Kapitel 3 - Elektromagnetism

Videosammanfattning

Nyckelfrågor

Vad skapar magnetfält?

Laddade partiklar i rörelse

Hur ställer en kompassnål in sig?

En kompassnål (en liten stavmagnet) ställer in sig i det externa magnetfältets riktning

Hur lyder Lenz lag?

“En inducerad ström har alltid sådan riktning att den motverkar orsaken till sin uppkomst”

Hur fungerar en transformator?

växelström → magnetfält som förändras → induceras spänning → växelström i andra spolen

Begrepp

Nyckelbegrepp
- Avlänkning
  
  Hur mycket elektronen avvikit från den ursprungliga banan.
- Avlänkningsvinkel
  
  Hur många grader elektronen avlänkats gentemot den ursprungliga färdriktningen.
- Magnetiskt flöde
  
  Styrkan av ett magnetiskt fält som betecknas $Φ$ och mäts i Weber (Wb).
- Magnetisk flödesdensitet
  
  Styrkan av ett magnetfält "magnetisk fältstyrka"
  
  Det magnetiska flödet per areaenhet.
  
  $B=\frac{Φ}{A}$ ,
  
  där $Φ$ är det magnetiska flödet och $A$ är Arean.
  
  Enhet: T (tesla)
- Diamagnetism och hur de reagerar i externa magnetfält.
  
  Material med atomer där alla elektronernas spin är parade. De har inget eget magnetfält och reagerar bara svagt på externa magnetfält.
  
  Det skapas en svag bortstötande kraft i ett yttre magnetfält.
- Paramagnetism och hur de reagerar i externa magnetfält.
  
  Material med atomer där alla elektronernas spin INTE ÄR parade. Varje atom har ett eget magnetfält men i grupper om fler atomer tar dessa magnetfält ut varandra.
  
  Det skapas en svag attraktiv kraft i ett yttre magnetfält.
- Ferromagnetism
  - Material där det spontant uppstår magnetiska domäner där samtliga magnetiska moment pekar åt samma håll.
  - Blir magnetiserade av externa magnetfält
  - Makroskopiskt sett är de ofta inte magnetiska själva då domänerna tar ut varandra.
- Temporärmagneter
  
  Elektromagneter - material som orsakar magnetiska fält endast då de är anslutna till en elektrisk kraftkälla
- Permanentmagneter
  
  Material som orsakar ett konstant magnetfält oberoende av yttre energikällor.
- Koercivitet
  
  Ett magnetiskt materials förmåga att motstå avmagnetisering i ett magnetiskt fält.
- Curietemperatur
  
  Temperaturgränsen ovanför vilken ett ferromagnetiskt ämne förlorar sina ferromagnetiska egenskaper och uppträder som ett paramagnetiskt ämne. Vid Curietemperaturen sker alltså en fasövergång.
- Flödeslinjer
  
  Magnetiska fältlinjer
- Permeabilitet
  
  Hur mycket ett material förstärker ett magnetfält.
  
  $\mu=\mu_r \cdot \mu_0$
- Platt spole
  
  Spolar där radien är mycket större än längden på spolen.
  
  $r>>l$
  
  $B=\frac{N \cdot \mu \cdot l}{2r}$
- Solenoid
  
  Spole där längden är mycket större än radien.
  
  $l >> r$
  
  $B=\frac{N \cdot \mu \cdot I}{l}$
- Spolregeln
- Högerhandsregeln
- Magnetisk deklination
  
  Hur mycket den magnetiska sydpolen avviker från den geografiska nordpolen.
- Inklinationsvinkeln
  
  Den vinkel jordens magnetfält bildar med markytan.
- van Allen-bältena
  
  Regioner runt jorden där inkommande laddade partiklar stöts bort
- Växelström / växelspänning
  
  Ström/spänning som hela tiden förändras och växlar polaritet.
  
  Momentanvärdena betecknas $u$ och $i$ .

Vad står minnesregeln PANK för?

Positiv anod, negativ katod

Vad händer med en laddad partikel som rör sig i ett elektriskt fält där fältet verkar vinkelrätt mot rörelseriktningen?

Det blir som en kastparabel, där avlänkningen enbart sker i en dimension medan den andra förblir oförändrad.

Var ligger jordens magnetiska sydpol och varför?

Vid jordens geografiska nordpol då magneters nordpol dras mot sydänden vilket pekar mot nordpolen. Varje magnet har en nordpol och en sydpol och nordänden dras mot sydänden.

Vad är 1 Weber (Wb) definierad som?

1Wb = 1Vs (Volt-sekund)

Vilken enhet har magnetisk flödesdensitet ( $B$ ) ?

tesla (T) = $Wb/m^2$

Vad är några exempel på diamagnetiska material?

Vatten, glas, organiska föreningar, de flesta djur och växter.

Vad är några exempel på paramagnetiska material?

Aluminium, syre och uran.

Vad är några exempel på ferromagnetiska material?

Kobolt, järn och nickel

Vad skapar magnetfält?

Laddade partiklar i rörelse

Hur ställer en kompassnål in sig?

En kompassnål (en liten stavmagnet) ställer in sig i det externa magnetfältets riktning

Hur går flödeslinjerna på en stavmagnet?

Från nordände till sydände.

Hur går flödeslinjerna för en hästskomagnet?

Magnetiska flödeslinjer måste alltid bilda...

slutna kurvor.

Tumregeln / Högerhandsregeln

Håll höger tumme i strömriktningen och krök fingrarna. De krökta fingrarna anger riktningen på det magnetiska fältet (medurs/moturs)

Vad händer med magnetfält i spolar/loopar?

Det förstärks!

Varför uppstår norrsken/sydsken enbart vid polerna?

Vid polerna är jordens magnetfält vinkelrätt mot jordytan. Laddade partiklar som kommer mot jorden via polerna åker parrallelt med magnetfältet och påverkas därför ej av någon kraft.

Hur betecknas toppspänningen och toppströmmen?

$\hat u$ och $\hat i$ (u-topp och i-topp)

Vad är effektivvärde?

“Snittvärdet” på en växelström. Den likström som behövs för att ge samma effektutveckling.

$I=\frac{\hat i}{\sqrt{2}}$ och $U=\frac{\hat u}{\sqrt{2}}$

Hur lyder Lenz lag?

“En inducerad ström har alltid sådan riktning att den motverkar orsaken till sin uppkomst”

Varför fungerar transformatorer inte med likström?

För då induceras ingen spänning! (ingen förändring i magnetfält)

Hur fungerar en transformator?

växelström → magnetfält som förändras → induceras spänning → växelström i andra spolen

Tänk på!

Fält är, till skillnad från kontaktkrafter, krafter som kan verka över avstånd

Elektrisk fältstyrka är både $\frac{F}{Q}$ och $\frac{U}{d}$ (vid homogena fält). Använda detta för att lösa ut okända variabler!

Magnetism uppstår från laddade partiklar i rörelse. Exempelvis är elektroner laddade partiklar i rörelse vilket gör att vissa ämnen med oparade elektroner är magnetiska.

En magnet har alltid en nord och en sydpol

Kompasser pekar alltid i det externa magnetfältets riktning

Järnbitar magnetiseras i ett yttre magnetfält vilket gör att de får som en nordända och en sydända. Om två metallbitar placeras i samma magnetfält kommer de bli som två magneter med nord- och sydpol på samma sida. Därmed kommer de att repellera varandra!

Lentz lag innebär att exempelvis en spole vill motverka förändringen i magnetfält. Ett sätt att tänka kring Lentz lag är genom att använda poler. För att motverka en inkommande sydpol skapas en inducerad ström så att det uppstår en sydpol på samma sida (lika poler repellerar). När vi sedan försöker dra bort sydpolen skapas en sådan ström att vi får en nordpol på samma sida för att försöka “attrahera tillbaka” sydpolen (olika poler attraheras).

Ett annat sätt att säga samma sak är: “En slinga försöker stöta bort en magnet som närmar sig och försöker hålla kvar en magnet som avlägsnar sig. En slinga försöker knuffa bort ökande magnetfält och dra till sig magnetfält som avtar.”

Slinga = Spole med ett varv

Skär någon komposant magnetfältet? Vi måste enbart räkna med det som är vinkelrätt mot magnetfältet!

En bil i rörelse förstärker jordens magnetfält! Detta kan kännas av genom att gräva ned en spole. När bilen kör över spolen förstärks magnetfältet, vi får ett förändrande magnetfält vilket leder till att en spänning induceras i spolen

$\phi=BA\cos(\alpha)$ och $U=-N\frac{\Delta \phi}{\Delta t}=-N\frac{\phi_f - \phi_i}{\Delta t}=-N\frac{\Delta BA\cos(\alpha)}{\Delta t}$ är de mest powerful ekvationerna man behöver för induktion

Kom ihåg: $u=\hat u \sin(\omega t)$ och $i=\hat i \sin(\omega t)$

$u$ och $i$ är momentan-värden och $U$ och $I$ är effektiv-värden (genomsnitt)