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 eksempelvis sådan en moderne generator virker: Ved at rotere en ledningsspole i et magnetfelt skabes elektrisk strøm i ledningen.

Elektromagnetiske bølger bruges også til tv-udsendelser, mobiltelefoner, Bluetooth, radio og alle andre former 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 skabe et elektrisk felt, som kan betragtes som trådløs energi. Dette fører os til Maxwells ligninger. Maxwells ligninger er fire grundlæggende ligninger i elektromagnetismen, som beskriver elektriske og magnetiske felters opførsel og deres samspil.

Maxwell's ligninger

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 omsluttet af fladen – inden for den lukkede flade. 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 lukkede flade omslutter et rumfang fra alle retninger. Den består af et sammenhængende, hult stykke uden åbninger. Eksempelvis er objektet i illustrationen i figur 1 en lukket flade. Tænk 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 blot forstå, hvad flux er. Flux er et begreb i fysik, som beskriver strømmen eller bevægelsen af noget gennem en flade eller 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 bruges ”flux” ofte om strømmen af mange slags størrelser, ikke kun vand. Flux kan derfor måles i forskellige enheder afhængigt af størrelsen. Her er vi eksempelvis 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 lidt mere kompliceret, men siger i bund og grund det samme: Den relaterer den elektriske flux gennem en lukket flade til den samlede ladning, der omsluttes af fladen.

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.

Det betyder, at summen af magnetfeltlinjer ind gennem en lukket flade er lig summen ud gennem fladen. Det, der kommer ind, går ud.

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 kaldes elektromagnetisk induktion og ligger til grund for generatorer, transformatorer og 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.