Magnetfelter fra spoler – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Magnetfelter fra spoler

07. december 2008

Magnetfelter fra spoler

Hej Malte
Er der et magnetfelt omkring en spole, når der IKKE er sat strøm til spolen?

Her tænker jeg på, hvorfor man egentlig kan lave strøm (induktion) ved hjælp af en spole som ikke er sat til strøm, og så en magnet.

Jeg forstår godt, at det er ændringen i magnetfeltet der laver strømmen, men hvorfor har spolen et magnetfelt, når der ikke er strøm til?

Med venlig hilsen
J

Når man sender strøm igennem en spole, opstår der et magnetfelt om spolen. Feltet ligner det felt, man ville få fra en magnet af samme form som spolen. Er der jern inde i spolen bliver feltet meget kraftigere.

Kortslutter men en spole med strøm løbende, så man altså ikke sender strøm igennem spolen, vil feltet ikke falde momentant, men i løbet af en vis normal kort tid. Afbryder man en spole med strøm i, vil spolen søge at opretholde strømmen, men da der ikke er en kreds strømmen kan løbe i, lader det sig ikke gøre.

I stedet bruges energien i feltet, så spændingen over spole enderne stiger kraftigt, og man får ofte en gnist. Det er det der sker i en tændspole i en bil eller i et induktionsapparat. 

 

Magnetfelt fra recit.csportneuf.qc.ca 

På billedet ses magnetfeltet omkring en spole Induktionsloven, som du omtaler, siger, at hvis man ændre magnetfeltet igennem en spole, vil der i spolen opstå strømme i spolen, som søge at modvirke ændringen, dvs. der vil blive fremkaldt en strøm, der giver et felt modsat det felt, man sender ind i spolen

En permanent magnet er en metallegering ofte med jern i, som har den egenskab at den kan gøres magnetisk, og så vedbliver med at være magnetisk (se tidligere artikler om magneter). Skubber man en permanent magnet hen imod en f.eks. kortsluttet spole, vil det fremkalde en strøm i spolen, som søger at holde feltet ude. Spolen søger altså at lave poler, der vender modsat af den permanente magnet. Denne strøm forsvinder i løbet af meget kort tid, når man lader magneten ligge stille, fordi energien bliver til varme i den ohmske modstand i spolen. Fjerner man derefter magneten, vil spolen jo starte fra det felt, der var, og lave en strøm i modsat retning fra før, for at fastholde det felt der var før ændringen. Der går altså kun strøm i en spole, når man enten sætter et batteri til, eller når man ændre magnetfeltet, men når feltet er konstant bliver strømmen meget hurtigt nul på grund af den ohmske modstand.

Spolen har altså ikke noget magnetfelt, når der ikke er sat strøm til den, eller man udefra påvirker den med et magnetfelt, som er ved at ændre sig. Det gælder både, hvis feltet kommer fra en stangmagnet, som flyttes, eller fra en anden spole forbundet til et batteri.

Det er naturligvis ikke helt rigtigt. Det ovenfor er det der opleves i dagligdagen. Ved lave temperaturer findes en række stoffer, man kalder superledende, dvs. de har bl.a. slet ingen elektrisk modstand, modstanden er altså 0 ohm. Det drejer sig om en række legeringer af sjældne stoffer og af almindeligt kendte bl.a. kviksølv og bly. Laver man en blyring og sætter man ved stuetemperatur en permanent magnet igennem, og køler man derefter det hele ned til nær det absolutte nulpunkt (ca. -273 ⁰C) og fjerner magneten, vil der som normalt ved induktion opstå en strøm i blyringen, som søger at genskabe det magnetfelt, der kom fra den permanente magnet. Da der ikke er nogen modstand, fortsætter strømmen, og man har et konstant magnetfelt, svarende til det oprindelige. Man har haft sådanne felter i mindst 5 år uden ydre energiforsyning, og det bruges i dag meget til kraftige magnetfelter. Man har i dag legeringer, der er velegnede til superledende magneter til højere temperaturer (op til ca. 20 K) og komplicerede organiske superledere til omkring flydende Nitrogens kogepunkt (- 196  ⁰C). Det normale er dog at meget kraftige superledende magneter anvendes i flydende Helium, som koger ved - 4,2 K eller ca. - 269 ⁰C. Så længe der kræves så lave temperaturer, vil anvendelsen af superledende magneter nok være begrænset, fordi teknikken er kompliceret, så de optræder ikke på vore kraftværker de første år.

En anden afledet effekt af superledning er den såkaldte Meissnereffekt (Fritz Walther Meißner 1882 -  1974). Har man en superledende skål og sænker en permanent magnet ned imod den, vil feltet i de mange superledere blive holdt udstødt af superlederen, og magneten vil "svæve" over skålen.  

Man måler magnetfelter i en enhed, der hedder Tesla (efter Nikola Tesla 1856 - 1943). En god stangmagnet vil have et felt på i størrelsesorden 0,03 T. En meget kraftig hesteskomagnet måske omkring 0,3 T. En stor elektromagnet med jern i på flere tons og med et energiforbrug på omkring 20 kW, vil kunne lave felter på 1-2 T. Vi har flere superledende magneter på NBI, den kraftigste kan give op til 13,5 T (og de kan endda købes kraftigere). Magnetfeltet fra en magnet af den type når et godt stykke væk, selv om feltstyrken falder med afstanden i tredje. Man skal overveje godt, hvad man har af jerngenstande, nøgler, værktøj mm., i nærheden af sådan en magnet. Ellers forsvinder de måske pludseligt hen imod magneten. De store magneter der bruges på hospitalerne til scannere (kernespinn resonans), er også superledende, og der er normalt alarmsystemer omkring dem for at sikre, at jerngenstande er fjernet. Den nye store accelerator på CERN bruger også superledende magneter (der er en del artikler i Spørg om fysik om den accelerator).

Ikke superledende spoler har altså ikke noget magnetfelt når der ikke er sat strøm til.

Med venlig hilsen
Malte Olsen