Ørsted og elektromagnetisme
Den første som i 1820 beskrev elektromagnetisme (elektrisitet + magnetisme) var den danske fysikeren Hans Christian Ørsted (1777-1825). Ørsted oppdaget at når han sendte likestrøm gjennom en elektrisk ledning så slo kompassnålen som pekte mot nord ut til siden i et kompass som lå i nærheten strømledningen. Ørsted viste at et hvis elektrisk likestrøm blir sendt gjennom en kobberledning så blir det dannet et magnetfelt rundt den strømførende ledningen. De magnetiske feltlinjene danner sirkler rundt og vinkelrett på den elektriske lederen. Sendte Ørsted strømmen motsatt vei, det vil si byttet polene pluss (+) og minus (-), så skiftet magnetfeltet retning. Høyrehåndsregelen hvis du holder hånden rundt den elektriske lederen og lar tommelen peke i retningen for elektronstrømmen så følger magnetfeltet retningen som fingene holder rundt ledningen. Størrelsen på magnetfeltet er proporsjonal med strømstyrken. Styrken på magnetfeltet er omvendt proporsjonalt med avstanden fra kobberledningen som leder strømmen. Ørsted laget også metallisk aluminium
Ørsteds lov: elektrisk strøm lager et magnetfelt. Målenheten Ørsted (Oe) blir brukt for magnetisk induksjon. I vakuum er 1 Ørsted (Oe)= 1 gauss (G).
Voltasøylen og elektrokjemi
Forutsetningen for å oppdage elektromagnetisme var å ha en strømkilde med likestrøm. Den italienske fysikeren og kjemikeren Allesandro Volta (1745-1827) konstruerte voltasøylen som ga elektrisk strøm basert på elektrokjemi, beskrevet til Royal Society i år1800. Voltasøylen bestod av en stabel med voltaceller, også kalt galvaniske elementer, basert på kjemiske reaksjoner (elektrokjemi) med spontan oksidasjon og reduksjon fra to typer metaller atskilt med saltløsninger (elektrolytt) i papp. Navn etter den italienske vitenskapsmannen Luigi Galvani (1737-1798). Eksempel på en galvanisk celle er en zinkanode med metallisk zink (Zn) omgitt av en løsning av zinksulfat (ZnSO4). Anoden står i kontakt med katoden via en saltbro (elektrolytt) eller porøs plate fra en kobberkatode (Cu) omgitt av en løsning med kobbersulfat (CuSO4). I den galvaniske cellene vil det gå elektroner (e-) fra Zn-anoden hvor det skjer en oksidasjon, avgir elektroner, til Cu-katoden hvor det skjer en reduksjon, mottar elektroner.
Zn → Zn2+ + 2e- (oksidasjon)
Ved kobberkatoden reagerer elektroner med protoner (H+) i løsningen og danner hydrogengass som viser seg som små bobler
2H+ + 2e- → H2
Via saltbroen går det Zn2+ (kationer) fra anodeløsningen over til katodeløsningen. Motsatt vei går det anioner (SO42-) fra katodeløsningen over til anodeløsningen. Voltasøylen er den første konstruksjonen av et batteri med elektroder av zink og kobber. Galvani oppdaget at musklene på et froskebein trakk seg sammen når de ble utsatt for en elektrisk gnist De viribus electricitatis in motu musculari (1794).
Michael Faraday og elektrisk induksjon
En engelske vitenskapsmannen Michael Faraday (1791-1867) kjente til Ørsteds oppdagelse og tenkte i 1831 at hvis man gjorde det motsatte, roterer magneten kan det bli dannet elektrisk strøm i kobberledningen. Et av Faradays eksperimenter var at hvis en hadde en liten spole med kobberledning koblet til et batteri (voltasøyle) og puttet den lille spolen ned i en større spole med kobberledning så ble det et utslag på et måleapparat som måler elektrisitet, et galvanometer. Samme effekten fikk kan hvis han beveget en permanent stavmagnet ned i og opp av spolen med kobbertråd. Faradays lov for induksjon. Ved å la en metallplate rotere inne i hesteskoformet magnet ble det produsert elektrisk strøm, en elektrisk generator. Hvis isolert kobbertråd ble tvunnet som to atskilte spoler rundt en magnetring og Faraday sendte strøm gjennom den ene spolen så ble det produsert elektrisk strøm i den andre spolen, prinsippet for en transformator var oppfunnet, hvor antall viklinger på de to spolene ga forskjellig respons. Faradays oppdagelse er prinsippet for en elektromagnetisk motor hvor en elektrisk spole med kobberledning roterer inne i et hulrom omgitt av en fast magnet. Et skiftende magnetisk felt lager et elektrisk felt, eller et skiftende elektrisk felt lager et magnetisk felt. Den omvendte prosessen skjer i en elektrisk generator med rotor og stator i et vannkraftverk som lager trefase elektrisk vekselstrøm fra rotasjonen i turbinhjulet drevet av den potensielle og kinetiske energien til vann.
Faraday oppdaget også at magnetisme kan påvirke lysstråler hvor planpolarisert lys kan bli rotert av et ytre magnetfelt. Av Faradays mange oppdagelser var diamagnestisme og konstruksjonen av et Faradaybur. Et Faradaybur er et rom omgitt av elektrisk ledende materiale som blokkerer for elektromagnetiske felt å komme inn i buret.
SI-målenheten for kapasitanse er farad= 1 coulomb per volt (CV-1).
Induksjon blir brukt til lading avbatteriet i en elektriske tannbørsten. Induksjonskomfyr har kokeplater basert på induksjon.
Stator og rotor i en elektromotor
En elektromotor omdanner elektrisk strøm til bevegelsesenergi brukt i elektriske biler eller E-sykler. I en elektrisk generator i et kraftverk drevet avvann, vind eller vanndamp blir bevegelsesenergi blir omformet til elektrisk strøm.
E en lektromotor er det en stator som står i ro og rotor som roterer. Stator er den delen i en elektrisk generator som står fast og er stasjonær.
Rotoren (nker) i en likestrømsmotor har en kjerne med blikkplater atskilt med lakk. Blikkplatene leder dårlig elektrisitet og reduserer oppvarming og Foucault vekselstrøm fra magnetisering av kjernen. Rundt kjernen er det viklet kobbertråd isolert med lakk som hindrer kortslutning og kobberviklingene er stabilisert med epoksylakk. Viklingene forenes i en samlerkontakt med kobber på rotorakselen og på denne glir børster med grafitt . Hvis man bruker permanente magneter trenger man ikke kullbørster.
Stator kan være en permanent magnet laget fra neodynium eller virke som en elektromagnet . Stator er på samme måte som for rotor laget av en laminert kjerne med tynne blikkplater for eksempel aluminium atskilt med lakk og som ikke blir magnetiske. Viklingene av kobbertråd på stator i to til seks spoler er forskjellig utformet.
Elektrisk tannbørste
Lading av batteriet i en elektrisk tannbørste skjer ved induksjon hvor det er en primærspole inne i laderen og jernkjenen inne i laderen stikker opp som en tapp under tannbørsten hvor det er en sekundærsplle med batteriet på toppen plassert i bunnen av tannbørsten.Elektrisk lader, primærspole, sekundærspole og jernkjerne lager induksjonsstrøm til batterilading.
Maxwells ligninger
Den skotske matematikeren James Clerk Maxwell (1831-1879) viste at elektriske og magnetiske felter, elektromagnetisk stråling, beveger seg gjennom rommet med lyshastighet. Maxwells fire partielle differensialligninger for elektromagnetisme.
Den tredimensjonale gradientoperaturen nabla ∇ ser ut som en omvendt delta Δ. ∇∙ er divergensoperaturen og ∇× er sirkulasjonsoperatoren fra vektorfelt. I ligningene er det elektriske feltet E. Det magnetiske feltet B. Elektrisk strømtetthet, strøm per arealenhet er J. Elektrisk ladningstetthet, ladning per volumenhet er ρ (rho). I ligningene inngår lyshastigheten c= 1/kvadratroten til (ε0 µ0). Permittivitet i fritt rom ε0 , elektrisitetskonstanten. Permeabilitet i fritt rom µ0, magnetkonstanten.
Gauss divergensteorem omhandler fluksen til et vektorfelt gjennom en lukket overflate til divergensen i feltet i et lukket volum, som betyr at differensialligningene også kan betraktes som integralligninger med integraltegn for overflateintegral over en oveflate Σ og volumintegral over et volum Ω. Den franske fysiker André-Marie Ampère (1775-1836)
\(\displaystyle \nabla \cdot \mathbf{E}= \frac{\rho}{\epsilon_0}\;\; \text{(Gauss lov)}\)
\(\displaystyle \nabla \cdot \mathbf{B}= 0 \;\;\text{(Gauss lov for magnetisme)}\)
\(\displaystyle \nabla \times \mathbf {H}= \mathbf{J} +\frac{\partial \mathbf{D}}{\partial t}\;\; \text{(Ampére-Maxwells lov)}\)
\(\displaystyle \nabla \times \mathbf{E}= \frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t}\;\; \text{(Faradays lov)}\)