1.8 Elektromagnetisme og induksjon

To krefter som er én

Legger du mobilen på en ladeplate uten å plugge inn noe, lades den likevel. Hvordan er det mulig? Svaret er en av de vakreste oppdagelsene i fysikken: elektrisitet og magnetisme er to sider av samme sak. En strøm skaper et magnetfelt, og et magnetfelt som endrer seg skaper en strøm. Disse to henger uløselig sammen, og vi kaller fenomenet elektromagnetisme.

Denne sammenhengen er ikke bare et kuriøst eksperiment – den driver enorme deler av samfunnet. Motorer, generatorer, transformatorer og trådløs lading bygger alle på akkurat dette båndet mellom strøm og magnetisme. Uten det ville hverken kraftverket eller mobilen din virket.

I dette kapittelet skal vi forstå koblingen fra begge sider. Først ser vi hvordan strøm lager magnetfelt og hvordan vi bygger elektromagneter. Deretter snur vi det på hodet med Faradays lov om induksjon, der bevegelse blir til spenning. Til slutt setter vi alt sammen i transformatoren – komponenten som flytter strøm trygt fra kraftverket helt hjem til stikkontakten din.

Strøm som lager magnetisme

La oss starte med den første halvdelen av sammenhengen. Når strøm går gjennom en leder, oppstår det et magnetfelt rundt den. Retningen på feltet finner du med høyrehåndsregelen: peker du tommelen i strømmens retning, krummer fingrene seg i magnetfeltets retning rundt lederen.

En enkelt ledning gir et ganske svakt felt. Men vikler du ledningen i mange løkker til en spole, legger feltene fra hver vikling seg oppå hverandre, og du får en mye sterkere magnet – en elektromagnet. Styrken avhenger av tre ting: antall vindinger, hvor sterk strømmen er, og hva kjernen er laget av. Setter du en jernkjerne inni spolen, blir feltet kraftig forsterket.

Det fine med en elektromagnet er at du kan slå den av og på med strømmen. Det utnyttes overalt. I et relé brukes elektromagneten til å trekke en bryter, slik at et lite signal kan styre en stor strøm. I en høyttaler får et vekslende magnetfelt en membran til å bevege seg og lage lyd. Og i de største anvendelsene løfter elektromagneter hele tog over skinnene i maglev-teknologi, eller skaper de kraftige feltene inne i en MR-maskin på sykehuset.

Bevegelse som lager strøm

Nå snur vi det hele. Hvis strøm kan lage magnetisme, kan magnetisme lage strøm? Svaret, oppdaget av Michael Faraday, er ja – men det er et lite vilkår: magnetfeltet må endre seg. Dette er Faradays lov: en endring i magnetfeltet gjennom en lukket sløyfe induserer en spenning. Jo raskere feltet endrer seg, jo flere vindinger spolen har, og jo større areal den dekker – desto høyere blir den induserte spenningen.

Tenk deg at du beveger en magnet inn og ut av en spole koblet til et voltmeter. Når magneten føres inn, endrer feltet seg, og voltmeteret slår ut. Stanser du magneten inne i spolen, slutter feltet å endre seg, og spenningen faller til null. Trekker du magneten ut igjen, snur feltendringen retning, og voltmeteret slår ut motsatt vei. Beveger du magneten raskere, får du høyere spenning. Det er bevegelsen, ikke selve magneten, som teller.

Til dette hører en viktig regel: Lenz' lov. Den sier at den induserte strømmen alltid motvirker endringen som skapte den. Skyver du magneten inn i spolen, lager den induserte strømmen et magnetfelt som dytter tilbake mot magneten. Du må altså bruke kraft for å skyve den inn – og denne kraften er nettopp den energien som overføres til den elektriske kretsen. Lenz' lov er fysikkens måte å passe på energibevaringsloven: hadde den induserte strømmen hjulpet bevegelsen i stedet, ville vi fått gratis energi ut av ingenting, noe naturen ikke tillater. Denne induksjonen er grunnlaget for generatorer, induksjonskomfyrer og trådløs lading.

Transformatoren – fra kraftverk til kontakt

Når vi kombinerer de to halvdelene – strøm som lager felt, og felt som lager strøm – får vi en av de viktigste oppfinnelsene i hele kraftforsyningen: transformatoren. Den overfører elektrisk energi mellom to spoler gjennom et felles magnetfelt, og den virker bare med vekselstrøm, fordi det kreves et felt som hele tiden endrer seg.

En transformator har en primærspole med $N_1$ vindinger på inngangen og en sekundærspole med $N_2$ vindinger på utgangen, koblet sammen av en jernkjerne som leder magnetfeltet. Sammenhengen beskrives av transformatorlikningen:

$$\frac{U_1}{U_2} = \frac{N_1}{N_2} = \frac{I_2}{I_1}$$

Har sekundærspolen flere vindinger ($N_2 > N_1$), øker spenningen mens strømmen synker – en opptrafo. Har den færre, synker spenningen mens strømmen øker – en nedtrafo. I en ideell transformator er effekten lik på begge sider: $P_1 = P_2$.

La oss regne på en. En transformator har 1000 vindinger på primærsiden, 50 på sekundærsiden, og 230 V inn. Sekundærspenningen blir $U_2 = U_1 \cdot N_2/N_1 = 230 \cdot 50/1000 = 11{,}5$ V. Er primærstrømmen 0,1 A, blir sekundærstrømmen $I_2 = I_1 \cdot N_1/N_2 = 0{,}1 \cdot 20 = 2$ A. Kontroll: $P_1 = 230 \cdot 0{,}1 = 23$ W og $P_2 = 11{,}5 \cdot 2 = 23$ W – effekten stemmer.

Dette er nøkkelen til hele strømnettet. I lange kraftlinjer går effekttapet som $P_{tap} = I^2 R$, så jo mindre strøm, jo mindre tap. Derfor transformeres spenningen opp til hundretusenvis av volt for transport over lange avstander, og deretter ned igjen trinn for trinn – via flere transformatorer – til trygge 230 V når strømmen endelig når stikkontakten din. Akkurat det samme prinsippet, uten jernkjerne, gjør det også mulig å lade mobilen trådløst: en spole i ladeplaten lager et vekslende felt som induserer spenning i en spole inne i telefonen.

Oppsummering

Vi har sett at elektrisitet og magnetisme er to sider av samme sak. Strøm gjennom en leder skaper et magnetfelt (retning gitt av høyrehåndsregelen), og en spole med jernkjerne blir til en kraftig elektromagnet som brukes i alt fra reléer til MR-maskiner. Snur vi sammenhengen, gir Faradays lov at et magnetfelt i endring induserer en spenning, mens Lenz' lov sikrer at den induserte strømmen motvirker endringen – og dermed at energibevaringsloven holder.

Kombinerer vi de to retningene, får vi transformatoren, som overfører energi mellom spoler via et felles magnetfelt og følger likningen $\displaystyle \frac{U_1}{U_2} = \frac{N_1}{N_2} = \frac{I_2}{I_1}$. Den lar oss transformere spenningen opp for tapsfri transport over lange avstander og ned igjen til trygge 230 V hjemme – og det samme induksjonsprinsippet lader mobilen din trådløst.