Hvad er elektromagnetisme? ...Fortalt, så en alien ville kunne forstå det

Hej aliens, velkommen til Jorden, hvor kalenderen i dag viser 21. juli 2020.

Dagen i dag er en stor dag for os mennesker, for i dag er det præcis 200 år siden, at fænomenet, vi kalder for elektromagnetismen, blev opdaget.

21. juli 1820 skrev, publicerede og delte fysikeren H. C. Ørsted nemlig den allerførste videnskabelige artikel, der beskrev elektromagnetismen.

Det er lidt af en ‘big deal’, for hvis ikke vi kendte elektromagnetismen, ville opfindelser som radioen, mobiltelefonen, vindmøller og mange flere ting ikke kunne eksistere i dag.

Derudover hjælper elektromagnetismen os med at forstå grundlæggende fænomener som lys, elektricitet og magnetisme, der alt sammen udtrykker sig gennem elektromagnetismen.

Vildt ikke? Jo. ‘Men hvordan hænger det lige sammen?’ tænker du måske. Her er din hjælp.

I anledning af jubilæet kvitterer Videnskab.dk her med en pædagogisk artikel, der én gang for alle vil hjælpe dig med at forstå, hvad elektromagnetisme er.

Hvad er elektricitet?

Hvis du nu var en alien, så ville du nok lige have brug for en hurtig gennemgang af de grundlæggende fysiske fænomener - elektricitet og magnetisme - der ligger til grund for det tredje fysiske fænomen - elektromagnetismen.

Derfor starter vi med en forklaring af, hvad elektricitet egentlig er. Selvom det lyder banalt, (for, ‘hey, du ved da godt, hvad elektricitet er’) så er det ikke et helt dumt spørgsmål.

»‘Hvad er...?'-spørgsmål i fysikken er tit de sværeste at svare på, fordi det kommer til at handle om den mest fundamentale forståelse af vores verden,« siger Jonathan Gammeltoft, der arbejder som underviser på Niels Bohr Institutet i København.

»Hvis man helt grundlæggende skal forklare, hvad elektricitet er, så skal man ind og se på elektronen. Elektricitet, som vi oplever den i dagligdagen, skabes grundlæggende af elektroner i bevægelse,« starter han.

Der findes forskellige typer af elektricitet (se faktaboksen), men når vi skal forstå elektromagnetismen, er det kun den såkaldte dynamiske elektricitet, altså den elektriske strøm, der er relevant.

Den elektriske strøm findes i to varianter:

• Jævnstrøm, der findes i et batteri. Her bevæger elektronerne sig rundt og rundt i et kredsløb fra minus til plus - ligesom biler i en racerbane.
• Og vekselstrøm, der findes i stikkontakten. Her bevæger elektronerne sig hele tiden, men på en mere ‘hakkende’ måde - hvis det var racerbiler, ville de hele tiden køre frem og bakke, køre frem og bakke, køre frem og bakke.

Begge typer strøm skaber elektromagnetisme, så det vigtigste at forstå er blot, at elektrisk strøm helt overordnet kommer af elektroner i bevægelse.

Electric Wires GIF from Electrician GIFs

Når strøm farer rundt gennem ledninger og stikkontakter, som det ses her, skyldes det altså, at nogle elektroner bevæger sig og har det vildt.

Hvad er magnetisme?

Strøm = elektroner i bevægelse. Tjek? Tjek. Men hvad med magnetisme? Hvad er det så?

De fleste, der har haft en køleskabsmagnet i hånden eller har været i et fysiklokale med stangmagneter, har nok en idé om, hvad magnetisme er. Det må have noget med magneter at gøre, men det er ikke en helt fyldestgørende forklaring for en fysiker.

»Det er faktisk et rigtig svært spørgsmål. Hvis vi skal gå helt ned i, hvad magnetisme er, så skal vi gå dybt ind i kvantemekanikken,« siger Jonathan Gammeltoft og uddyber:

»Det vigtigste at forstå om magnetisme i forhold til elektromagnetisme er, at magnetisme ligesom med strøm også altid skyldes elektroner i bevægelse. Så snart de ladede elektroner er i bevægelse, bliver der skabt et magnetfelt, og det er den vigtigste pointe.«

Når en køleskabsmagnet eller en stangmagnet, som man kender fra fysiklokalet, er magnetiske - og derfor enten frastøder eller tiltrækkes af hinanden - sker det altså, fordi der er et magnetfelt, og magnetfeltet skabes af, at nogle elektroner bevæger sig i magneterne.

Ima Magnetico GIF from Ima GIFs

Når en magnet 'skubber' til en anden magnet, som det ses her, skyldes det et magnetfelt, som er et udtryk for, at nogle elektroner bevæger sig.

Hvad er elektromagnetisme?

Måden, elektrisk strøm og magnetisme opstår på, har altså ét fællestræk: Elektroner i bevægelse.

»Begge ting (elektrisk strøm og magnetisme, red.) har været kendt i årtusinder. Ørsted opdagede, at det er samme effekt, der er skyld i de to fænomener. Derfor bliver de klistret sammen til elektromagnetismen,« forklarer Søren Pape Møller, der er centerleder ved Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet

Og hvad er det så, der sker, når elektroner bevæger sig rundt og påvirker hinanden? Jo, der sker det, at elektrisk strøm skabes, og magnetfelter dannes.

Elektromagnetisme er altså egentlig ‘blot’ effekten af, hvad der sker, når de små, usynlige elektroner bevæger sig rundt og påvirker hinanden.

For at opsummere ved vi nu, at elektrisk strøm påvirker og ændrer magnetfeltet omkring sig, og vi ved, at et magnetfelt forårsager elektrisk strøm. Og at det var Ørsted, der opdagede, at der var denne sammenhæng.

Sådan opdagede Ørsted elektromagnetismen

Men hvordan fandt Ørsted så frem til den konklusion?

Elektromagnetismen har selvfølgelig altid fandtes i elektrisk strøm og magnetisme, men Ørsted formåede at gøre det usynlige elektromagnetiske felt synligt med sit meget berømte eksperiment tilbage i 1820.

»Man kan sige, at han legede sig lidt frem til det. Han havde haft ideen om forbindelsen i mange år, men havde ikke kunnet påvise den,« siger Jonathan Gammeltoft.

Siden 1800 havde Ørsted haft en såkaldt voltasøjle, der er den tidligste forløber til det elektriske batteri.

På en forårsdag i 1820 stod Ørsted så i sit laboratorium i København og bøvlede med et stykke platintråd og en magnetnål. Med sin voltasøjle sendte han en ladning strøm gennem tråden, der var tæt ved nålen, og her kunne han se, at magnetnålen bevægede sig i små ryk.

»Ørsted har sikkert troet, at han skubbede til bordet, men det er hans fortjeneste, at han reflekterede videre over det,« siger Søren Pape Møller.

Ørsted lavede flere eksperimenter, hvor han satte ledningen over og under magnetnålen, og her kunne han se, at kompasnålen slog ud til hver sin side, alt efter om ledningen var over eller under nålen.

»Han kom frem til, at der måtte være ‘noget’ omkring ledningen. ‘Noget’, der drejer rundt om den, og tilsyneladende var ‘noget’ symmetrisk,« siger Jonathan Gammeltoft.

Det var det ellers usynlige elektromagnetiske felt, der åbenbarede sig for ham.

Opdagelsen noterede han sig med pen og papir, og 21. juli 1820 - for præcis 200 år siden - delte han den med hele verden.

GIF

Strømmens påvirkning af den magnetiske kompasnål, som Ørsted påviste, afslørede, at elektromagnetismen fandtes.

Elektromagnetismen er i dag kendt som en af de fire fundamentale naturkræfter: De andre tre er den svage kernekraft, den stærke kernekraft og tyngdekraften.

Hvordan bruger vi opdagelsen af elektromagnetismen i dag?

Og, tænker du så måske, hvad kan man så bruge denne opdagelse til? Hvad bruger du den til i din hverdag? Var det noget med nogle vindmøller og radioer?

Ja, lige præcis. Alt fra radioen, telefonen, computeren og al den moderne teknologi, som vi er så dybt afhængige af i dag, kan vi bruge på grund af Ørsteds opdagelse af elektromagnetismen.

Her får du tre eksempler.

Eksempel 1: Vindmøller

Men det kræver lige en forhistorie. Briten Michael Faraday opdagede nemlig, at man gennem elektromagnetismen kunne lave noget, der hedder induktion.

Induktion er lidt det omvendte af, hvad Ørsted opdagede. Ørsted opdagede, at når vi tænder for strøm, så får vi et magnetfelt.

Men hvis vi til gengæld ikke har strøm, men vi har et magnetfelt og så bevæger dette magnetfelt, så kan vi skabe strøm, og den slags strøm kaldes for induktionsstrøm.

»Det er sådan, en vindmølle fungerer. Oppe i hovedet på vindmøllen, sidder der en magnet, der bliver bevæget gennem vindenergi, og så får man induceret strøm ud i nogle store kobberspoler,« forklarer Jonathan Gammeltoft.

GIF

En vindmølle virker grundlæggende ved, at vinden skubber til nogle kæmpe vindmølleblade, der får en magnet til at bevæge sig gennem en spole, der skaber induktionsstrøm, som det ses foroven.

Eksempel 2: Induktionskomfuret

Et andet eksempel er noget så hverdagsagtigt som et induktionskomfur.

Under kogepladen sidder der en stor spole med en helt masse ledninger viklet omkring. Når man tænder for strømmen, løber den gennem spolen, og man har ét stort magnetfelt. Magnetfeltet fra spolen inducerer en strøm inde i jerngryden.

Da det ikke er en ledning, men en plade, så forekommer der faktisk en masse små hvirvler af elektroner inde i selve gryden, og det er den strøm, der varmer gryden op - lidt ligesom, når man gnider sine hænder og kan mærke, at de bliver varmere.

»Friktionen gør gryden varm, men kogepladen har faktisk aldrig været varm af andet end den varme, der kommer fra jerngryden,« forklarer Jonathan Gammeltoft.

Eksempel 3: Højttalere og mikrofoner

I højttalere og mikrofoner spiller elektromagnetismen også en hovedrolle i form af elektromagneter. Elektromagneter er nemlig rigtig gode til at omdanne en fysisk bevægelse (som lyd jo grundlæggende er) til et elektrisk signal og omvendt.

»En elektromagnet bevæger sig op og ned vildt hurtigt, og på den måde skaber den et elektrisk signal. Så inde bag din højttaler, sidder der eksempelvis en elektromagnet, der skaber vibrationer, og de vibrationer bliver skabt af en elektromagnet i bevægelse.« fortæller Jonathan Gammeltoft.

»Det er det omvendte, der sker med en mikrofon. Når du synger ind i en mikrofon, så skubber du til luften, der skubber til en elektromagnet, der omdanner det fysiske signal til et elektrisk signal, der kan sendes gennem en ledning og ind i en computer for eksempel.«

Følg med i Videnskab.dk's Ørsted-dækning

Vi håber, at du er blevet klogere. Som led i 200-året for Ørsteds opdagelse af elektromagnetismen, laver Videnskab.dk en række artikler om Ørsted og elektromagnetismen.

Du kan allerede nu læse om, at Ørsted faktisk også var den første til at fremstille aluminium tilbage i 1825. Opdagelsen tog han dog ikke så alvorligt, og først omkring 100 år efter blev opdagelsen anerkendt.

Du kan også læse, hvordan tysk filosofi var med til at få Ørsted på sporet af elektromagnetismen.

Du kan også klikke dig rundt i grafikken her og se, hvilke ord seks danske Ørsted-forskere bruger, når de skal sætte ord på Ørsted: