Elektromagnetisme er fagfeltet innen fysikk som handler om elektrisitet, magnetisme og det som knytter elektrisitet og magnetisme sammen.

Alt av elektriske og elektroniske apparater gjør bruk av elektromagnetisme. I naturen finnes det også mange elektromagnetiske fenomener, fra alminnelig lys og andre typer stråling til mer spesielle fenomener som lyn, nordlys og virkemåten til kompass.

Elektromagnetisme deles inn i elektrostatikk, magnetostatikk og elektrodynamikk. Elektrostatikken handler om ladninger i ro, mens magnetostatikken handler om konstante strømmer og permanente magneter. I elektrodynamikken betraktes samspillet mellom ladninger, deres bevegelser og kreftene som virker på dem. Videre vil de elektriske og magnetiske feltene kunne variere med tiden og koble til hverandre: Et varierende magnetisk felt gir opphav til et varierende elektrisk felt, og omvendt.

Hvis man gnir en ballong mot hodet, vil håret tiltrekkes av ballongen. Dette skjer fordi en liten andel av elektronene fra håret hopper over til ballongen, noe som gjør ballongen negativt ladd og håret positivt ladd.

Det at motsatte ladninger tiltrekker hverandre, og like frastøter hverandre, er sentralt for elektrisitet og beskrives av Coulombs lov:

\( F = \frac{Q_1Q_2}{4\pi\epsilon_0 r^2} \)

Her er \(F\) kraften, \( \epsilon_0 \approx 8,85\cdot 10^{-12}\)F/m er permittiviteten i vakuum, \( Q_1 \) og \( Q_2 \) er de to ladningene, og \( r \) er avstanden mellom dem.

Coulombs lov sier altså at kraften mellom ladningene er rettet langs linja mellom dem, og at kraften avtar som kvadratet av avstanden.

Coulombs lov og Gauss' lov. De elektriske feltlinjene starter på positive ladninger og ender på negative.

av Geek3. CC BY SA 3.0

Det elektriske feltet defineres som den elektriske kraften på en liten punktladning delt på ladningen. Fra Coulombs lov følger Gauss' lov, som sier at alle positive ladninger omgir seg med et elektrisk felt som peker ut fra dem, mens det elektriske feltet peker inn mot negative ladninger.

I stedet for å beskrive elektrisitet med et felt, kan vi bruke elektrisk potensial. En potensialforskjell mellom to punkter defineres som arbeidet som må utføres for å flytte en ladning fra det ene til det andre punktet, delt på ladningen. Intuitivt kan man tenke på potensial som høyde i mekanikken: En positiv ladning vil da kunne «falle» nedover i potensial-terrenget, på samme måte som en ball ruller ned en bakke.

Hvis ladninger beveger på seg, har vi en strøm. Strøm defineres som mengde ladning som passerer et tverrsnitt av lederen per tidsenhet. For ideelle ledere går strømmen helt av seg selv uten å stoppe, mens i en vanlig leder trengs det elektrisk felt for å opprettholde strømmen.

I en perfekt isolator vil det ikke gå strøm uansett hvor stort det elektriske feltet er. En superleder kan sees på som en ideell leder under gitte betingelser, mens den eneste ideelle isolatoren er vakuum. Metaller er eksempler på gode ledere, mens for eksempel luft, glass og plast er gode isolatorer.

Ampères lov. Det magnetiske feltet rundt en lang, rett leder som fører en strøm inn i papiret, sirkulerer rundt lederen og avtar med avstanden. Retningen er slik at hvis du lar din høyre tommel gå i strømretningen, går feltet langs de andre fingrene.

av Geek3. CC BY 3.0

En konstant strøm gir opphav til et magnetisk felt. Dette beskrives av Biot–Savarts lov og Amperes lov. Det magnetiske feltet vil igjen påvirke ladninger i bevegelse via den såkalte lorentzkraften.

Amperes lov viser for eksempel at feltet rundt en enkelt, lang, strømførende ledning er proporsjonal med strømmen og omvendt proporsjonal med avstanden. Det betyr at det er strømmen, og ikke spenningen, som gir det magnetiske feltet.

I permanentmagneter vil atomene effektivt sett inneholde sirkulerende strømmer. Disse strømmene gir opphav til et magnetisk felt. For en 1 cm høy neodymmagnet vil de sirkulerende strømmene gi det samme feltet som hvis det hadde gått 10000 ampere rundt overflaten -- de sirkulerende strømmene kan altså være kraftige.

Hvis et magnetfelt varierer med tiden, vil det oppstå et sirkulerende elektrisk felt. Dette elektriske feltet kan igjen gi en strøm. Dette er innholdet i Faradays lov, som gir grunnlaget for å produsere strøm med en generator i et vannkraftverk.

Motsatt vil også et varierende elektrisk felt gi opphav til et varierende magnetisk felt. De elektriske og magnetiske feltene er altså koblet sammen. Så fort de har blitt satt i gang, kan de holde det gående i form av en elektromagnetisk bølge. Elektromagnetiske bølger genereres av aksellererte ladninger (eller varierende strømmer).

Elektromagnetismen er oppsummert i Maxwells fire ligninger:

  • \( \epsilon_0\nabla\cdot\mathbf E = \rho \), Gauss' lov. Beskriver hvordan det strømmer feltlinjer ut av positive ladninger, og inn mot negative.
  • \( \nabla\cdot\mathbf B = 0 \), Gauss' lov for magnetfelt. Det kan ikke strømme magnetfelt ut eller inn av et punkt; magnetiske feltlinjer er lukkede kurver.
  • \( \nabla\times\mathbf E = -\frac{\partial\mathbf B}{\partial t}\), Faradays lov. Et varierende magnetfelt induserer et sirkulerende elektrisk felt.
  • \( \nabla\times\mathbf B = \mu_0\mathbf J + \epsilon_0\mu_0\frac{\partial\mathbf E}{\partial t} \), Ampere--Maxwells lov. En strøm og/eller et varierende elektrisk felt induserer et sirkulerende magnetisk felt.

Her er \(\mathbf E\) det elektriske feltet, og \(\mathbf B\) det magnetiske (kalles ofte magnetisk flukstetthet). Videre er \(\rho\) romladningstettheten, \(\mathbf J\) strømtettheten og \(\mu_0=4\pi\cdot 10^{-7}\)H/m permeabiliteten i vakuum.

I tillegg til Maxwells ligninger har vi lorentzkraften, som viser hvordan feltene virker på en ladning \(Q\) med hastighet \(\mathbf v\):

\( \mathbf F = Q\mathbf E + Q\mathbf v\times\mathbf B. \)

Maxwells ligninger ovenfor er formulert i vakuum. De kan også brukes i et medium, forutsatt at ladningstettheten og strømtettheten inkluderer de bundne ladningene og strømmene i mediet, de som er bundet opp i dipoler. Det er imidlertid mer vanlig å bake disse inn i såkalt polariseringstetthet \(\mathbf P\) og magnetiseringstetthet \(\mathbf M\), og introdusere nye felt \( \mathbf D=\epsilon_0\mathbf E+\mathbf P \) og \(\mathbf H = \mathbf B/\mu_0 – \mathbf M\). Da blir Maxwells ligninger:

  • \( \nabla\cdot\mathbf D = \rho \),
  • \( \nabla\cdot\mathbf B = 0 \),
  • \( \nabla\times\mathbf E = -\frac{\partial\mathbf B}{\partial t} \),
  • \( \nabla\times\mathbf H = \mathbf J + \frac{\partial\mathbf D}{\partial t} \).

En observatør som står i ro i forhold til en linje med ladninger ser ladninger i ro, og derfor et elektrisk felt, men ikke noe magnetfelt. En observatør som beveger seg langs linja, ser derimot ladninger som flytter seg den andre veien. Den siste observatøren ser altså både ladninger og en strøm, og derfor også et magnetisk felt. På denne måten finner vi at elektriske og magnetiske felter er to sider av samme sak. Dette er beskrevet nærmere i relativitetsteorien.

Siden all materie består av ladninger, er elektromagnetisme en viktig fundamental teori. Videre spiller elektromagnetiske bølger en stor rolle i fysikken, teknologien og naturen, ikke minst fordi lys er elektromagnetiske bølger.

Noen eksempler på bruk av elektromagnetisme:

  • Alt elektrisk/elektronisk utstyr
  • Elektroniske komponenter: spoler, kondensatorer, motstander, transformatorer, motorer, generatorer, høytalere, kabler, antenner, bølgeledere, transistorer, integrerte kretser, sensorer og lagringsenheter
  • Optiske komponenter: optiske fibre, linser, speil, lyskilder, lasere, detektorer, skjermer
  • Elektromagnetiske fenomener i naturen: lyn, nordlys, kompass, stråling, egenskaper til vann og så videre

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

4. mai skrev Øyvind Grøn

Hei Johannes!
Veldig fin oppdatering av stikkordet elektromagnetisme du har skrevet. Det var en stor forbedring av artikkelen i papirutgaven.
Jeg gjorde kun et par små korrektur-endringer før godkjenningen.
Beste hilsen
Øyvind

Har du spørsmål om eller kommentarer til artikkelen?

Kommentaren din vil bli publisert under artikkelen, og fagansvarlig eller redaktør vil svare når de har mulighet.

Du må være logget inn for å kommentere.