Magnetfält

Runt varje magnet finns ett magnetfält – ett område där magnetisk kraft verkar, även om du inte ser det. Du kan göra fältet synligt: lägg ett papper över en magnet, strö järnfilspån ovanpå och knacka lätt. Filspånen ställer sig i mönster som följer fältlinjerna, tänkta linjer som visar fältets riktning. Utanför magneten går linjerna från nordpolen till sydpolen, och ju tätare de ligger, desto starkare är fältet – tätast vid polerna, glesare långt bort.

En strömförande ledare skapar också ett magnetfält, helt utan att själv vara en magnet. Fältet bildar cirklar runt tråden, och riktningen hittar du med högerhandsregeln: låt tummen på högerhanden peka i strömriktningen, så visar fingrarna hur fältet böjer sig runt ledaren. Vänder du strömmen åt motsatt håll, vänds fältet likaså, men styrkan blir densamma som innan.

Fältets styrka kallas magnetisk flödestäthet och har beteckningen B, mätt i tesla (T). Runt en rak ledare gäller B = μ0 · I / (2π · r), där I är strömmen i ampere, r är avståndet från ledaren i meter och μ0 är permeabiliteten för vakuum, 4π · 10⁻⁷ T·m/A. Fältet blir alltså svagare ju längre bort du kommer, även om en stavmagnets fält avtar på ett annat sätt långt från magneten. Som jämförelse: jordens magnetfält ligger på bara några tiotals mikrotesla, en stark neodymmagnet ger några tiondels tesla vid ytan, och en MR-kamera på sjukhus arbetar med 1,5–3 T.

Fältlinjer bildar alltid slutna banor – de tar inte slut vid sydpolen. Utanför magneten går de från nordpol till sydpol, men inne i magnetmaterialet fortsätter de tillbaka från sydpol till nordpol, och ingen linje korsar en annan. Sambandet mellan ström och magnetfält upptäcktes 1820 av den danske fysikern Hans Christian Ørsted, som såg en kompassnål vrida sig när han lät ström gå genom en tråd intill den. Du kan se samma effekt själv: lägg en kompass intill en tråd som får ström från ett batteri, och nålen vrider sig så fort strömmen slås på.

Formel

B = μ0 · I / (2π · r)

Magnetisk flödestäthet B (tesla) på avståndet r (meter) från en lång, rak strömförande ledare. I är strömmen i ampere och μ0 är permeabiliteten för vakuum, 4π · 10⁻⁷ T·m/A. Fältet avtar med avståndet från ledaren.

Det här lär du dig

Förklara vad ett magnetfält är och hur det kan göras synligt med fältlinjer
Använda högerhandsregeln för att bestämma fältets riktning runt en strömförande ledare
Förklara vad magnetisk flödestäthet B är och i vilken enhet den mäts
Räkna ut fältstyrkan runt en rak ledare med formeln B = μ0 · I / (2π · r)
Jämföra storleksordningar hos magnetfält i naturen och tekniken

Begrepp att kunna

magnetfält: Det område runt en magnet eller en strömförande ledare där magnetisk kraft verkar. Fältet är osynligt men kan visas med fältlinjer eller järnfilspån.
fältlinje: En tänkt linje som visar magnetfältets riktning och styrka. Täta fältlinjer betyder starkt fält, glesa linjer betyder svagt fält.
högerhandsregeln: En regel för att hitta fältets riktning runt en strömförande ledare: tummen på högerhanden pekar i strömriktningen, fingrarna visar fältets riktning.
magnetisk flödestäthet: Ett mått på hur starkt magnetfältet är på en given plats. Betecknas B och mäts i enheten tesla (T).
tesla: SI-enheten för magnetisk flödestäthet, förkortat T. Jordens magnetfält är bara några tiotals mikrotesla, medan en MR-kamera arbetar med 1,5–3 T.

Vanliga svårigheter

Tror att fältlinjer är verkliga trådar

Fältlinjer finns inte som fysiska föremål i verkligheten – de är ett verktyg för att visa fältets riktning och styrka. Järnfilspån ordnar sig längs dem eftersom varje litet spån själv blir en liten magnet, inte för att det finns en tråd att följa.

Ritar fältlinjer som om de tog slut vid sydpolen

Fältlinjer bildar alltid slutna banor. Utanför magneten går de från nordpol till sydpol, men de fortsätter inne i magnetmaterialet tillbaka från sydpol till nordpol. En ritning där linjerna bara stannar vid sydpolen visar inte hela fältet.

Använder högerhandsregeln med fel hand eller åt fel håll

Regeln gäller bara högerhanden, och för en rak ledare ska tummen peka i strömriktningen, inte i fältets riktning. Används vänster hand av misstag pekar fingrarna åt motsatt håll, och svaret blir fel trots att metoden annars följs rätt.

I verkligheten

En elektriker mäter strömmen i en ledning med en tångamperemeter utan att bryta kretsen

Tången läggs runt en enda ledare och känner av magnetfältet som strömmen skapar runt den. Fältet är proportionellt mot strömmen, precis som i formeln för en rak ledare, så mätaren kan visa strömmen direkt. Läggs tången runt en hel sladd, där strömmen går fram i en ledare och tillbaka i en annan, tar fälten ut varandra och mätaren visar ungefär noll.

En MR-kamera på sjukhus skapar bilder av kroppens inre med ett starkt magnetfält

Det kraftiga fältet, oftast 1,5 eller 3 tesla, påverkar vätekärnorna i kroppen så att de kan avläsas med radiovågor. Ju starkare och jämnare fält, desto tydligare bild får läkarna.

Tips

Gör järnfilspånsförsöket själv: lägg ett papper över en stavmagnet, strö järnfilspån ovanpå och knacka lätt. Upprepa i skolan med en tråd som går lodrätt genom ett hål i papperet och får stor ström från ett aggregat, och jämför de två mönstren.
Öva högerhandsregeln fysiskt med en penna som ledare: peka tummen i en given strömriktning och låt fingrarna visa fältets riktning, om och om igen med olika riktningar tills det går utan att tänka efter.
Lägg en tråd rakt över en liten kompass, i samma riktning som nålen, och koppla trådens ändar till ett batteri en kort stund. Nålen vrider sig varje gång strömmen går, precis som när Ørsted upptäckte sambandet 1820. En vanlig elsladd duger inte: den har växelström, och strömmen går åt var sitt håll i dess två ledare.

Testa dig själv

1. Varför ritar man fältlinjerna tätare nära en magnets poler än långt därifrån?

Avståndet mellan fältlinjerna visar fältets styrka. Nära polerna är magnetfältet starkast, så där ritas linjerna tätt. Längre bort är fältet svagare, och linjerna ritas glesare för att visa det.

2. En rak ledare bär strömmen 5,0 A. Hur stort är magnetfältet på avståndet 0,10 m från ledaren?

B = μ0 · I / (2π · r) = (4π · 10⁻⁷ · 5,0) / (2π · 0,10), vilket ger B = 2 · 10⁻⁷ · (5,0 / 0,10) = 1,0 · 10⁻⁵ T, alltså 10 mikrotesla. Det är i samma storleksordning som jordens eget magnetfält.

3. Vad händer med magnetfältet runt en rak ledare om du vänder strömriktningen?

Fältet vänder riktning tillsammans med strömmen, eftersom högerhandsregeln ger motsatt resultat när tummen pekar åt andra hållet. Fältets styrka ändras inte, bara åt vilket håll det cirklar runt ledaren.

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.
Fysik nivå 2 · Energi, energiresurser och elektromagnetism
Fysikaliska principer bakom tekniska tillämpningar, till exempel inom kommunikations- och medicinteknik. Elektromagnetiska fält i omgivningen.
Fysik nivå 2 · Krafter och rörelse
Elektriska laddningars rörelse i magnetiska och elektriska fält.

Källa: Skolverket, centralt innehåll.

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: