Introduktion

Vad är egentligen elektromagnetisk teori? Är det studiet av magisk, osynlig och supercool energi? Nåväl, på ett sätt! Så vad är det bra för? I den här bloggen kommer vi att utforska denna lockande magi för att få en förståelse för vad det verkligen är.

Elektromagnetism är en gren av fysiken som handlar om interaktionen mellan elektriskt laddade partiklar och magnetfält.
Enkelt uttryckt skapar en elektrisk ström som flyter genom en tråd ett magnetfält runt tråden. Detta magnetfält kan användas för att skapa en magnet ur tråden, kallad en elektromagnet .
Dessutom kan ett magnetfält inducera en elektrisk ström i en närliggande tråd. Så fungerar till exempel en modern generator. Genom att rotera en spole i ett magnetfält genererar den en elektrisk ström i en tråd. Elektromagnetiska vågor används också i TV-sändningar, mobiltelefoner, Bluetooth, radio och alla andra former av trådlös teknik och kommunikation.

 

Magnetiska och elektriska fält - Elektromagnetiska fält

Elektromagnetiska fält är en kombination av osynliga elektriska och magnetiska kraftfält. De genereras av naturfenomen som jordens magnetfält, men också av mänskliga aktiviteter, främst genom användning av elektricitet. Figur 1 nedan visar en sådan våg genom ett föremål. Vi märker hur vågen vrider sig runt föremålet, som vi lärt oss att de gör med ledningar.

Figur 1 : Illustration av ett magnetfält genom ett föremål.

I vårt dagliga liv finns magnetfält runt omkring oss. Vi utsätts alla för elektromagnetiska fält i större eller mindre utsträckning. Exempel på detta är som sagt de fält som produceras av köksmaskiner, radioapparater och mobiltelefoner. Ett förändrat magnetfält kan generera ett elektriskt fält, vilket kan betraktas som trådlös energi. Detta koncept leder oss vidare till Maxwells ekvationer. Maxwells ekvationer är en uppsättning av fyra grundläggande ekvationer inom elektromagnetism som beskriver beteendet hos elektriska och magnetiska fält och deras interaktioner med varandra.

 

Maxwells ekvationer

De fyra grundläggande ekvationerna för klassisk elektromagnetism formulerades av James Clerk Maxwell på 1800-talet och används än idag inom många områden av fysiken. De fyra Maxwells ekvationer är Gauss lag för elektriska fält , Gauss lag för magnetiska fält, Faradays lag för elektromagnetisk induktion och Amperes lag med Maxwells korrigering .

 

Gauss lag för elektriska fält

Denna ekvation relaterar det elektriska fältet till laddningstätheten i ett givet område av rymden. Ekvationen beskriver att det elektriska flödet genom en stängd yta är proportionell mot laddningen som omsluts av ytan. Ok, ursäkta mig - kikhare? Låt oss gå igenom det steg för steg.

Föreställ dig en boll med ett gäng elektriska laddningar inuti. Om du ritar en tänkt yta runt bollen är den totala mängden elektriskt flöde genom denna yta proportionell mot mängden elektrisk laddning inuti ytan.

Den imaginära ytan vi ritade från bollen indikerar den slutna ytan . En sluten yta innehåller en volym, innesluten från alla håll. Den består av ett anslutet ihåligt stycke som inte har några hål. Så till exempel är föremålet i illustrationen som visas i figur 1 en sluten yta. Ett annat sätt att tänka på det är att föreställa sig ett gummiband. Ett elastiskt band är omedelbart också en sluten yta. Men om man skär resåren så att den har två ändar är det inte längre en sluten yta.

Nu behöver vi bara förstå vad flux är. Flux är en term som används i fysiken för att beskriva flödet eller rörelsen av något genom en yta eller gräns.

Föreställ dig att du har en vattenslang och riktar den mot en vägg. Slår du på vattnet rinner vattnet ut ur slangen och slår i väggen. Vattnet som träffar väggen är ett exempel på flux - vattnet rinner (eller "fluxar") genom gränsen (väggen).

Inom fysiken används ofta termen flux för att beskriva ström/flöde av alla möjliga saker och inte bara vatten. Flux kan därför mätas i många olika enheter. Just nu är vi till exempel intresserade av strömmen, flödet, av elektriska och magnetiska fält.

Okej, så nu har vi en bättre förståelse av alla orden i Gauss lag om elektriska fält - detta kommer att hjälpa oss att förstå de andra tre lagarna.

Den matematiska formeln för Gauss lag är lite komplicerad, men den beskriver samma sak – den relaterar det elektriska flödet genom en sluten yta till den totala laddningen som omges av den ytan. För att lära dig mer om matematiken och försöka räkna ut den själv hänvisas du längre ner till en hemsida som visar alla formler vi går igenom i den här bloggen.

 

Gauss lag för magnetfält

Denna ekvation relaterar magnetfältet till den magnetiska laddningstätheten i ett givet område i rymden. Ekvationen beskriver att det inte finns några isolerade magnetiska laddningar i naturen, och det magnetiska flödet genom en stängd yta är alltid noll.

Detta betyder att summan av alla magnetfältlinjer som kommer in på en sluten yta är lika med summan av alla magnetfältlinjer som lämnar ytan. Det som går in går ut igen.

Detta kan verka kontraintuitivt, eftersom vi ofta tänker på magnetfältslinjer som början och slutet av magnetiska poler. Men Gauss lag säger oss att för varje stängd yta måste antalet fältlinjer (flödet) som kommer in på ytan vara lika med antalet fältlinjer som lämnar ytan, oavsett var de börjar eller slutar.

 

Faradays lag om elektromagnetisk induktion

Denna ekvation beskriver hur ett föränderligt magnetfält kan skapa ett elektriskt fält. Den beskriver att det elektriska fältet som induceras i en sluten slinga är proportionell mot förändringshastigheten för det magnetiska flödet genom slingan. Detta fenomen är känt som elektromagnetisk induktion, och som sagt, detta utgör grunden för driften av generatorer och transformatorer samt många andra elektriska och elektroniska apparater.

 

Amperes lag med Maxwells rättelse

Denna ekvation relaterar magnetfältet till strömtätheten i ett givet område i rymden. Den beskriver att magnetfältet som induceras runt en sluten slinga är proportionellt mot strömmen som passerar genom slingan, med en korrigeringsterm som tar hänsyn till det tidsvarierande elektriska fältet.

Tillsammans ger dessa ekvationer en fullständig beskrivning av beteendet hos elektriska och magnetiska fält och deras interaktioner med varandra. De utgör grunden för klassisk elektromagnetisk teori. Om du vill lära dig mer om den specifika matematiken bakom dessa ekvationer, titta här för att komma igång.

Dessa ekvationer har varit extremt användbara för att utveckla teknologier som radioapparater, tv-apparater, mobiltelefoner och medicinsk bildutrustning. Sammantaget är elektromagnetisk teori en grundläggande del av vår förståelse av den fysiska världen och har haft en djupgående inverkan på vår teknologi och vårt sätt att leva.