Elektromagnetismen er den gren af fysikken, der omhandler elektriske felter og magnetfelter og specielt sammenhængen mellem dem.
elektromagnetisme
H.C. Ørsted, malet af Wilhelm Marstrand i 1851. I forgrunden til højre ses Ørsteds berømte opstilling, der viser en elektrisk strøms påvirkning af en kompasnål, altså at en elektrisk strøm skaber et magnetfelt..
Transformator med primær (N1) og sekundær (N2) vikling på en fælles kerne. En vekselstrøm i primærviklingen skaber en tidsvarierende magnetisk flux (Φ) i kernen. Ifølge Faradays lov induceres derved en elektromotorisk kraft i sekundærviklingen, som giver en vekselstrøm gennem en ydre belastning.
Elektromagnet med U-formet åg og et anker, begge af blødt jern. Om åget er viklet en spole med mange viklinger. En strøm i spolen skaber ifølge Ampères lov et magnetfelt gennem åg, anker og luftgab. Den magnetiske energi formindskes, når luftgabet reduceres; dette indebærer tiltrækning mellem åg og anker.
Baggrund
Elektriske og magnetiske fænomener har været kendt langt tilbage i historien; elektriske fænomener fra statisk elektricitet, der opstår, når visse materialer bliver gnedet mod hinanden, og magnetiske fænomener fra naturligt forekommende magnetiske materialer. De to fænomener blev dog betragtet som helt uafhængige. Dette blev ganske ændret i løbet af 1800-tallet, hvor sammenhængen mellem de to felter blev beskrevet og fuldstændig forklaret i 1873 af den skotske fysiker James Clerk Maxwell.
Teoriens udvikling
Grundlaget for arbejdet med at forstå og kortlægge lovene for elektromagnetisme er en lang række eksperimenter og fortolkninger, der blev indledt med to banebrydende begivenheder.
Den første var, da den italienske videnskabsmand Alessandro Volta omkring år 1800 opfandt det kemiske batteri i form af voltasøjlen. Nu blev det muligt for enhver at have en strømkilde i laboratoriet.
Det næste store gennembrud blev leveret af den danske fysiker H.C. Ørsted, der i 1820 publicerede sin opdagelse af, at en elektrisk strøm påvirkede en kompasnål, dvs. at en elektrisk strøm gav anledning til et magnetfelt. Nu var det blevet påvist, at elektriske og magnetiske kræfter er forbundne.
I løbet af samme århundrede blev der udført en mængde eksperimenter for at kortlægge sammenhængen mellem elektriske og magnetiske felter, og det gav anledning til en mængde hypoteser og teorier.
Elektromagnetismens love
Det var Maxwells fortjeneste ud af mængden af observationer og hypoteser i 1873 at vælge netop de 20 ligninger, der senere af Oliver Heaviside blev forenklet til fire differentialligninger for det elektromagnetiske felt. Disse fire ligninger er i dag kendt som Maxwell-ligningerne.
Suppleret med udtrykket for Lorentz-kraften, der blev formuleret af den hollandske fysiker Hendrik Antoon Lorentz i 1895, rummer Maxwell-ligningerne hele elektromagnetismen, som er et af de bedst forståede områder af den klassiske fysik, dvs. områder, som ikke direkte beherskes af kvantefysiske love.
Kilderne til de elektromagnetiske felter er elektriske ladninger og elektriske strømme. Maxwell-ligningerne forbinder felterne med kilderne og felterne indbyrdes. Ligningerne kan gives forskellige matematiske former.
Udtrykt som sammenhørende partielle differentialligninger er de særlig egnede til teoretiske undersøgelser, fx af udbredelsen af elektromagnetiske bølger. Differentialligninger giver imidlertid sjældent et intuitivt billede af deres fysiske indhold. I den henseende og ved løsning af simplere opgaver er Maxwell-ligningernes integralformer mere anvendelige og kan formuleres i ord som fysiske love.
Maxwell-ligningerne har ingen alment anerkendt nummerering, men de omtales her ganske kort med de navne på de fysikere, der anses for at have formuleret dem. En meget mere detaljeret gennemgang af ligningerne samt deres matematiske formulering gives i artiklen om Maxwell-ligningerne. Her følger en kort opsummering af ligningerne:
Maxwells ligninger
- Gauss' lov for elektrisk flux: Den elektriske flux gennem en lukket flade er proportional med den samlede elektriske ladning, som indesluttes af fladen.
- Gauss' lov for magnetisk flux: Den magnetiske flux (dvs. strømmen af B-feltet) gennem en lukket flade er nul. Det er et udtryk for, at der ikke forekommer magnetiske monopoler, dvs. separate nord- eller sydpoler, men kun dipoler.
- Faradays induktionslov: Når den magnetiske flux gennem en lukket elektrisk kreds ændrer sig, vil der uanset årsagen til ændringen induceres en elektromotorisk kraft i kredsen. Størrelsen af den inducerede elektromotoriske kraft er proportional med fluxens ændringshastighed og rettet således, at den inducerede strøm modvirker den fluxændring, som fremkalder den (Lenz' lov).
- Ampères lov (som formuleret af Maxwell): Den magnetomotoriske kraft langs en lukket vej er lig den elektriske strøm gennem en flade, der har kurven som rand, plus forskydningsstrømmen (dvs. ændringshastigheden af den elektriske flux gennem samme flade). Forskydningsstrømmen, som Maxwell indførte, gør, at man kan forklare eksistensen af elektromagnetiske bølger.
Statiske felter
Elektriske ladninger i hvile skaber elektrostatiske felter. Tilsvarende skaber konstante strømme magnetostatiske felter. Disse statiske felter er uden gensidig påvirkning og beskrives ved lovene 1-4, når de tidsafhængige led i den 3. og 4. lov sættes til nul.
Dynamiske felter
De egentlige elektromagnetiske fænomener er imidlertid elektrodynamiske; dvs. at de netop er knyttet til felternes tidsvariation. Faradays induktionslov fortæller, at et tidsvarierende magnetfelt skaber et elektrisk felt, hvilket er grundlaget for vigtige elektriske maskiner som generatorer, motorer og transformatorer. Tilsvarende fortæller Ampères lov, at et tidsvarierende elektrisk felt skaber et magnetfelt, hvilket er afgørende for forklaringen af elektromagnetiske bølgers natur.
Kommentarer
Kommentarer til artiklen bliver synlige for alle. Undlad at skrive følsomme oplysninger, for eksempel sundhedsoplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer, når de kan.
Du skal være logget ind for at kommentere.