Kraft på strømleder i magnetfelt

HMSFramgangsmåteTeoriSensorspørsmål

En strømførende leder i et magnetfelt kjenner en kraft på tvers av både strøm og felt. Størrelsen er F = B·I·L, og retningen finner du med høyrehåndsregelen. Dette er motoren i alt fra leker til tog.

Hensikt

Vise at en strømførende leder i et magnetfelt påvirkes av en kraft, og undersøke hvordan kraften avhenger av strøm, feltstyrke og lederlengde.

Hypotese

Kraften øker proporsjonalt med strømmen og med feltstyrken, og er størst når lederen står vinkelrett på feltet. Snur du strømmen, snur kraften.

HMS og sikkerhet

Før du starter

• Strømkilder kan gi høy strøm – ledere og kontakter blir varme. Bruk korte måleperioder.
• Ikke kortslutt strømkilden; bruk en passende motstand eller strømbegrensning.
• Hold sterke magneter unna elektronikk og kort.
• Sjekk at oppstillingen står støtt så magneter ikke faller ned.

Utstyr du trenger

• Hesteskomagnet eller to kraftige magneter med N/S-poler
• Stiv kobbertråd / leder på en vippe eller skinne
• Justerbar strømkilde (DC) med amperemeter
• Følsom vekt (om du vil måle kraften)
• Ledninger og bryter
• Linjal
• Evt. strømskinner («gyngende leder»-oppsett)

Framgangsmåte – steg for steg

Framgangsmåte: leder mellom magnetpoler, send strøm og se kraften.

1. Plasser lederen vannrett mellom magnetens N- og S-pol, vinkelrett på feltet.
2. Koble lederen til strømkilden via amperemeter og bryter.
3. Slå på strømmen og observer at lederen sparkes til siden.
4. Øk strømmen trinnvis og se at utslaget/kraften øker.
5. Snu strømretningen og se at lederen beveger seg motsatt vei.
6. Sett magneten slik at lederen ligger langs feltet og merk at kraften forsvinner.
7. Vil du måle kraften: still magneten på en vekt, slå på strømmen og les av vektendringen.

Observasjoner og resultater

Høyrehåndsregelen: kraft (F), strøm (I) og felt (B) står vinkelrett på hverandre.

Lederen sparkes vinkelrett ut av feltet i det øyeblikket strømmen slås på. Du ser at kraften:

• Øker når strømmen øker (proporsjonalt).
• Snur når du snur strømretningen eller magnetens poler.
• Forsvinner når lederen ligger parallelt med feltet.
• Står alltid vinkelrett på både strøm og felt.

Strøm I	Målt kraft F
1,0 A	≈ 0,02 N
2,0 A	≈ 0,04 N
3,0 A	≈ 0,06 N

F er proporsjonal med I – en rett linje gjennom origo.

Teorien bak

En ladning som beveger seg i et magnetfelt kjenner Lorentz-kraften. For en hel leder med strøm I, lengde L i et felt B blir kraften:

F = B·I·L·sinθ

der θ er vinkelen mellom strømmen og feltet. Står lederen vinkelrett på feltet (θ = 90°, sinθ = 1) blir kraften størst: F = B·I·L. Ligger den langs feltet (θ = 0°) blir kraften null.

Retningen finner du med høyrehåndsregelen: pek tommelen i strømmens retning (I), pekefingeren i feltets retning (B), så peker langfingeren i kraftens retning (F). Kraften står alltid vinkelrett på planet som spennes ut av I og B.

Dette er prinsippet bak elektromotoren: en strømsløyfe i et magnetfelt får krefter på hver side som danner et dreiemoment og får sløyfa til å rotere. Samme kraft driver høyttalere, måleinstrumenter og maglev-tog.

Typiske problemstillinger sensor stiller

Hvilken formel beskriver kraften, og når er den størst?

F = B·I·L·sinθ. Kraften er størst når lederen står vinkelrett på feltet (θ = 90°), og null når den ligger langs feltet (θ = 0°).

Hvordan finner du kraftens retning?

Med høyrehåndsregelen: tommel = strøm (I), pekefinger = felt (B), langfinger = kraft (F). Kraften står vinkelrett på både strøm og felt.

Hva skjer med kraften hvis du dobler strømmen?

Den dobles, fordi F er proporsjonal med I. En graf av F mot I gir en rett linje gjennom origo med stigningstall B·L.

Hvorfor blir kraften null når lederen ligger langs feltet?

Fordi θ = 0° gir sinθ = 0. Det er bare strømkomponenten vinkelrett på feltet som bidrar til kraften.

Hva er sammenhengen med Lorentz-kraften?

F = BIL er summen av Lorentz-kraften F = q·v·B på alle de bevegelige ladningene i lederen. Strømmen I er ladning per tid, så de mange små kreftene blir til én kraft på lederen.

Hvordan blir dette til en elektromotor?

En strømsløyfe i feltet får motsatt rettede krefter på de to sidene. Det gir et dreiemoment som roterer sløyfa; en kommutator snur strømmen hver halvomdreining så rotasjonen fortsetter.

Hva skjer hvis du snur både strømmen og magnetpolene samtidig?

Kraften får samme retning som i utgangspunktet, fordi du snur to fortegn. Snur du bare én av dem, snur kraften.

Hvilken enhet har B, og hva er 1 tesla?

B måles i tesla (T). 1 T = 1 N/(A·m), altså den feltstyrken som gir 1 N kraft på en 1 m lang leder med 1 A strøm vinkelrett på feltet.

Sensortips – slik imponerer du

Slik får du toppkarakter

• Demonstrer høyrehåndsregelen fysisk med hånda mens du forklarer.
• Skill tydelig mellom F = qvB (én ladning) og F = BIL (hel leder).
• Vis grafen F mot I og pek på at stigningstallet er B·L.
• Avslutt med elektromotoren som anvendelse – det viser forståelse.

Slik vurderer sensor

Det som gir karakter 6

• Du bruker F = BIL·sinθ riktig og forklarer vinkelavhengigheten.
• Du bestemmer kraftretningen korrekt med høyrehåndsregelen.
• Du kobler målingene (F proporsjonal med I) til teorien.
• Du forklarer hvordan kraften gir dreiemoment i en motor.

Typiske elevfeil å unngå

Vanlige feil

• Blander høyre- og venstrehåndsregel eller bytter om fingrene.
• Glemmer sinθ og tror kraften er like stor uansett vinkel.
• Tror kraften peker langs strømmen eller langs feltet – den er vinkelrett på begge.
• Forveksler B (tesla) med magnetisk fluks Φ (weber).

Feilkilder

• Lederen står ikke helt vinkelrett på feltet, så sinθ < 1.
• Feltet er ikke homogent mellom polene; kantene er svakere.
• Friksjon i vippa eller opphenget gir for lavt utslag.
• Oppvarming endrer lederens motstand og dermed strømmen under måling.

Variasjoner av forsøket

• Mål kraften med en digital vekt og lag graf F mot I for å finne B·L.
• Varier lengden L på lederen i feltet og bekreft at F er proporsjonal med L.
• Bygg en enkel likestrømsmotor med en spole, magnet og kommutator.
• Undersøk vinkelavhengigheten ved å dreie lederen og måle kraften ved ulike θ.

Sentrale begreper

• Lorentz-kraft – kraften på en ladning i bevegelse i et magnetfelt, F = q·v·B.
• F = BIL – kraften på en strømførende leder vinkelrett på feltet.
• Høyrehåndsregelen – tommel = strøm, pekefinger = felt, langfinger = kraft.
• Flukstetthet (B) – magnetfeltets styrke, målt i tesla (T).
• Dreiemoment – kraft ganger arm; får strømsløyfa i en motor til å rotere.
• Homogent felt – et magnetfelt som er like sterkt og rettet likt overalt i området.

Kompetansemål forsøket dekker

• Gjøre rede for magnetiske krefter på strømførende ledere og bruke F = BIL.
• Bruke høyrehåndsregelen til å bestemme retning på kraft, strøm og felt.
• Planlegge og gjennomføre forsøk og vurdere måleusikkerhet.

Ofte stilte spørsmål

Hvorfor heter det høyrehåndsregelen?

Fordi tre fingre på høyre hånd, holdt vinkelrett på hverandre, gir retningene til strøm, felt og kraft. (Noen lærebøker bruker venstrehånd for elektronstrøm – vær konsekvent med konvensjonell strøm.)

Er kraften den samme på elektroner og på lederen?

Lorentz-kraften virker på de enkelte ladningene, men siden de sitter i metallet, overføres kraften til hele lederen som beveger seg.

Hva er forskjellen på denne kraften og induksjon?

Her gir strøm i et felt en kraft (motorprinsipp). Ved induksjon gir bevegelse i et felt en spenning (generatorprinsipp). De er motsatte sider av samme sak.

Hvorfor brukes magnetfelt i høyttalere?

En spole som bærer lydsignalets vekselstrøm sitter i et magnetfelt. F = BIL gjør at spolen og membranen beveger seg i takt med strømmen og lager lyd.

Klar for muntlig-praktisk?

Øv på flere Fysikk 2-forsøk og eksamensoppgaver med fasit.

Gå til Fysikk 2

Relaterte sider

InduksjonKondensatorFotoelektrisk effektFysikk 2Alle Fysikk 2-forsøkFysikk 1-forsøkEksamensoppgaver med fasit