I den moderne verden bruger vi magneter på en lang række forskellige måder. Lige fra hvordan en køleskabsdør lukkes, til hvordan dine hovedtelefoner afspiller musik. Fra produktion og transmission af elektricitet til motoren i din bil. Alle disse ting bruger magnetisk kraft på en eller anden måde.
Når man tænker på, hvor meget vi bruger magnetisk kraft i dag, ville vi helt sikkert føle os ret hjælpeløse uden den. Vi ville ikke have nogen måde at flytte elektriske strømme på tværs af landet.
Alle vores elektriske motorer ville være ubrugelige. Vi ville heller ikke kunne tale over store afstande, hvilket vi er blevet vant til. Derfor bør vi ikke tage disse særlige fænomener for givet.
I stedet bør vi alle (og ikke kun forskerne) forsøge at forstå, hvad det hele handler om. Vi bør forsøge at forstå, hvordan magneter og magnetisme virker, det særlige forhold mellem elektricitet og magnetisme, og hvordan magnetisme får vores verden til at dreje rundt.
Det er netop det, der er vores formål med denne artikelserie. Vi ønsker at lade alle forstå, hvorfor elektroner har et magnetisk moment. Hvorfor en elektrisk strøm kan frembringe et magnetfelt, og hvorfor en magnetisk strøm kan inducere en elektrisk ladning.
Hvorfor alt dette er så vigtigt for vores verden. Så lad os se nærmere på det hele - fra det grundlæggende om magnetfelter til den vigtigste af de magnetiske teknologier.
Hvordan virker magnetisme?
Lad os starte med at tale om magnetisme. Magnetisme er den kraft, der findes i og mellem alle genstande, og som skyldes elektronernes bevægelse. Magnetisme resulterer i tiltrækning og frastødning af forskellige genstande.
Det er en "berøringsfri" kraft, der påvirker alle forskellige genstande i verden, om end i større eller mindre grad. Magnetisme er et resultat af subatomare partiklers (dvs. elektroners) bevægelse og deres elektriske ladning.
Elektroner, magnetiske momenter og tre typer af magnetisme
Hvert atom i et stof eller objekt består af partikler, herunder neutroner, elektroner og protoner. I magnetisme er det elektronerne, der gør det meste af arbejdet.
De har en tendens til at kredse om neutronerne, og de har hver deres egen ladning, som enten er positiv eller negativ. Generelt set sker det, at elektronerne "parrer" sig med elektroner med modsat ladning. Det betyder, at en elektron med en negativ ladning danner par med en elektron med en positiv ladning. Dette gør materialet relativt stabilt, da de to ladninger "ophæver" hinanden.
Når et stof har parrede elektroner, taler man om diamagnetisme. Der er imidlertid mange typer materialer - herunder ilt - der har upåparede elektroner. Når dette sker, bliver stoffet meget mere magnetisk, fordi alle elektronerne kan rette sig ind efter hinanden uden at parre sig. Find fysik undervisning hos Superprof, der er tilpasset dine behov.
Stoffer, der kun udviser magnetisme, når de befinder sig i et ydre magnetfelt, kaldes paramagnetiske. Endelig er der ferromagnetiske stoffer.
Det er magnetiske materialer med uparrede elektroner og med det samme magnetiske moment. Det betyder, at de kan blive magnetiske mere spontant, og at de forbliver magnetiske, selv når det ydre magnetfelt fjernes.
Hvad er et magnetfelt?
Enhver magnet og magnetisk genstand har et magnetfelt. Det magnetiske felt er det område omkring magneten, hvor der findes dens magnetiske kraft. Det er det rum, der påvirkes af magnetens magnetiske ladning.
Permanente magneter og elektromagneter har permanente magnetfelter, som du kan se ved hjælp af jernfilspåner, fordi de følger magnetfeltets linjer. Jernstøvet følger strømmen fra magnetens nordpol til sydpol.
Hvad er elektromagnetisme?
Lad os tage et nærmere kig på elektromagnetisme og dens funktioner. Ud over elektronernes magnetiske moment er elektriske ladninger et andet aspekt, der giver anledning til magnetfelter. Denne opdagelse blev gjort i 1830'erne og har været en af de vigtigste i historien, da den førte til opdagelsen af forbindelsen mellem magnetisme og elektricitet.
Vi har netop fortalt, at elektroner har en magnetisk ladning på grund af deres bevægelse i det magnetiske materiale, men det sted, hvor elektronerne bevæger sig, er netop i elektriske strømme. Disse strømme skabes imidlertid af elektronernes egen bevægelse. Når strømmene bevæger sig langs en ledning, bliver ledningen magnetiseret, fordi elektronernes bevægelse skaber det magnetiske felt.
Dette blev opdaget af André-Marie Ampère, som viste, at parallelle ledninger enten tiltrak eller frastødte hinanden. Han indså, at det afhang af, i hvilken retning strømmen gik.
Hvordan man laver en elektromagnet
Siden de tidligste elektromagneter har teknologien ikke ændret sig meget siden de tidligste elektromagneter. De er blevet stærkere, men den overordnede struktur af enhederne er forblevet den samme.
Elektromagneter består af en spole af tråd, der er viklet rundt om en kerne af metal (normalt et ferromagnetisk materiale som f.eks. jern). Spolen af tråd fører en elektrisk strøm, hvis magnetfelt er centreret i spolens hul - jernkernen. Hele denne konstruktion kaldes en solenoid. Så snart den elektriske strøm er slukket, ophører solenoiden med at være magnetisk.
Elektromagnetisme anses for at være en af universets grundlæggende kræfter.
Hvad er elektromagnetisk induktion?
En af de mest nyttige opdagelser i elektromagnetismens historie blev gjort af Michael Faraday. Faraday var en britisk videnskabsmand i det 19. århundrede.
Hans opdagelse blev kendt som "elektromagnetisk induktion" og er en af de mest centrale dele af vores viden om elektromagnetisme i dag. Faradays eksperimenter fokuserede på, hvordan elektriske ladninger kan manipuleres af magnetfelter.
Han opstillede en hypotese om, at ændringer i et magnetfelt kan bruges til at inducere en elektrisk strøm. Det lyder kompliceret, men hans praktiske eksperimenter var faktisk ret enkle.
Han tog en jernring og viklede to forskellige ledninger rundt om de modsatte sider af ringen og skabte derved to solenoider på det samme stykke jern. Han forbandt den ene ledning til et batteri og den anden til et galvanometer - en maskine, der måler elektriske ladninger.
Når den første ledning blev tilsluttet til og fra batteriet, skete der en ændring i ladningen, som blev registreret af galvanometeret. Dette beviste for Faraday, at ændringen af det magnetiske felt i jernringen kunne inducere elektrisk strøm i den separate ledning.
For at bevise sine teorier om det særlige forhold mellem elektricitet og magnetisme foretog han endnu et forsøg. Han tog en solenoide uden kerne (dvs. blot en trådspole) og lod den gå ind og ud gennem en stangmagnet.
Han fandt ud af, at der blev produceret en større strøm i tråden, jo hurtigere han skubbede magneten. Hvorfor var dette så vigtigt? Fordi Faraday var banebrydende for den viden, at elektriske strømme ikke bare flyder gennem ledninger.
Han lagde det teoretiske grundlag, der er nødvendigt for, at vi i dag kan producere elektrisk energi ved at manipulere magnetfelter.
Hvad er en transformer?
Transformere i fysik er et vigtigt stykke teknologi, der udnytter videnskaben om elektromagnetisk induktion. De er måske et af de mest almindelige elektriske apparater på planeten.
Næsten al den elektriske energi, som vi producerer og bruger, passerer gennem mindst én transformer på sin rejse ... Hvad er transformatorer?
En transformer er en statisk anordning, der ændrer en højspændingsstrøm til en meget lavere spænding. Det gør den ved hjælp af to tilstødende solenoider og ved hjælp af Faradays elektromagnetiske induktion.
Elektricitet overføres i hele landet ved hjælp af store elnet. For at holde omkostningerne nede er den transporterede elektricitet superhøjspænding. Det mindsker spild af energi og betyder, at ledningerne heller ikke behøver at være for store.
Vi kan dog ikke bruge højspændingselektricitet i vores hjem, så før elektriciteten distribueres lokalt i vores hjem, skal den omdannes til el med lavere spænding. Det er præcis det, som transformatorer er beregnet til.
Sænkning af elektricitetens spænding
Faradays lov viser, hvordan elektromagnetisk induktion kan bruges til at sænke og øge spændingen af elektriske strømme. Tænk tilbage på hans forsøg: Han brugte to forskellige spoler, hvor ændringerne i magnetfeltet mellem de to spoler inducerede en elektrisk strøm i den anden.
Hvis man varierer antallet af spoler i ledningen, kan man ændre spændingen af den inducerede strøm. Lad os sige, at du har ti spoler på den første ledning. Så kan du simpelthen halvere antallet af spoler på den anden og få halvdelen af spændingen.
Det er præcis sådan, at transformatorer fungerer.
Kunne du lide denne artikel? Skriv en anmeldelse!
Loading...
