om, og det bliver dermed en stærk magnet. Hvis man skal finde polerne på denne, skal man bruge en anden regel, nemlig gribereglen, som er illustreret til venstre herfor:

Griber man med højre hånd om spolen med fingerspidserne i strømmens retning, vil nordpolen være til tommelfingersiden.

Elektromagnetens styrke

En elektromagnets styrke afhænger af to ting:

  • Antallet af vindinger i spolen (hvor mange gange ledningerne er viklet rundt om)
  • Hvor stærk strøm, der tilføres spolen (strømstyrke = ampere)

Disse to faktorer kan man så gange med hinanden for at få et tal for, hvor stærk elektromagneten er. Dette tal måler man i ’amperevindinger’.  Formlen for udregningen af en elektromagnets styrke vil derfor se således ud:

Amperevindinger = Vindingstal * Strømstyrke

Det, der gør elektromagneten så meget stærkere end en normal magnet, er, at jernkernens og spolens feltlinier slår sig sammen og udgør tilsammen et magnetfelt med endnu flere feltlinier, som dermed bliver endnu stærkere.

Historie

Elektromagnetismen anses som værende opdaget af danskeren H.C. Ørsted. Han fandt i 1820 ud af, at der opstår et magnetfelt omkring en ledning, når der sendes en elektrisk strøm igennem den.

Til at starte med funderede han over, om der mon var en forbindelse mellem elektricitet og magnetisme. Det havde man på den tid en anelse om, da man oplevede at en magnetnål kunne bevæge sig, når et lyn slog ned. Ørsted eksperimenterede derfor dette, dog uden det store resultat, indtil han i 1820 ved en forelæsning prøvede at holde en ledning over en magnetnål – og fandt ud af, hvordan det hang sammen.

Herefter begyndte datidens fysikere at forske i fænomenet. Da fandt man bl.a. ud af, at ledningens magnetfelt er stærkest, når man danner en cirkel med den – hvilket også er grunden til, at elektromagneten bliver stærkere jo flere vindinger der er i spolen.

Forklaring

Forklaringen til elektromagnetismen skal findes i førnævnte forklaring om, at det er elektronernes rotation om sig selv, der skaber magnetismen. De uparrede elektroner roterer som sagt rundt om sig selv, hvilket fremkalder elektriske strømme. Derfor er det også meget logisk, at strøm i sig selv er magnetisk, da strøm består af uparrede elektroner i bevægelse.

Induktion

Induktion handler om at frembringe elektricitet ved hjælp af magnetisme.

Efter H.C. Ørsteds opdagelse i 1820 begyndte mange fysikere som sagt at eksperimentere videre. Heriblandt var der også nogle, der tænkte, at når man kunne skabe magnetisme ved hjælp af strøm, om man så også kunne skabe strøm ved hjælp af magnetisme. Dette fandt den engelske fysiker Michael Faraday i 1831 ud af, at man godt kunne.

Faradays forsøg

Faraday havde en jernkerne i midten og to spoler til dens sider. På den ene side var primærspolen, hvor strømmen skulle komme fra via en kontakt, så han kunne tænde og slukke strømmen som han ville. På den anden side var sekundærspolen, der var tilsluttet et galvanometer, der kan måle små strømstyrker. Formålet med forsøget var jo at se, om magnetisme kunne skabe strøm. Forsøget er opstillet som vist herunder:

Herefter prøvede Faraday at tænde for kontakten, hvilket gav et svagt udslag på galvanometeret. Det samme skete, da han slukkede strømmen igen, dog slog galvanometeret denne gang ud til den modsatte side og gik derefter ind til midten igen – men denne gang en smule kraftigere end da strømmen blev tilsluttet. Forklaringen hertil er, at det er en større omvæltning at lægge sig i orden (når strømmen tilsluttes) end at lægge sig i uorden (når strømmen slukkes). Men dette viser, at der opstod strøm i sekundærkredsløbet, da der blev tilsluttet strøm i primærspolen, hvilket sker, da primærspolen frembringer et magnetfelt, når der løber strøm rundt om magneten – som elektromagnetismen viser. Altså skabte, inducerede, han elektricitet ved hjælp af magnetismen. Det er, hvad induktion er.

Grunden til, at der skabes strøm af magnetismen, er, at i det øjeblik der bliver sluttet strøm til primærspolen, vil småmagneterne i magneten dreje sig i elektromagneten (primærkredsløbet). Denne drejning, bevægelse, bevirker, at antallet af feltlinier vokser, hvilket frembringer en induktionsstrøm. Derfor er det også logisk, at det samme sker, når strømmen slukkes igen, for så drejer småmagneterne sig tilbage, og feltlinieantallet ændres igen. Det er altså ændringen i antallet af magnetiske feltlinier i primærkredsløbet, der skaber, inducerer, en induktionsstrøm i sekunderkredsløbet. Hermed bevist at man kan skabe strøm ved hjælp af magnetisme.

I Faradays forsøg er den strøm, der tilføres, jævnstrøm. Derfor skaber man ikke en konstant strøm, da man ikke hele tiden ændrer magnetfeltet. Hvis man derfor skabe konstant strøm ved hjælp af magnetisme, skal man tilslutte vekselstrøm i stedet, for så vil småmagneterne dreje sig hele tiden, da vekselstrømmen går begge veje.

Faraday opdagede også, at man kan inducere en spænding i en spole ved at putte en permanent magnet ned og op af spolen – hvorved magnetens feltlinieantal på samme måde vil ændre sig.

Induktionsstrømmen styrke

Induktionsstrømmens, der skabes i sekundærkredsløbet, styrke afhænger af tre ting:

  • Spolens vindingstal
  • Hvor hurtigt magneten bevæges (jo hurtigere feltlinieantallet i magneten ændres)
  • Magnetens styrke

Induktionsstrømmens retning

Vi ved nu, at et magnetfelt, der ændrer sig, frembringer strøm. Samtidig ved vi, at strøm frembringer et magnetfelt – det går altså begge veje. Derfor må det være sådan, at når induktionsstrømmen vokser som følge af et magnetfelt i ændring, danner den også selv et magnetfelt. Retningen af det magnetfelt, kan vi finde ved brug af gribereglen, hvorefter vi kan finde selve induktionsstrømmens retning ved hjælp af Lenz’ regler, som lyder således:

”Når antallet af magnetiske feltlinier i en spole vokser, frembringes i spolen en induktionsstrøm, der søger at modvirke de nytilkommende feltlinier ved at udsende feltlinier en modsat retning.

Når antallet af magnetiske feltlinier en spole aftager, frembringes i spolen en induktionsstrøm, der søger at erstatte de forsvindende feltlinier ved at udsende feltlinier i samme retning.” (Heinrich Lenz, 1934)

I praksis vil det sige, at når man forsøger at putte magneten ned med nordpolen mod nordpol først, vil der dannes en sydpol, hvor magneten går ned, hvorefter der vil dannes en nordpol øverst, når magneten tages op igen. Den modsatte pol vil altså dannes, når magneten føres ned, mens den samme pol vil dannes, når man tager den op igen. Ved at kende magnetens poler samt bevægelsesretning ved man altså, hvor der bliver skabt syd- og nordpolen.

 

Selvinduktion

Selvinduktion er fænomenet om, at ændringen i elektromagnetens magnetfelt/feltlinieantal skaber et magnetfelt, der inducerer en strøm i sekundærspolen, som selv skaber et magnetfelt, som går tilbage og påvirker primærkredsløbets magnetfelt.

Hvad bruges induktion til?

Induktion bruges i dag til at producere elektricitet. Næsten at elektricitet i Danmark produceres ved hjælp af induktion gennem turbiner eller generatorer, der kan drives af vind og damp.

Vekselspænding

En af de ting, man bruger induktion til i det virkelige liv, er at skabe vekselstrøm. Dette kan nemlig gøres ved, at en elmotor får en magnet til at rotere foran en jernkerne i en spole. Dette er en smule anderledes en Faradays forsøg, men princippet er det samme for her ændres magnetfeltet jo også, da magneten er i bevægelse. Og da magneten er i konstant bevægelse foran elektromagneten, skabes der vekselstrøm.

Vekselstrømsspændingen går i gennem en periode samtidig med at magneten drejer en omgang foran spolen, hvor den to gange når dens maksimalværdi. Størrelsen af spændingen afhænger af, hvor hurtigt magneten roterer foran spolen.

I en vekselstrøm varierer spændingen hele tiden mellem nul og maksimalspændingen. Den gennemsnitlige spænding kan måles med et voltmeter og kaldes for effektivspændingen – altså hvad effekten egentlig er.

Vekselstrøm måles i enheden Hertz, Hz, som siger, hvor mange perioder, der forekommer på et sekund. Hvis den fx er 50 Hertz, vil det sige, at magneten gennemløber 50 perioder på et sekund.

Transformation

Transformation handler om at transformere strømstyrke og -spænding.

Transformator

For at kunne gøre det skal man bruge en transformator, som er det, der transformerer strømmen. En transformator består af en lukket jernkerne og to spole. Den ene spole, primærspolen, tilsluttes strømmen, og den anden, sekundærspolen, er tilsluttet et multimeter. Det fungerer sådan, at der løber vekselstrøm ind i primærspolen, som får magnetens feltlinier til at ændre sig. Dette har effekt på sekundærspolen, hvor der dannes en strøm i det øjeblik, magnetfeltet ændres. Altså induceres der strøm fra primær- til sekundærsiden.

Transformerligningen

Strømmen er hermed blevet transformeret fra primær- til sekundærspolen. Strømmens effekt er ikke blevet ændret, men faktorerne, der bestemmer den, spændingen og styrken, er blevet ændret. Dette har en sammenhæng, som kan forklares ved hjælp af transformerligningen, der ser således ud:

Pp = Ps
Up * Ip = Us * Is

enne ligning fortæller, at P (effekten) på primærsiden er lig effekten på sekundærspolen. Dvs. det ændrer sig ikke. Dog kan spændingen og styrken ændres, hvilket har noget at gøre med spolernes vindinger. Forholdet mellem primær- og sekundærspolen er det samme som forholdet mellem vindingstallet på primær- og sekundærspolen:

Np / Ns = Up / Us

Det vil sige, at hvis der er 400 vindinger på primærspolen og 100 på sekundær-, vil forholdet være 1 til 4, og spændingen, der blev tilført primærspolen, vil sættes ned til spændingen divideret med 4. Transformerligningen siger dog, at effekten skal være den samme på begge sider, og at effekten udregnes af strømstyrken + -spændingen. Derfor må strømstyrken også ændres, og den skal i dette tilfælde ganges med 4, så effekten er den samme på hver side. Strømspændingen og -styrken er altså blevet transformeret, mens effekten af strømmen er den samme.

Hvad bruges transformation til?

I dag bruges transformation, når elværkerne skal sende strøm ud til forbrugerne. Strømmen skal nemlig meget langt gennem en masse ledninger, og her er der et energitab undervejs, da strømmen opvarmer ledningerne en smule. Dette kan udtrykkes med denne ligning,

Eledning = P * t = UAB * I * t = R * I² * t

Hvor Eledning er energitabet, UAB er spændingsfaldet, R er resistans, I er strømstyrken og t er tiden, strømmen løber i. Dermed siger den, at jo mindre tid strømmen løber, jo mindre er energitabet.  Tiden og resistansens i ledningen ændres ikke, og derfor er det kun strømstyrken, der har betydning for energitabet. Hvis man transformerer denne ned og spændingen op, vil man få den samme effekt, men med lavere energitab undervejs, så man forsøger at holde strømstyrken nede så lang tid som muligt, når man skal transportere strømmen ud til forbrugerne. Transformation bruges altså til at formindske energitabet, når man sender strøm.

 

Kilder

Tekst:
  • NY PRISMA Fysik og Kemi 9
  • Wikipedia.org
Billeder:
  • Emu.dk

Forfatter: Rasmus Foss

4 thoughts on “Magnetisme

  1. Hold op hvor er det læse venligt, hvor er det godt skrevet! Du har seriøst på egen hånd hjulpet mig utrolig meget igennem min magentsime rapport:)

Leave a Reply