Introduktion

Hvad er elektromagnetisk teori egentlig? Er det studiet af magisk, usynlig og super cool energi? Tjo, på en måde! Så hvad er det godt for? I denne blog vil vi udforske denne lokkende magi for at få en forståelse af, hvad det egentlig er.

Elektromagnetisme er en gren af fysikken, der beskæftiger sig med samspillet mellem elektrisk ladede partikler og magnetfelter.
Kort sagt, en elektrisk strøm, der strømmer gennem en ledning, skaber et magnetfelt omkring ledningen. Dette magnetfelt kan bruges til at skabe en magnet ud af ledningen, kaldet en electromagnet.
En ændring i den magnetiske flux gennem en ledningssløjfe kan inducere en spænding og, i et lukket kredsløb, en strøm. Det er for eksempel sådan en moderne generator fungerer. Ved at dreje en spole i et magnetfelt genererer den en elektrisk strøm i en ledning. Elektromagnetiske bølger bruges også til tv-udsendelser, mobiltelefoner, Bluetooth, radio og enhver anden form for trådløs teknologi og kommunikation.

 

Magnetiske og elektriske felter - Elektromagnetiske felter

Elektromagnetiske felter er en kombination af usynlige elektriske og magnetiske kraftfelter. De genereres af naturfænomener som Jordens magnetfelt, men også af menneskelige aktiviteter, hovedsageligt ved brug af elektricitet. Figur 1 nedenfor illustrerer magnetiske feltlinjer omkring og gennem et objekt. Feltlinjer er en måde at vise feltets retning på; de er ikke i sig selv elektromagnetiske bølger.

Figur 1: Illustration af en magnetisk felt gennem et objekt.

I vores dagligdag er magnetfelter overalt omkring os. Vi er alle i større eller mindre grad udsat for elektromagnetiske felter. Eksempler for dette er som sagt de felter, der produceres af køkkenmaskiner, radioer og mobiltelefoner. Et skiftende magnetfelt kan generere et elektrisk felt, som kan betragtes som trådløs energi. Dette koncept fører os videre til Maxwells ligninger. Maxwells ligninger er et sæt af fire grundlæggende ligninger i elektromagnetisme, der beskriver opførslen af elektriske og magnetiske felter og deres interaktioner med hinanden.

 

Maxwell's ligninger

De fire grundlæggende ligninger i klassisk elektromagnetisme blev formuleret af James Clerk Maxwell i det 19. århundrede og bruges stadig i dag inden for mange områder i fysik. De fire Maxwells ligninger er Gauss' lov for elektriske felter, Gauss' lov for magnetfelter, Faradays lov om elektromagnetisk induktion og Amperes lov med Maxwells korrektion.

 

Gauss Lov for elektriske felter

Denne ligning relaterer det elektriske felt til ladningstætheden i et givet område i rummet. Ligningen beskriver, at den elektriske flux gennem enhver lukket flade er proportional med ladningen omkranset af overfladen. Ok, undskyld mig - hvabehar? Lad os gennemgå det trin for trin.

Forestil dig en bold med en masse elektriske ladninger inde i den. Hvis man tegner en imaginær flade omkring bolden, er den samlede mængde elektrisk flux gennem denne flade proportional med mængden af elektrisk ladning inde i fladen.

Den imaginære flade vi tegnede ud fra bolden, indikerer den lukkede flade. En lukket flade indeholder et rumfang, indesluttet fra alle retninger. Den består af et forbundet, hult stykke, der ikke har nogen huller. Så for eksempel er objektet i illustrationen vist i figur 1 en lukket flade. Tænk eksempelvis på overfladen af en hel ballon, der omslutter et rumfang. En elastik danner derimod en lukket kurve, ikke en lukket flade i tre dimensioner.

Nu skal vi bare forstå, hvad flux er. Flux er et udtryk, der bruges i fysik til at beskrive strømmen eller bevægelsen af noget gennem en overflade eller en grænse.

Forestil dig, at du har en vandslange, og du peger den mod en væg. Hvis du tænder for vandet, strømmer vandet ud af slangen og rammer væggen. Vandstrømmen gennem en tænkt flade lige foran væggen illustrerer flux. Vandet behøver ikke at passere gennem selve væggen.

I fysik benyttes udtrykket flux ofte til at beskrive strømmen/flowet af alle mulige ting og ikke kun vand. Flux kan derfor måles i mange forskellige enheder. Lige nu er vi for eksempel interesseret i strømmen, fluxen, af elektriske og magnetiske felter.

Okay, så nu har vi en bedre forståelse af alle ord i Gauss Lov for Elektriske Felter - dette vil hjælpe os med at forstå de tre andre love.

Den matematiske formel for Gauss lov er en smule kompliceret, men den beskriver det samme - den relaterer den elektriske flux gennem en lukket overflade til den samlede ladning, der er omgivet af denne overflade. For at lære mere om matematikken og prøve at regne på det selv, henvises der længere nede til en hjemmeside, som viser alle formler vi går igennem i denne blog.

 

Gauss Lov for magnetiske felter

I klassisk elektromagnetisme siger denne ligning, at magnetfeltets divergens er nul: der indgår ingen isolerede magnetiske monopoler. Den samlede magnetiske flux gennem enhver lukket flade er nul.

Dette betyder, at summen af alle magnetfeltlinjer, der kommer ind i en lukket overflade, er lig med summen af alle magnetfeltlinjer, der forlader overfladen. Det, der kommer ind, går ud igen.

Dette kan måske virke kontraintuitivt, da vi ofte tænker på magnetfeltlinjer som start og slutning på magnetiske poler. Men Gauss lov fortæller os, at for enhver lukket overflade skal antallet af feltlinjer (fluxen), der kommer ind i overfladen, være lig med antallet af feltlinjer, der forlader overfladen, Magnetiske feltlinjer har ikke start- og slutpunkter ved polerne; de fortsætter gennem magneten.

 

Faradays lov om elektromagnetisk induktion

Denne ligning beskriver, hvordan et skiftende magnetfelt kan skabe et elektrisk felt. Den siger, at den inducerede elektromotoriske spænding rundt om en lukket sløjfe er lig minus ændringshastigheden af den magnetiske flux gennem sløjfen. Dette fænomen er kendt som elektromagnetisk induktion, og som sagt danner dette grundlaget for driften af generatorer og transformatorer samt mange andre elektriske og elektroniske enheder.

 

Amperes lov med Maxwells korrektion

Denne ligning relaterer magnetfeltet til strømtætheden i et givet område i rummet. Den relaterer magnetfeltets cirkulation rundt om en lukket kurve til strømmen gennem en flade afgrænset af kurven samt et forskydningsstrømsled fra det tidsvarierende elektriske felt.

Sammen giver disse ligninger en komplet beskrivelse af opførslen af elektriske og magnetiske felter og deres interaktioner med hinanden. De danner grundlaget for klassisk elektromagnetisk teori. Hvis du vil lære mere om den specifikke matematik for disse ligninger, kan du kigge her for at komme i gang.

Disse ligninger har været yderst nyttige til at udvikle teknologier, såsom radioer, fjernsyn, mobiltelefoner og medicinsk billeddannelsesudstyr. Samlet set er elektromagnetisk teori en grundlæggende del af vores forståelse af den fysiske verden, og det har haft en dybtgående indvirkning på vores teknologi og livsstil.