Magnetfelt og kraft på strøm F = B·I·L

Fysik A · STX · A-niveau · Elektromagnetisme

⚛️ Magnetfelt og kraft på strøm F = B·I·L

Magnetfelt fra elektrisk strøm: Ørsted-eksperimentet 1820 (dansk fysiker Hans Christian Ørsted) — kompasnål afbøjes nær strømførende ledning. Grundlagde elektromagnetisme.

Magnetfelt fra lang lige ledning: B = μ₀·I/(2π·r), hvor μ₀ = 4π·10⁻⁷ T·m/A (magnetisk permeabilitet i vakuum).

Felt-retning (højre-hånds-regel): peg tommelfinger i strømmens retning, fingrene krummer i B-feltets retning (cirkler om ledningen).

Eksempel: I = 10 A, r = 5 cm. B = 4π·10⁻⁷·10/(2π·0,05) = 4·10⁻⁵ T = 0,04 mT. (Jordens magnetfelt ~50 µT).

Magnetfelt i solenoid: B = μ₀·n·I, n = vindinger per længde. Ensartet inde, nær nul udenfor. Med jernkerne: B forstærkes ~1.000× pga. ferromagnetisme.

Kraft på strømførende ledning i magnetfelt: F = B·I·L·sin(θ), hvor B = magnetfelt-styrke (T), I = strøm (A), L = ledningens længde (m), θ = vinkel mellem strøm + B. Vektoriel form: F = I·(L × B).

Retning (højre-hånds-regel for kraft): pege fingre i strømmens retning, krum mod B → tommelfinger giver kraft-retning.

Lorentz-kraft på ladning q: F = q·v·B·sin(θ).

Anvendelser

1.

Elmotor: strømførende vinding i magnetfelt får kraft → roterer. Kommutator vender strøm hver halvomgang.

2.

Højtaler: vekselstrøm i bevægelig spole i magnet → kraft varierer med strøm → membran bevæger sig → lyd.

3.

MRI-skanner: superledende magnet (~3 T) + kraft på protoner → resonanser → billeder.

4.

Massespektrometer: ioner i magnetfelt får cirkelbevægelse. Radius: r = m·v/(q·B).

Læringsmål

• Anvende Ohms lov og Joules effektformel
• Beregne total-modstand i serie og parallel
• Anvende Kirchhoffs love
• Beregne kraft på strøm og ladning i magnetfelt
• Anvende Faradays induktionslov og Lenzs lov
• Beregne kondensator-energi

Sådan kan du arbejde med emnet

• Beregn kraften på en strømførende leder i et magnetfelt
• Forklar, hvordan retningen af kraften på lederen kan bestemmes
• Diskutér, hvordan dette princip anvendes i en elektrisk motor

Eksperiment-forslag

• Brug PhET-simulationen 'Faradays Electromagnetic Lab' eller en kompasnål til at kortlægge magnetfeltet omkring en strømførende ledning, og bekræft højre-håndsreglen.
• Beregn kraften på en 10 cm strømførende ledning (I = 2 A) placeret i et magnetfelt på 0,5 T, og diskutér hvordan dette princip bruges i en højtaler.
• Byg en simpel elmotor (batteri, magnet, spole af kobbertråd) og forklar virkemåden ud fra F = B·I·L og kommutatorens funktion.

Brobygning

Når en strøm skaber et magnetfelt, gælder det også omvendt: et ÆNDRENDE magnetfelt kan skabe en strøm. Dette er princippet bag generatorer og transformere. Næste emne er 'Faradays induktionslov og Lenzs lov'.