2.7 Magnetisme og elektromagnetisme

Den usynlige kraften

Du har sikkert lekt med magneter som barn – holdt to magneter mot hverandre og kjent at de enten trekker seg mot hverandre eller dytter hverandre bort. Det er nesten magisk. Men magnetisme er ikke magi – det er en av naturens grunnleggende krefter, og den er tett knyttet til elektrisitet.

Denne koblingen mellom elektrisitet og magnetisme er grunnlaget for noen av de viktigste oppfinnelsene i menneskets historie: elektriske motorer, generatorer, høyttalere, MR-maskiner og mye mer. Uten forståelsen av elektromagnetisme ville vi ikke hatt strøm i stikkontaktene, elbiler på veiene eller musikk i høyttalerne.

I dette kapittelet skal vi se på hva magnetisme er, hva magnetiske felt er, hvordan elektromagneter fungerer, og den revolusjonerende oppdagelsen som knyttet elektrisitet og magnetisme sammen for alltid. Vi skal også utforske hvordan induksjon virker – prosessen som gjør at bevegelse kan skape elektrisitet.

Magneter og magnetiske felt

Alle magneter har to poler: en nordpol (N) og en sydpol (S). Den grunnleggende regelen er enkel: like poler frastøter hverandre, ulike poler tiltrekker hverandre. Nordpol mot nordpol dytter fra hverandre, men nordpol mot sydpol trekkes sammen.

En magnet kan aldri deles i en ren nordpol og en ren sydpol. Hvis du brekker en stavmagnet i to, får du to nye magneter, hver med sin egen nordpol og sydpol. Dette er en grunnleggende egenskap ved magnetisme.

Magneter tiltrekker bare visse metaller. De tre viktigste er jern, nikkel og kobolt – disse kalles ferromagnetiske metaller. Aluminium, kobber og gull er ikke magnetiske.

Rundt enhver magnet finnes et magnetisk felt – et usynlig område der magnetiske krefter virker. Vi kan visualisere feltet med feltlinjer som går fra nordpolen til sydpolen utenfor magneten. Der feltlinjene er tette, er feltet sterkt. Der de er spredte, er feltet svakt.

En enkel måte å se feltlinjene på er å strø jernfilspon rundt en magnet. Filsponene ordner seg langs feltlinjene og tegner et vakkert mønster.

Jorda er selv en gigantisk magnet med et magnetfelt som strekker seg langt ut i verdensrommet. Det er dette feltet som får kompassnålen til å peke mot nord. Interessant nok er det jordas magnetiske sydpol som befinner seg i nærheten av den geografiske nordpolen – fordi ulike poler tiltrekker hverandre.

Elektromagneter – magneter du kan slå av og på

En elektromagnet er en magnet som lages ved å sende elektrisk strøm gjennom en spole – en ledning som er viklet mange ganger rundt en kjerne. Til forskjell fra permanentmagneter (som alltid er magnetiske) kan en elektromagnet slås av og på ved å bryte eller slutte strømkretsen.

For å lage en enkel elektromagnet trenger du bare en isolert kobbertråd, en jernbolt og et batteri. Vikle tråden mange ganger rundt bolten og koble endene til batteriet. Når strømmen går, blir bolten magnetisk og kan plukke opp binders og små jerngjenstander. Slå av strømmen, og magnetismen forsvinner.

Det er tre måter å gjøre en elektromagnet sterkere på:
1. Flere vindinger i spolen – jo flere ganger tråden vikles, desto sterkere felt
2. Sterkere strøm – bruk et kraftigere batteri eller høyere spenning
3. Jernkjerne – en kjerne av jern inni spolen forsterker magnetfeltet enormt

Fordelene med elektromagneter er tydelige. Du kan slå dem av og på etter behov, og du kan regulere styrken ved å endre strømmen. Permanentmagneter kan ikke det.

Elektromagneter brukes overalt: i skrapjernmagneter som løfter tunge jerngjenstander (slå av for å slippe!), i dørklokker, i MR-maskiner på sykehuset, og i nesten alt elektrisk utstyr som inneholder en motor. De er en av de viktigste byggesteinene i moderne teknologi.

Ørsteds oppdagelse – elektrisitet skaper magnetisme

I 1820 gjorde den danske forskeren Hans Christian Ørsted en av de viktigste oppdagelsene i vitenskapshistorien. Under en forelesning la han merke til at en kompassnål beveget seg når han slo på strømmen i en ledning i nærheten. Det var første gang noen beviste at elektrisitet og magnetisme henger sammen.

Ørsteds oppdagelse viste at når elektrisk strøm går gjennom en ledning, oppstår det et magnetisk felt rundt ledningen. Jo sterkere strøm, desto sterkere magnetfelt. Dette er prinsippet bak alle elektromagneter.

Men historien stopper ikke der. I 1831 oppdaget den britiske forskeren Michael Faraday at det motsatte også er sant: en magnet som beveger seg nær en ledning skaper elektrisk strøm i ledningen. Dette kalles elektromagnetisk induksjon.

Induksjon er grunnlaget for:
- Generatorer i kraftverk – turbiner roterer magneter forbi spoler, og det induseres strøm
- Transformatorer – brukes til å endre spenningsnivå i strømnettet
- Induksjonskomfyrer – et vekslende magnetfelt varmer opp grytebunnen direkte
- Trådløs lading av mobiltelefoner – energi overføres via magnetfelt

Dermed har vi to sider av samme mynt: elektrisitet skaper magnetisme (Ørsted), og magnetisme kan skape elektrisitet (Faraday). Denne sammenhengen kalles elektromagnetisme, og den er grunnlaget for hele den elektriske sivilisasjonen vår.

Motorer, generatorer og høyttalere

Forståelsen av elektromagnetisme har gitt oss noen av hverdagens viktigste oppfinnelser.

En elektrisk motor omdanner elektrisk energi til bevegelse. Inne i motoren samspiller elektromagneter og permanentmagneter slik at en aksel roterer. Motorer finnes i utrolig mange ting: vaskemaskiner, støvsugere, elbiler, vifter, hårfønere, elektriske tannbørster, heiser og rulletrapper. Uten elektriske motorer ville hverdagen vår sett helt annerledes ut.

En generator er det motsatte av en motor – den omdanner bevegelse til elektrisk strøm. I et vannkraftverk driver vannet en turbin som roterer, og denne rotasjonen driver en generator der magneter beveger seg forbi spoler. Induksjon gjør bevegelsen om til strøm som sendes ut i strømnettet.

En høyttaler er et elegant eksempel på elektromagnetisme i praksis. Den har en liten spole (elektromagnet) festet til en membran, plassert i feltet til en permanentmagnet. Når lydsignalet sendes som vekslende strøm gjennom spolen, skapes et vekslende magnetfelt. Spolen skyves frem og tilbake i permanentmagnetens felt, og membranen vibrerer. Vibrasjonene skaper trykkbølger i luften – som vi hører som lyd. Sterkere strøm gir kraftigere vibrasjoner og dermed høyere volum.

Selv den trådløse ladingen av mobiltelefonen din bruker elektromagnetisme. En spole i laderen skaper et vekslende magnetfelt, som induserer strøm i en spole i telefonen. Energi overføres trådløst – gjennom induksjon.

Oppsummering

I dette kapittelet har vi lært om magnetisme og elektromagnetisme.

Alle magneter har en nordpol og en sydpol. Like poler frastøter hverandre, ulike poler tiltrekker. Magneter tiltrekker ferromagnetiske metaller som jern, nikkel og kobolt. Rundt magneter finnes magnetiske felt som kan visualiseres med feltlinjer.

Elektromagneter lages ved å sende strøm gjennom en spole. De kan slås av og på, og styrken kan reguleres med strømstyrke, antall vindinger og jernkjerne.

Ørsted oppdaget i 1820 at strøm skaper magnetfelt. Faraday oppdaget i 1831 det motsatte: elektromagnetisk induksjon – at bevegelse i et magnetfelt skaper elektrisk spenning.

Denne sammenhengen er grunnlaget for motorer (strøm til bevegelse), generatorer (bevegelse til strøm), høyttalere (strøm til lyd) og mange andre teknologier vi bruker daglig.