Log ind
VÆRKTØJER
Notesbog
Din personlige notesbog til arbejdet på fagportalen
Nye faresymboler
2015
Det periodiske system
Pdf
Det periodiske system
Isotopkort
Pdf
Fysik-kemi Lex
Opslagsværk med fysik-kemifaglige begreber
Geografi Lex
Opslagsværk med begreber i geografi
Biologi Lex
Opslagsværk med begreber i biologi
Søg i portalen

Induktion


Elektrisk induktion er et vanskeligt emne, der kræver forståelse af feltbegrebet. Det er et vanskeligt begreb for elever på dette alderstrin. Fremstillingen i forløbet er derfor kvalitativ med vægt dels på en række anvendelser, dels på de emner, der er nødvendige for at kunne foretage en række transformereksperimenter.

To bøger af Bjarne Kousholt, H.C. Ørsted og fornuften i naturen og Michael Faraday og induktionen, giver en spændende og letlæselig fremstilling af de opdagelser, der er baggrund for forløbets behandling af induktion.

Strømme og magnetiske felter

I forløbet "Magnetisme" er beskrevet, hvorledes elektriske strømme fremkalder magnetfelter. H.C. Ørsted opdagede i 1820, at en elektrisk strøm påvirker en magnetnål med kræfter. Han viste, at kraften på magnetnålen bliver større, når strømstyrken i ledningen øges. Ørsted var også den første, der viste, at magnetfeltet danner en lukket kreds. Men det næste og meget vigtige skridt blev ikke taget af Ørsted, men af Michael Faraday i London.

Faraday var udlært som bogbinder, men fik tidligt arbejde som assistent for den berømte kemiker, Humphry Davy. Kort efter at nyheden om Ørsteds opdagelse havde nået England, gentog Faraday Ørsteds forsøg. Men Faraday gik videre. Han holdt magnetnålen fast og opdagede derved, at den strømførende ledning nu bevægede sig. Et magnetfelt påvirker altså en strømførende ledning med kræfter. Denne opdagelse startede udnyttelsen af den elektriske strøm som kilde til en bevægelse. Faraday havde skabt grundlaget for de første elektromotorer.

I forløbet "Magnetisme" er beskrevet et par simple motorer, der udnytter den virkning, som Faraday opdagede i 1821, et år efter Ørsteds iagttagelse.

Induktionen opdages

I de følgende år var Faraday udsat for mange angreb, der sinkede ham i at fortsætte undersøgelserne af de elektromagnetiske fænomener. Han blev beskyldt for at have stjålet opdagelsen fra andre. Ingen ville tro, at en bogbinder og selvlært naturforsker kunne have gjort denne opdagelse.

11 år efter Ørsteds opdagelse gjorde Michael Faraday en endnu mere epokegørende opdagelse. Herover er Faradays eksperimentelle opstilling vist, dog i en lidt mere moderne udformning. Omkring en jernring er viklet to spoler, der ikke er i forbindelse med hinanden. Faraday så, at magnetnålen bevægede sig lidt, når strømmen i højre kredsløb begyndte at løbe. Straks efter stillede magnetnålen sig igen i sin normale retning. Når den højre strøm derefter blev afbrudt, bevægede magnetnålen sig igen, men nu den modsatte vej. Faraday havde som den første bygget en transformer og set den elektriske induktion.

Det var et overraskende fænomen. Hvordan kunne der løbe en strøm i en ledning, der ikke var i forbindelse med et batteri? Flere naturforskere havde lavet det samme eksperiment, men blot udført det i en anden rækkefølge. Først sendte de strøm gennem det højre kredsløb. Derpå flyttede de magneten hen til ledningen i det venstre kredsløb. De fandt ingen effekt. Mon Faradays opdagelse blev gjort ved et tilfælde?

Serendipity – tilfældige opdagelser

Mange berømte opdagelser er gjort ved et tilfælde. Forskeren har undersøgt en bestemt proces eller foretaget et bestemt forsøg, hvor der er søgt svar på et spørgsmål. Men pludselig er resultatet et andet og uventet. Ved at undersøge dette uventede resultat er der pludselig på tilfældig vis gjort en vigtig opdagelse. Dette fænomen kaldes serendipity. Ordet stammer fra et gammelt persisk eventyr, hvor en prins med navnet Serendip ved et tilfælde gjorde nogle store opdagelser.

Nedenfor er i stikordsform opstillet en række eksempler på serendipity. Men en fuldstændig liste er meget længere.

  • Faradays opdagelse af den elektriske induktion.
  • Friedrich Wöhlers opdagelse af urinstof. Wöhler forsøgte at fremstille stoffet ammoniumcyanat, men fik i stedet dannet den uorganiske forbindelse urinstof, se lærerresursen til forløbet "Kemi, menneske og samfund"
  • Luigo Galvanis opdagelse af sammenhængen mellem elektrisk spændingsforskel og kemiske stoffer, se forløbet "Elektricitet".
  • Becquerel opdagede radioaktiviteten, da han fremkaldte en film, der havde ligget tæt på et uranmineral, se forløbet "Atomfysik".
  • Röntgen opdagede røntgenstrålernes evne til at trænge gennem materialer, mens han undersøgte katodestrålerør.
  • Penzias og Wilson ville undersøge elektromagnetisk stråling fra Mælkevejen, men fandt den kosmiske baggrundsstråling, se lærerresursen under "Himmel og Jord".
  • Percy Spencer arbejdede med radar, da han opdagede, at en chokoladestang i hans lomme smeltede. Denne effekt blev starten på udviklingen af mikrobølgeovne, se lærerresursen under "Anvendelser af induktion".
  • Alexander Flemings opdagelse af penicillin. Fleming havde ikke renset nogle petriskåle omhyggeligt. En dag opdagede han, at bakterier døde i de snavsede petriskåle. Ved at undersøge denne effekt blev penicillinet fundet.
  • Viagra. Dette stof blev udviklet til brug ved hjertesygdomme. Men som hjertemedicin havde det en uheldig bivirkning, så stoffet nu har en helt anden anvendelse.
  • Antabus. De danske kemikere Jens Hald og Erik Jacobsen arbejdede med et stof til brug ved behandling af indvoldsorm. De afprøvede stoffets bivirkninger ved selv at indtage det. Herved opdagede de et voldsomt ubehag efter indtagelse af spiritus.

Flere induktionseksperimenter

Faraday udførte halvanden måned senere endnu et berømt eksperiment. Han skubbede en magnet ind i og trak den ud af en spole. Hver gang magneten blev flyttet, kunne han se, at der løb en elektrisk strøm gennem spolen. Verdens første elektriske generator var skabt. En bevægelse kunne skabe en elektrisk strøm. Hidtil havde kun forskellige batterier, såkaldte voltasøjler, kunnet skabe elektriske strømme.

Faraday var ikke på dette tidspunkt klar over den store betydning, opdagelsen af induktionen senere fik. Der blev hurtigt konstrueret små generatorer, der udnyttede induktionen, men først i 1866 fik den tyske ingeniør Werner von Siemens med en række praktiske forbedringer sat gang i produktionen af elektriske generatorer. Få år senere blev der startet en masseproduktion af elektromotorer. Mens Röntgens opdagelse af røntgenstrålingen i 1895 blev anvendt medicinsk bare en måned efter opfindelsen, skulle der gå omkring 50 år fra Ørsteds opdagelse til en udbredt anvendelse af elektromagnetismen.

Hvad er induktion?

Elektromagnetismen bygger, som den klassiske mekanik og termodynamikken, på få grundlæggende lovmæssigheder. Der er i elektromagnetismen fire love, som kaldes Maxwells ligninger. Den første ligning fortæller, at ladninger skaber elektriske felter. Den anden ligning fortæller, at magnetiske felter altid er lukkede kurver. Den tredje ligning, der også kaldes Faradays lov, viser, at et varierende magnetisk felt skaber et elektrisk felt. Den sidste ligning beskriver, hvordan både strømme og varierende elektriske felter skaber magnetfelter. Arbejdet med de fire ligninger er kompliceret, da det kræver anvendelse af differential- og integralregning i tre dimensioner.

Faradays lov, der også kaldes induktionsloven, fortæller, hvordan variationen af et magnetfelt gennem en flade skaber et elektrisk felt på en kurve, der begrænser fladen. I en simpel udformning viser ligningen, at der induceres en spændingsforskel, som er lig med hastigheden af magnetfeltets ændring ganget med arealet af den flade, hvorigennem magnetfeltet ændres. I forløbet nævnes ikke, at arealet spiller en rolle.

Naturen gør modstand

Der findes en grundlæggende erfaring om naturens modstand mod ændringer. Erfaringen kaldes le Chateliers princip. Princippet, der er udviklet fra kemiske iagttagelser, lyder: “Et ydre indgreb på et system i ligevægt forskyder systemets ligevægt på en måde, der formindsker virkningen af indgrebet.” Eksempler på dette princip, der også kan kaldes naturens konservatisme findes mange steder både i naturvidenskaberne og i dagligdagen. Nedenfor er anført en række eksempler på, at naturen gør modstand mod ydre ændringer.

  • Når rumfanget af en gas mindskes, stiger trykket på beholderens vægge. Gassen “forsøger” at presse væggene tilbage.
  • Når temperaturen af en væske øges, vil fordampningen også vokse. Herved opstår en afkøling.
  • Når temperaturen ved en kemisk proces ændres, vil processen gå i en retning, der modvirker temperaturændringen.
  • Når man åbner en sodavand, falder trykket over væsken. For at øge dette tryk, bobler der CO2 op fra sodavanden. På den måde “gør” sodavanden modstand.

Eleverne vil bestemt kunne finde mange andre eksempler på le Chateliers princip i hverdagen.

Induktion er endnu et eksempel på le Chateliers princip. Hvis man udefra påtrykker et magnetfelt, vil systemet svare med en spændingsforskel, der skaber en strøm og dermed et magnetfelt, der er modsatrettet det påtrykte. Naturens modstand mod påførte ændringer er en nem måde til forståelse af induktionsloven og af den retning, som den inducerede strøm har. En ligning, der beskriver induktionsloven, vil på grundskoleniveau være helt malplaceret.

Generatoren

De to versioner, der er vist på billedet i forløbet og herover, er alene til illustration af generatorernes principielle virkemåde. I praksis bygges generatorer ikke med roterende magneter som til venstre på figuren. I stedet for den roterende magnet er der et stykke jern, som er omviklet med en spole. Spolen er forbundet i serie med den vekselstrøm, som generatoren leverer. Statoren er den faste del af generatoren. Den er, som vist på billedet, også forsynet med spoler, så den fungerer som en elektromagnet.

Hvis det er muligt, kan det være en ide at vise eleverne det indre af en gammel cykeldynamo. Her ses rotorerne med deres vindinger. I projektet Undersøgelse af en cykeldynamo i selve forløbet, beskrives mulige eksperimenter med dynamoen.

I praksis benyttes næsten altid tre-fase-generatorer med tre roterende elektromagneter, de såkaldte rotorer. Med spoler omkring seks statorer skaber denne generatorform en trefaset vekselstrøm, se lærerresursen under "Energiforsyning".

En cykeldynamo yder kun ganske få volt. Spændingsforskellen afhænger af omdrejningsfarten. På kraftværker og i vindmøller leverer generatorerne spændingsforskelle mellem 10.000 og 20.000 volt. Det er ikke ønskeligt at få generatorerne til at give større spændingsforskelle, idet der så vil være stor risiko for overslag, dvs. for at ledningernes isolering ikke kan klare de høje spændinger.

Transformeren

I forløbet og øvelserne benyttes ordet transformer. Tidligere benyttedes især betegnelsen transformator.

Transformere betragtes af de fleste som komponenter, der kan ændre spændingsforskelle i op- og nedadgående retning. Transformere ændrer imidlertid også strømstyrker. Det centrale er, at transformeren ideelt leverer samme energi på sekundærsiden, som den forsynes med på primærsiden. Da elektrisk energi kan udtrykkes som produktet af spændingsforskel og strømstyrke, er det åbenbart, at når den ene af størrelserne forøges, vil den anden formindskes i samme takt. De to størrelser er omvendt proportionale.

Inden for elektronik har transformere en anden vigtig anvendelse. Spændingskilder har en bestemt indre resistans. Skal spændingskilden yde den størst mulige effekt, skal dens belastning have en resistans i samme størrelsesorden som spændingskildens. En transformer anbragt efter en spændingskilde kan skabe denne såkaldte impedanstilpasning, der giver maksimal overføring af effekt til næste trin i apparatet.

Transformere er ikke perfekte. Der kommer lidt mindre energi ud på sekundærsiden, end der bliver tilført på primærsiden. Den mistede energi er gået til opvarmning af transformeren, hvilket bl.a. kan mærkes, når man fjerner mobiltelefonens oplader fra stikkontakten. Opvarmningen skyldes såkaldte hvirvelstrømme, der opstår, når jernet i transformeren bliver magnetiseret. En påtrykt vekselstrøm på primærsiden vil skabe et magnetfelt, der inducerer en vekselstrøm på sekundærsiden. Men den påtrykte vekselstrøm inducerer også strømme i det jern, der “bærer” magnetfeltet. Disse induktionsstrømme udvikler energi i jernet. For at modvirke dette indeholder transformere ikke massivt jern. I stedet er jernet udformet som tynde plader, der er isoleret fra hinanden. På denne måde mindskes hvirvelstrømmene. Det er hvirvelstrømmene, der er årsag til, at de formler der er vist i forløbet, ikke stemmer helt i praksis.

I det følgende eksperiment udnyttes disse hvirvelstrømme.

Eksperiment
Faldende magnet i kobberrør


Materialeliste
  • Stålkugle
  • Neodym-magnet
  • Kobberrør
  • Kobberrør med en slids
  • Pude
Neodym-magneter er skøre. De får nemt hakker i overfladen, hvis de rammer et hårdt underlag. Husk derfor at lægge noget blødt, fx en pude, under røret.

Eleverne ved, at magneter kan tiltrække jernholdige stoffer, mens næsten alle andre metaller ikke påvirkes. Kobber kan således ikke tiltrækkes af magneter. Men alligevel er der helt tydeligt kræfter mellem magnet og kobberrør, for magneten bliver kraftigt bremset i sit fald. Stålkuglen falder med den sædvanlige fart, så det må være magnetvirkningen, der er årsag til bremsevirkningen.

Forklaringen på effekten er beskrevet i eksperimentet. Den faldende magnet inducerer en elektrisk strøm, der cirkulerer rundt i røret. Disse strømme vil modvirke de magnetfelter, der fremkaldte dem. Strømmene vil altså skabe et magnetfelt i modsat retning af magnetens. Dette giver en opadrettet kraftvirkning på magneten, så den falder langsommere.

Magneten kan dog ikke stoppe helt. Hvis den gjorde det, ville der ikke blive induceret hvirvelstrømme. Den vil derfor falde med en konstant, lav fart, idet der kommer en ligevægt mellem tyngdekraften og den opadrettede kraft fra hvirvelstrømmene. Det vil være en oplagt mulighed at måle magnetens fart gennem røret. Måske kan eleverne under en diskussion nå frem til, at magneten må falde med en bestemt, konstant fart? Spørg fx om, hvad vil der ske med hvirvelstrømmen, hvis magneten pludselig faldt med større fart. Hvad vil den øgede hvirvelstrøm medføre? Og gentag så spørgsmålet, men denne gang med en lavere magnetfart.

I det opslidsede rør, kan der ikke løbe hvirvelstrømme. Her falder magneten med samme fart som andre genstande i frit fald.

I forbindelse med dette eksperiment kan eleverne repetere den naturvidenskabelige metode. Lad genstande med forskellig størrelse og af forskellige materialer falde gennem røret. Kun de små magneter viser den bremsende effekt. Prøv med det opslidsede rør. Hvad bliver elevernes konklusioner?

Det er ikke muligt teoretisk at beregne farten af den faldende magnet, men kraftige magneter og rør, der har en diameter ganske lidt større end magnetens, vil give den kraftigste bremsning.

Eleverne kan selv arbejde med hvirvelstrømme i øvelsen "Lav en hvirvelstrøm".

Energiforsyning