Faradays grundlæggende elektromagnetiske opdagelser

1. Faradays opdagelse af at strømmen i en ledning kan skabe strøm i en naboledning

På billedet til højre viser vi det simple apparat, som Faraday benyttede, da han beviste, at en elektrisk strøm i en ledning kan inducere strøm i en naboledning, der er parallel med den første ledning. Nederst sender et kobber - zink batteri strøm fra A til B. For oven er M en magnetnål. Den gør udslag når der går strøm rundt i det øverste kredsløb. Faraday vidste, at når han tændte for strømmen fra A til B i det nederste kredsløb, så dannes der et magnetfelt rundt om ledningen; og han iagttog at det bevirker at der kommer en kortvarig strøm i det øverste kredsløb. Denne strøm går fra D til C, altså modsat strømmen i det nederste kredsløb. Denne strøms varighed er meget kort; den er der faktisk kun i det tidsrum, hvor strømstyrken i det nederste kredsløb vokser fra 0 til batteriets ydeevne. Faraday opdagede også, at når han slukkede for strømmen forneden, så induceres der en kortvarig strøm for oven med samme retning som strømmen for neden. Resultatet er at det kun er et variabelt magnetfelt, der kan inducere strøm. Hermed er det altså lykkedes for for Faraday at skabe strøm ved hjælp af magnetisme!

2. Faradays opdagelse af induktionen

Ørsteds opdagelse i 1820 gjorde det klart at en elektrisk strøm skaber et magnetfelt omkring sig. Faraday blev derfor inspireret til at undersøge om et magnetfelt kan skabe en elektrisk strøm i en ledning. I sommeren 1831 lavede han et forsøg, som han beskrev som vist i rammen, med vores kommentarer i parentes:

Jeg har en jernring (af blødt jern), 7/8 tommer tyk, og 6 tommer i ydre diameter. Jeg vandt mange vindinger af kobbertråd (om jernringen), halvdelen af vindingerne var "separerede" (mon ikke det betyder isolerede) med tråd og kattun; (kattun betyder bomuld). Der var tre trådstykker, hver på 24 fod (dvs 8 meter!), og de kunne forbindes til én længde, eller bruges som adskilte tråde . . . Jeg kalder den ene side af ringen A. Den anden side, B, var omviklet med to tråde, 60 fod (dvs 20 meter!) . Vindingerne gik i samme retning i A og B . . . Jeg samlede trådene B til én tråd, og forbandt deres ender ved en kobbertråd, som gik tæt over en magnetnål. Derpå sluttede jeg en elektrisk strøm fra et batteri gennem en af trådene A. Øjeblikkeligt slog magnetnålen ud, svingede frem og tilbage, men kom snart i ro i sin oprindelige stilling. Afbrød jeg derpå strømmen gennem A, gjorde nålen atter udslag.

Ovenfor viser vi til venstre Faradays egen tegning og til højre viser vi en moderne fortolkning af den. Til venstre er det B - siden der fortolkes. Den magnetnål som Faraday benyttede er erstattet med det grønne måleinstrument.

Med dette forsøg havde Faraday opfundet induktionen af en elektrisk strøm ved hjælp af et variabelt magnefelt. Der induceres en elektrisk strøm på A siden når strømmen på B siden tændes eller slukkes. Faraday iagttog også at retningen af et strømstød i A afhang af, om man tændte eller slukkede for strømmen i B. Hvis man langsomt varierede strømstyrken i B blev der hele tiden induceret strøm gennem ledningen i A. Denne iagttagelse kunne have inspireret Faraday til begrebet vekselstrøm, men det gjorde det vist ikke.

3. Samarbejdet med Arago

På billedet til højre viser vi den lille makine, som den franske fysiker Francois Arago demonstrerede for Faraday. Når man drejer på håndsvinget, sørger tandhjulsudvekslingen for at den cirkelformede kobberskive bb roterer meget hurtigt. Ovenover skiven er der en firkantet glasplade, som lukker apparatet het tæt opadtil. Oven på glaspladen er der angragt en magnetnål ææ, som kan dreje sig omkring et punkt midt på glaspladen. Der er intet hul i glaspladen. Arago viste så Faraday, at når han drejede hurtigt på håndsvinget, så begyndte magnetnålen ææ at dreje sig i samme retning som kobberpladen, men langsommere. I begyndelsen troede Arago, at det var fordi der var en smule jern i kobberskiven, men en dygtig kemiker undersøgte sagen og beviste, at det intet jern var i kobberet. Arago begyndte så at tale om "rotationsmagnetime", men Faraday anede, at der i den roterende kobberskive opstod strømme, påvirkede af magnetfeltet fra Jorden eller fra magnetnålen ææ. Det synpunkt blev understøttet af, at hvis man lavede nogle radiale indsnit i pladen, så drejede ææ sig ikke nær så meget som før.

Det er beundringsværdigt at Arago byggede sin maskine for at bidrage til at finde ud af hvordan man kunne frembringe strøm ved hjælp af magnetisme.

4. Faradays dynamo

Hvis man holder en magnet nær ved en kobberplade sker der ingenting. Det er ikke overraskende. Det er derimod overraskende, at hvis man bevæger en pol af en magnet i nærheden af en kobberplade, så begynder der at gå strøm i kobberpladen; man siger, at der "induceres" en strøm. Vi får brug for følgende lov, der blev fundet af Emil Lenz omkring 1835: Den inducerede strøm vil søge at modvirke den bevægelse, der frembringer strømmen. Billedet til venstre viser en firkantet plade af kobber. Der er tegnet en cirkel med centrum C på pladen, og vi starter med at beskrive, hvad der sker, når man bevæger nordpolen af en magnet fra A til B langs den lille cirkelbue AB. Ifølge Lentzs lov skal der dannes et magnetfelt, der prøver at skubbe nordpolen tilbage fra B til A. På billedet er der med rødt tegnet en magnetisk feltlinje, der prøver at skubbe nordpolen tilbage fra B til A. Sådan en feltlinje dannes af den strøm, der er vist med gult. Den har Retning fra centrum og ud mod AB.

Resultatet er, at hvis man langsomt bevæger en magnets nordpol fra A til B og videre hele vejen rundt langs cirklen, så går der hele tiden en strøm med retning fra centrum og ud mod den magnetiske nordpol. Det samme gælder naturligvis hvis man holder magnetens nordpol stille over et punkt af cirklen og så drejer kobberpladen. Dette slutresultat medfører at Faradays dynamo virker.

Inspireret at Aragos maskine konstruerede Faraday i 1831 den maskine, som vi viser på billedet til venstre. Til venstre på billedet sidder der ved A en permanent magnet med to grene. De fortsætter på hver sin side af den roterende skive S, så der er en magnetisk nordpol på den ene side af S og en sydpol på den anden side af S. Under rotationen induceres der strøm i skiven. Strømmen løber radiært mellem det inderste af skiven og skivens omkreds. Strømmen løber fra skiven ned gennem fjederen F og ud gennem den røde ledning L1til venstre. Efter at have passeret en modstand med en magnetnål over kommer strømmen tilbage til den anden ledning L2. Faraday har hermed lavet den første dynamo, en maskine, der laver strøm mekanisk. Indtil Faradays tid var strøm altid frembragt kemisk, svarende til vore dages batterier. Det var et verdenshistorisk fremskridt, at man nu kunne skabe strøm ved hjælp af en mekanisk maskine.

5. Faradays elektromagnetiske rotationsmaskine

Den maskine vi viser til højre kaldte Faraday ikke en elektromotor, han kaldte den en elektromagnetisk rotationsmaskine. Grunden var nok, at Faraday godt var klar over, at selv om maskinen indeholder en stang der bevæger sig, kan den kun udføre et meget lille arbejde. Den skrå kobberstang er foroven sat fast på en en bøjelig ledning. Den kommer ind fra et batteri til venstre, og fortsætter gennem et snævert rør. Ved enden af røret fastgøres ledningen til den øverste ende af den bevægelige kobberstang. Stangen ender nede i noget kviksølv (Hg), der er hældt ned i en rotationssymmetrisk glasbeholder, som er tegnet blå på figuren. Fra kviksølvet fortsætter strømmen ned gennem den runde sorte magnet og derfra ud til højre og tilbage til den negative pol på batteriet. På billedet har jeg tegnet det, som om magneten udfylder hullet i bunden af glaskarret, men i Faradays originale maskine har der nok været et tætningsmateriale mellem magneten og glaskarret.

Grunden til at rotationsmaskinen virker er følgende: Det magnetfelt, som strømmen i den skrå stang danner, påvirker magnetens nordpol med en kraft, der peger ud mod os tilskuere. (Se eventuelt vores omtale af feltlinjer, der er link for oven.) Magneten kan ikke flytte sig. Så bruger Faraday Newtons tredie lov; den siger, at når man betragter to legemer A og B, og hvis A påvirker B med en kraft, så vil B påvirke A med en kraft, der er lige så stor, men som har den modsatte retning. (Du kan finde Newtons artikel ved at søge på emner, videre på Newtons 3 bevægelseslove, og der på det røde link.) Newton tænkte i denne forbindelse på mekaniske kræfter, men Faraday gættede på at loven også gælder for elektromagnetiske kræfter. I vores tilfælde her påvirker det magnetfelt, som strømmen i stangen danner om stangen, magnetens nordpol med en kraft, der peger ud mod os der ser på skærmen. Så siger loven, at magnetens nordpol vil påvirke den skrå stang med en kraft, der skubber stangens nederste ende med en lige så stor kraft, der peger væk fra os tilskuere. Da dette sker hele tiden vil stangens nederst ende bevæge sig rundt om magnetens nordpol.

Faraday konstruerede også et apparat hvor en tynd magnet var ophængt i en snor, der var fastgjort på den ene pol. I nærheden var den en stramt udspændt lodret strømførende ledning. Magneten begyndte så at rotere omkring ledningen

6. Et apparat til tydelig demonstration af induktionen

På billedet til venstre viser vi et apparat, som man kan bruge til at undersøge, hvordan induktion kan dannes. Vores kilde laCour oplyser ikke om, hvem der første gang konstruerede sådan et apparat, men sandsynligvis er det sket, lige efter at Faraday opdagede induktionen. For neden på billedet er der en magnetnål, som peger mod nord, når der ikke går nogen strøm i ledningen. Når man bruger apparatet, er kompasnålens drejningsvinkel både et mål for hvor stærk strøm, der går i ledningen, og hvilken retning strømmen går i. Opgave 25 Hvad skal man gøre, hvis man vil have nordenden af magnetnålen til at dreje sig ind bag skærmen?

Hvis du støder på et ord, hvis betydning du ikke kender, så søg på ordet.