1. Permanente magneter

Transkript

1 E4 1. Permanente magneter På sin rejse til Kina i 1270-erne fik Marco Polo forevist en såkaldt "sydviser". Det var en figur, der var let drejelig om en lodret akse. I den udstrakte højre arme var en tynd jernstang, der var blevet strøget med magnet-jernsten, og derved var blevet til en kompasnål med sydpolen ude i hånden, så den udstrakte arm altid pegede mod syd. Instrumentet var i Kina anbragt på vogne, så sydviseren kunne bruges til at finde vej. Brugen af sådanne sydvisere kan i Kina og Japan spores helt tilbage til år 2600 f.kr. I dag støder vi på magneter og magnetisme overalt: Generatorer, elektromotorer, dynamoer, magnetstriber i sygesikringskort og dankort, de gamle videobånd og kasettebånd, højttalere, MRscannere osv. Jorden er en kæmpestor magnet. Et område, hvor der virker magnetiske kræfter kalder vi et magnetfelt. Et magnetfelt illustreres ved fiktive feltlinier, se tegningen til venstre. En kompasnål er en lille magnet, der kan dreje frit om en akse, og når en kompasnål placeres i et magnetisk felt, vil den rette sig ind efter feltliniernes retning. Vi har også feltlinietæthedskonventionen: Tætheden af de tegnede feltlinier et sted skal afspejle magnetfeltets styrke det pågældende sted. Vi sætter desuden pile på feltlinierne. Feltliniernes retning angiver den retning, som en kompasnåls nordpol ville stille sig i. Man kan illustrere feltlinierne om en stangmagnet ved at drysse jernfilspåner på et papir ovenpå magneten.

2 Nogle stoffer, fx jern, kobolt og nikkel bliver selv magnetiske, når de er i kontakt med en magnet. Stoffer der opfører sig sådan kaldes ferromagnetiske, og bruges i permanente magneter. Når en elektron bevæger sig omkring en atomkerne og ikke mindst idet den roterer om sin egen akse, producerer den et lille magnetisk felt. Atomerne i et ferromagnetisk materiale påvirker hinanden, så de danner domæner, hvor elektronerne spinder samme vej, og dermed forstærker hinandens magnetfelter, så vi får magnetiske domæner. De enkelte domæners feltretninger er forskellige, så der udadtil ikke mærkes noget magnetisk felt. Anbringer man imidlertid et stykke ferromagnetisk materiale i et magnetfelt vil domænernes felter dreje sig sådan, at de er rettet ind efter det ydre magnetfelt. Fjerner vi det ydre magnetfelt, drejer domænernes magnetfelter sig mere eller mindre tilbage i tilfældige retninger igen. Dette udnyttes til at forstærke magnetiske felter fx med jernkerner. Men nogle specielle stållegeringer har den egenskab, at domænerne ikke drejer deres felter tilbage igen. Af sådanne legeringer kan man lave permanente magneter. Dette gøres som sagt ved at man anbringer stållegeringen i et kraftigt magnetfelt et stykke tid. Alternativt kan legeringen "magnetiseres" ved at man mange gange stryger hen over den med en anden magnet eller en magnetjernsten. En permanent magnet kan af-magnetiseres hvis den opvarmes til ca. 500 grader og afkøles igen. En magnet har altid to poler. Den ende, der tiltrækkes af Jordens geografiske nordpol kaldes fra gammel tid nordpolen, og den anden pol sydpolen. To ens poler frastøder hinanden, medens to forskellige poler tiltrækker hinanden, jævnfør figuren til højre. Denne konvention betyder, at området oppe i det nordlige Canada, som magnetnåles nordpoler vender imod er hjemstedet for Jordens magnetiske sydpol. Det kan ikke lade sig gøre at opdele en magnet, så man kun har en enkelt pol. Hvis man knækker en magnet i stykker, vil man stå tilbage med flere magneter. Det skal dog nævnes, at den såkaldte "strengteori" i moderne fysik arbejder med magnetiske "monopoler", men de er endnu aldrig blevet observeret.

3 2. Magnetfelt fra en leder Det var danskeren H. C. Ørsted der i 1820 påviste, at der var en sammenhæng mellem elektricitet og magnetisme. En elektrisk strøm frembringer et magnetfelt. Vi taler derfor om en samlet elektromagnetisme. Vi ved i dag, at al magnetisme skyldes bevægelse af elektriske ladninger. Skal ret være ret skal det dog anføres, at allerede italieneren Gian Domenico Romagnosi i 1802 så en magnetnål svinge ud p.g.a. en elektrisk strøm ved siden af. Han fik det nævnt i en lokal avis, men ingen videnskabelige kredse bemærkede det. Ørsted var professor i fysik, og det var under en forelæsning han pludselig fik den indskydelse, at holde en strømførende leder hen til en kompasnål og så, at den gjorde et udsving. Den strømførende leder skaber et magnetfelt, hvis retning bestemmes ved den såkaldte Tommelfingerregel eller Første højrehåndsregel, som er beskrevet på figuren her. Efter at have gentaget forsøget og fulgt op med en række uddybende forsøg sendte han en beskrivelse på latin af hans opdagelser ud til en række lærdte kredse i Europa, og det vakte genklang - i øvrigt et ord, som Ørsted opfandt, i lighed med ordene klangbund, tidevand, sammendrag, brugskunst, rumfang, vægtfylde, autoritetstro og mindretal, for endelig ikke at glemme ordene "ilt" og "brint". Som den første fremstillede han i 1824 aluminium, og han var drivkraften bag oprettelsen af Polyteknisk Læreanstalt i 1929, som uddanner ingeniører.

4 Ørsteds opdagelse gav anledning til en lang række forsøg med elektromagnetisme rundt omkring i Europa. Hvis man lavede en cirkel - en vinding - dannes der et kraftigere felt end med en udstrakt ledning. Det fandt André Ampere ud af. Laver vi en masse vindinger ved siden af hinanden, danner vi en hel spole også kaldet en solenoide. Magnetfeltets retning afgøres i begge tilfælde af Anden højrehåndsregel: Man griber om spolen med fingrene i strømmens retning. Nordpolen vil da være til tommelfingersiden. På side 2 ovenfor er forklaret hvordan et stykke jern i et magnetisk felt får rettet sine domæner ind efter feltet, således at dette faktisk bliver forstærket. Hvis vi anbringer en jernkerne inde i en spole har vi fået dannet os en elektromagnet. Mængden af domæner, der retter sig ind efter feltet fra strømmen i spolen er proportionalt med strømmens styrke. Styrken af elektromagneten er altså proportional med strømstyrken i spolen.

5 3. Kraft på leder i magnetfelt Østeds forsøg viste, at en strømførende leder kan få en magnet til at bevæge sig. Men omvendt: Hvis vi lader ledningen være bevægelig og holder magneten fast? Så vil lederen bevæge sig! Dette skyldes naturligvis som før, at den strømførende leder skaber et magnetfelt. Dette magnetfelt, som "sidder på" ledningen bliver så påvirket af feltet fra den faste magnet og slår ud til siden. Hvilken side ledningen påvirkes mod bestemmes lettest ved den Tredje højrehåndsregel, også kaldet Lillefingerreglen: Man holder højre hånd med fingrene i strømmens retning så magnetfeltlinierne prikker ind i håndfladen. Lederen vil så "slå ud" til lillefingersiden, jævnfør de to situationer på figuren til venstre. Der er her tale om et klassisk eksempel på Newtons tredje lov: Et aktions /reaktions kraftpar. Den strømførende leder påvirker magneten og omvendt via de to magnetfelter. Dette fænomen udnyttes i jævnstrømsmotoren, som illustreres i disse tre figurer. Ovenfor har vi en model af en elektromotor med en enkelt vinding, hvor kraften fra magnetfeltet på strømvindingen søger at dreje denne i urets retning. Men når vindingen er kommet op i lodret position skifter strømmen retning p.g.a. glidekontakten til venstre, og nu kommer der en ny kraft på i urets retning. De to andre figurer illustrerer samme princip, blot med flere vindinger og en jernkerne.

6 Man kan undersøge kraften mellem en permanent magnet og en strømførende leder i detaljer med en såkaldt "strømvægt": Her holdes den strømførende leder fast i et stativ, medens magneten, i hvis magnetfelt den befinder sig, står ovenpå en fintfølende vægt. Alt efter hvilken vej strømmen løber i ledningsstykket "vejer" magneten for meget eller for lidt i forhold til sin normale vægt. Man skal så blot oversætte denne "vægt" til hvad den i virkeligheden er, nemlig en kraft (man ganger med g og oversætter derved vægtens gram og kg-enheder til Newton). Når en enkelt elementarpartikel med ladning, fx en elektron bevæger sig ind i et magnetfelt svarer dette til en ganske lille strøm i en ganske lille leder i magnetfeltet, og da en enkelt elementarpartikel vejer ganske lidt skal der kun en ganske lille kraft til at ændre dens bane: Den vil give sig til at cirkulere, og hvis den kommer skævt ind i feltet, vil den bevæge sig i en spiral. Hvis feltet bliver tættere, som det sker ved Jordens poler, vil den ladede partikel, når feltlinierne bliver for tætte, blive kastet tilbage igen. Det er derfor vi ser nordlys med ret skarpe kanter nedad, ligesom et tæppe.

7 4. Elektromagnetisk induktion Hvis man bevæger en ledning, hvori der naturligvis er en mængde letbevægelige elektroner, på tværs af et magnetfelt svarer dette til situationen fra forrige side med elektroner, der bevæges ind i et magnetfelt på tværs af feltlinierne. De søger at blive afbøjet. De er imidlertid fanget i ledningen, med det resultat, at de søger hen i den ene ende af den: Der induceres en spændingsforskel mellem ledningens ender, og hvis disse er forbundet til et helt kredsløb, vil der induceres en strøm i kredsløbet. Vi kalder dette fænomen for elektromagnetisk induktion. Hvis man altså har et kredsløb, hvor en del af kredsløbet bevæges hen over et magnetfelt, således at antallet af magnetfeltlinier igennem kredsløbet ændres, vil der induceres en strøm i kredsløbet. Man kan imidlertid ændre antallet af magnetfeltlinier igennem et kredsløb uden at flytte på noget i det, men i stedet flytte på magneten, der skaber feltlinierne. Så induceres der også en strøm (figuren til venstre). Dette princip udnyttes i en dynamo eller strøm-generator. Man kan sige, at hvor det var Ørsted, der i 1820 opdagede hvordan man kunne omsætte elektricitet til magnetisme, var det Michael Faraday, der i 1831 fandt ud af at omsætte magnetisme til elektricitet. Men som man kan se af de foregående siders udredning er der blot tale om forskellige variationer over det samme tema: Ladninger i bevægelse frembringer magnetfelter og ændringer i magnetfelter får ladninger i bevægelse. Hele elektromagnetismen beskrives i Maxwells ligninger.

8 Efter at Faraday i 1831 havde vist hvordan man kunne skabe elektrisk strøm ved at flytte magneter i forhold til kredsløb eller spoler, begyndte en rivende udvikling af generatorer til fremstilling af strøm. Et umiddelbart problem er, at hvis man ikke laver sindrige glidemekanismer ekanismer producerer man en vekselstrøm,, en strøm der skifter retning i takt med spolernes bevægelse i forhold til magneterne, og den vidste man ikke meget om. Man benyttede jævnstrømmen, men man havde problemer med at sende den over store afstande uden effekttab. Tingene ændrede sig, da den serbiskfødte fysiker Nikola Tesla o opfandt vekselstrømsog med tiden beviste den trefasede vekselstrøms store overlegenhed over jævnstrømmen. Den er den vi overalt benytter i dag. Ved at udnytte induktionsfænomenet i en transformator,, kan man transformere vekselstrømmen op til mange tusinde volt og som såkaldt højspænding transportere den over store afstande med meget lille spild. Tæt ved forbrugeren transformeres spændingen så ned igen til ca. 240 Volt. Tesla var både gådefuld og genial. Han efterlod sig en række skrifter, som folk den dag i dag ikke helt forstår. Han havde sit laboratorium på Manhattan, men måtte angiveligt flytte det motoren og vekselstrømsgeneratoren, på landet efter han gentagne gange havde fået hele øen til at ryste. Han morede sig med at sætte en lille anordning på størrelse med et vækkeur fast på skyskrabere under opførsel og derved frembringe så voldsomme resonanssvingninger, at byggerierne måtte evakueres. Han eksperimenterede de sidste år af sit liv meget med trådløs overførsel af energi. Til højre er angiveligt et foto af et udendørs eksperiment med "trådløst lys". En af hans meget spektakulære opfindelser er Teslaspolen, som kan frembringe lange lysende tråde af plasma i luften, hvor elektronerne rystes løs fra atomerne på grund af højspændinger der svinger frem og tilbage flere millioner gange i sekundet.

9 5. Jævnstrøm eller vekselstrøm I begyndelsen af 1900-tallet udspillede der sig en hård strid mellem tilhængerne af jævnstrømmen, anført af Thomas Edison, opfinderen af glødepæren på den ene side, og tilhængerne af vekselstrømmen, fabrikanten George Westinghouse i alliance med opfinderen Nikola Tesla - som havde forladt Edisons laboratorier i vrede - på den anden side. Vekselstrømstransformatoren var allerede blevet opfundet af italieneren Antonio Pacinotti i 1860, og med denne kunne Tesla næsten uden tab transformere vekselstrømmens spænding op til "højspænding", så den kunne transporteres gennem lange ledninger med et meget lille tab pga. modstand i ledningerne. Tæt ved forbrugerne kunne højspændingen så transformeres ned igen. Edison forsøgte på den anden side at udbrede budskabet, at den optransformerede vekselstrøm, højspændingen, var livsfarlig. Han fik i 1903 lov til at forestå henrettelsen af elefanten "Topsy", der havde været "ond" og slået tre mænd ihjel (blandt andet en, som i den zoologiske have havde forsøgt at fodre hende med en tændt cigaret). Henrettelsen forgik foran et tusindtalligt publikum med 6600 Volt af Teslas vekselspænding, og Edison optog det hele på film. Med tiden vandt Teslas trefasede vekselstrøm dog. Når man transformerer en vekselspænding op eller ned er U. I konstant, så i højspændingsledninger er strømstyrken ret lille. Dette er smart, fordi den omsatte (tabte) effekt i en modstand er R. I 2, og i lange ledninger kan modstanden være betragtelig. En fordel ved trefaset vekselstrøm er også, at man simpelt kan lave kraftige elmotorer, som roterer i takt med de tre fasers vekslen, her i Europa 50 gange pr. sekund, i USA 60. De senere år har jævnstrømmen imidlertid fået en slags renæssance i HVDC-forbindelserne (High Voltage Direct Current) over store afstande mellem fx Holland og Norge og mellem Tyskland og Sverige. Man kan nøjes med en ledning, idet strømmen "løber tilbage" igen gennem jorden. En fordel er, at det med en HVDC-forbindelse er lettere at slå bro mellem forskellige områders vekselstrømsnet, da man undgår problemer med faseforskel. En anden fordel er, at jævnstrømmen udnytter hele ledningen, hvor vekselstrømmen næsten kun løber i overfladen af en ledning (den såkaldte skin-effekt), og dermed oplever større modstand.