Elektromagneter

En elektromagnet är en magnet du kan slå på och av. Linda en isolerad tråd i många varv runt en järnspik, koppla ändarna till ett batteri, och spiken blir en magnet så länge strömmen flyter. Bryt strömmen och magnetismen försvinner nästan helt – helt annorlunda än en vanlig stavmagnet, som förblir magnetisk hela tiden.

Att det fungerar beror på att varje strömförande tråd skapar ett eget litet magnetfält omkring sig. Lindar du tråden i en spole läggs alla de små fälten ihop till ett betydligt starkare fält genom hela spolen. Stoppar du dessutom in en järnkärna i mitten blir fältet ännu kraftigare, eftersom järnet självt blir magnetiskt av spolens fält och förstärker det ytterligare.

Med samma kärna styrs elektromagnetens styrka av två saker: strömmen genom spolen och antalet varv. Mer ström ger ett starkare fält, och fler varv ger också ett starkare fält, eftersom fler trådvarv bidrar till summan. Inuti en lång spole utan kärna gäller sambandet B = μ0 · N · I / l, där N är antalet varv, I är strömmen i ampere, l är spolens längd i meter och μ0 är permeabiliteten för vakuum, 4π · 10⁻⁷ T·m/A. En järnkärna lägger till ytterligare styrka utöver det formeln ger.

Den enkla på-och-av-funktionen gör elektromagneter användbara överallt. I en skrotlyftkran drar en kraftig elektromagnet upp järnskrot ur en hög av blandat avfall och släpper det exakt där det ska vara. I en dörrklocka drar en liten elektromagnet i en järnplatta som slår mot en klocka så fort du trycker på knappen. I ett relä styr en svag ström i en liten elektromagnet en helt annan, mycket starkare strömkrets, utan att de två kretsarna rör varandra.

Formel

B = μ0 · N · I / l

Magnetfältet B (tesla) inuti en lång spole utan järnkärna. N är antalet varv, I är strömmen i ampere, l är spolens längd i meter och μ0 är permeabiliteten för vakuum, 4π · 10⁻⁷ T·m/A.

Det här lär du dig

Förklara hur en strömförande spole skapar ett magnetfält
Beskriva hur järnkärnan förstärker en elektromagnets fält
Räkna ut magnetfältet inuti en spole med formeln B = μ0 · N · I / l
Avgöra hur strömmen och antalet varv påverkar en elektromagnets styrka
Ge exempel på hur elektromagneter används i vardagsteknik

Begrepp att kunna

elektromagnet: En magnet som bara är magnetisk när ström flyter genom den, vanligen en spole lindad runt en järnkärna.
spole: En tråd lindad i många varv. Strömmen genom spolen skapar ett magnetfält som löper genom hela spolen.
järnkärna: Ett stycke järn inuti spolen. Järnet blir självt magnetiskt av spolens fält och förstärker det kraftigt.
varv: Ett helt varv av tråden runt kärnan. Fler varv på samma spollängd ger ett starkare magnetfält vid samma ström.
relä: En komponent där en svag ström genom en liten elektromagnet öppnar eller sluter en krets med betydligt högre ström.

Vanliga svårigheter

Tror att elektromagneten behåller sin magnetism utan ström

En elektromagnets fält finns bara medan strömmen flyter genom spolen. Bryts strömmen försvinner magnetismen nästan direkt, till skillnad från en stavmagnet där atomernas magnetism är ordnad permanent och finns kvar utan någon ström.

Tror att det är järnkärnan som skapar magnetfältet

Fältet skapas av strömmen i spolen, inte av järnet. Järnkärnan förstärker ett fält som redan finns där genom att själv bli magnetisk, men en spole utan järnkärna skapar fortfarande ett eget, svagare fält så fort ström flyter genom den.

Blandar ihop antalet varv med trådens längd

Det som avgör fältstyrkan är hur många varv tråden lindas runt kärnan och hur tätt de ligger, inte hur lång tråden är totalt. Hundra täta varv på en kort kärna ger ett starkare fält än tio varv utspridda på en lång kärna vid samma ström.

I verkligheten

En skrotlyftkran på en återvinningsanläggning lyfter järnskrot ur en hög med blandat avfall

Spolens många varv och kraftiga ström, tillsammans med en stor järnkärna, ger ett fält starkt nog att lyfta stora mängder järnskrot på en gång. Operatören bryter strömmen exakt där lasten ska släppas, utan att behöva lossa något för hand.

En dörrklocka klingar så fort du trycker på knappen

Strömmen aktiverar en liten elektromagnet som drar en järnplatta mot en klocka. Släpper du knappen bryts strömmen, magnetfältet försvinner, och en fjäder för tillbaka plattan till nästa gång du ringer på.

Tips

Bygg en egen elektromagnet: linda isolerad tråd 50 till 100 varv runt en järnspik och koppla ändarna till ett litet batteri en kort stund i taget, eftersom tråden och batteriet blir varma. Testa hur många gem den lyfter, och jämför sedan med samma spole utan spiken inuti.
Ändra bara en faktor i taget när du experimenterar, antingen strömmen eller antalet varv, aldrig båda samtidigt. Då ser du tydligt vilken av de två som orsakar förändringen du mäter. Mät gärna strömmen med en amperemeter, för fler varv betyder också längre tråd och större resistans, så strömmen kan minska utan att du märker det.
Rita spolen med strömriktningen markerad och bestäm vilken ände som blir nordpol: låt högerhandens fingrar följa strömmen runt varven, så pekar tummen mot nordpolen. Då hänger formeln B = μ0 · N · I / l ihop med en faktisk riktning, inte bara ett tal.

Testa dig själv

1. Varför slutar en elektromagnet att vara magnetisk så fort strömmen bryts, medan en stavmagnet förblir magnetisk?

Elektromagnetens fält skapas av strömmen i spolen, och järnkärnan förstärker bara ett fält som redan finns. Utan ström finns inget fält att förstärka, så magnetismen försvinner nästan genast. En stavmagnet har sin magnetism inbyggd i hur atomerna är ordnade i materialet, och den ordningen finns kvar utan någon extern ström.

2. En smal spole utan järnkärna har 500 varv och är 0,20 m lång. Strömmen genom den är 2,0 A. Hur stort blir magnetfältet inuti spolen?

B = μ0 · N · I / l = (4π · 10⁻⁷ · 500 · 2,0) / 0,20 ≈ 6,3 · 10⁻³ T, alltså ungefär 6,3 mT. En järnkärna i spolen skulle göra fältet betydligt starkare än detta.

3. Vad händer med magnetfältet om du dubblar antalet varv men samtidigt halverar strömmen i en elektromagnet?

Fältet blir ungefär lika starkt som innan. Enligt B = μ0 · N · I / l beror fältet på produkten av antal varv och ström, och eftersom dubbla varv gånger halv ström ger samma produkt som innan förblir B oförändrat.

Ur kursplanen

Fysik åk 7–9 · Fysiken i naturen och samhället
Sambandet mellan elektricitet och magnetism samt mellan ström och spänning i elektriska kretsar. Hur kretsarna kan användas i elektrisk utrustning.
Fysik nivå 2 · Energi, energiresurser och elektromagnetism
Elektriska och magnetiska fält samt samband mellan dessa. Induktion samt tillämpningar av växelström i generatorer och transformatorer.

Källa: Skolverket, centralt innehåll.

Bygger på

Magnetfält

Leder vidare till

Träna vidare – gratis

Det här ämnet har inga egna träningsuppgifter än. De här närliggande ämnena har lösta exempel och uppgifter som anpassar sig efter dig: