Magnetfält kring strömförande ledare

Vi såg i förra lektionen att magnetfält orsakas av laddningar i rörelse, dvs. av strömmar. En dansk lärare vid namn Hans Christian Örstedt gjorde 1820 ett experiment och upptäckte då att en kompassnål som befann sig i närheten av en elektrisk ledare vred sig då en ström gick genom ledaren. När strömmen slogs av så återgick nålen till sitt vanliga läge i nord-sydlig riktning. 

Örstedts upptäckt tydde på att laddningar i rörelse, dvs. elektriska strömmar, ger upphov till magnetfält, dvs. det finns alltså ett samband mellan elektriska strömmar och magnetfält. Detta gör att permanentmagneter, som t.ex. en kompassnål, som befinner sig i närheten av en strömförande ledare kommer att påverkas av magnetiska krafter.

Senare undersökningar har visat att det runt vad man kallar en ”rak strömförande ledare” verkligen bildas ett magnetfält. Fältlinjerna kan avbildas som koncentriska ringar runt ledaren som är vinkelräta mot ledaren.

Vi vet ju sedan tidigare att fält är vektorstorheter, dvs. de har både en riktning och en storlek eller ”styrka”. Detta gäller även magnetiska fält. Magnetisk fältstyrka brukar kallas ”magnetisk flödestäthet”, varför det gör det kommer få sin förklaring i en senare lektion, och brukar betecknas med stora B. När det gäller den magnetiska flödestätheten runt en rak ledare så visar det sig att visar sig att den är proportionell mot strömstyrkan i ledaren. Det kan vi skriva som att $B=k\cdot I$B=k·I där $k$k är en proportionalitetskonstant. Men det visar sig också att fältstyrkan avtar med avståndet från ledaren, dvs. är omvänt proportionell mot avståndet $r$r. Vi vill alltså ha avståndet $r$r från ledaren i nämnaren. Vi får alltså följande samband för den magnetiska flödestätheten runt en rak strömförande ledare:

Vi ska nu titta på hur man ritar strömmar och magnetfält i två dimensioner när det kommer till strömförande ledare. Ström som går ”in i pappret” brukar ritas som en ring med ett kryss i. Man kan tänka på detta som att man ser bakänden på en pil som är på väg bort från oss, in i pappret. När det gäller en ström på väg ”ut ur pappret” så ritar man istället en ring med en fylld cirkel i mitten. Detta kan vi tänka på som en pilspets på väg mot oss, ut ur pappret.

När det gäller magnetfält runt strömförande ledare så har vi redan sett att man då ritar magnetfältet som koncentriska cirklar vinkelräta mot ledaren. Magnetfältets riktning ges av högerhandsregeln. Om vi har ström in i pappret så säger högerhandsregeln att vi tänker oss högra handens tumme i strömmens riktning, dvs. in i pappret, och magnetfältets riktning blir då i fingrarnas riktning, dvs. medurs. Vi indikerar detta med pilar på cirklarna.Då strömmen går ut ur pappret, så tar vi högra handens tumme i strömmens riktning, dvs. ut ur pappret. Magnetfältets riktning blir då moturs.

De magnetfält som bildas kring strömförande ledare är ofta svaga. Men om man tänker att man rullar ledaren till en slinga som i figuren, där strömriktningen är markerad med en blå pil så får vi ett magnetfält kring och genom slingan enligt högerhandsregeln.

Vi ser att alla flödeslinjer går från vänster till höger genom slingan. Vi får därför ett förstärkt fält genom slingan. Detta liknar ju en liten stavmagnet, vänstersidan, där flödeslinjerna går in, agerar som en sydpol och högersidan där flödeslinjerna går ut agerar som en nordpol.

Om vi nu rullar en ledare till vad som kallas en lång, rak spole eller en solenoid så kommer alla slingornas magnetfält att samverka och hela spolen agerar som en stavmagnet. Det visar sig att flödestätheten i en solenoid är proportionell mot antalet varv och strömstyrkan samt omvänt proportionell mot spolens längd.