Hans Christian Oersted utförde 1820 ett viktigt experiment som visade att det fanns ett samband mellan elektricitet och magnetism. När en ström slogs på genom en tråd fick den en kompassnål att vrida sig så att den stod i rät vinkel mot tråden. Strömmen hade skapat ett magnetfält som var tillräckligt starkt för att få kompassnålen att vrida sig.
Bakgrund till experimentet
Det var redan känt att en elektrisk ström i en tråd har en värmande effekt och kan få tråden att glöda. Detta visade att de tre fenomenen elektricitet, uppvärmning och belysning var sammankopplade.
Vetenskapsmän försöker ”förena” till synes olika fenomen genom att hitta deras bakomliggande orsaker.
Fråga: Hur kan vi visa att en elektrisk ström har en uppvärmningseffekt och även kan ge upphov till ljus?
Svar: Vi försöker lösa de olika orsakerna: Det var också känt att när blixten, en form av elektricitet, slog ner i ett fartyg, kunde fartygets kompass påverkas – polariteten kunde vändas om.
Fråga: Vad tyder detta på?
Svar: Det finns en koppling mellan elektricitet och magnetism.
Vetenskapsmän använder sig av bevis från vardagen och försöker förstå bevisen genom experiment.
Hur kan denna koppling påvisas i labbet?
Experimentatorerna föreställde sig att om en elektrisk ström flödade längs en rak tråd, skulle magnetfältet som den producerade vara i samma riktning. Så de placerade sina kompassnålar i rät vinkel mot tråden och trodde att de skulle avledas av strömmen så att de blev parallella med tråden. De såg ingen effekt eftersom, som Oersted skulle visa, det magnetfält som uppstår är vinkelrätt mot tråden. Så förutfattade meningar hindrade de tidigare experimentatörerna från att se effekten. (Observera att den tillgängliga utrustningen – voltaiska högar, typiskt sett – endast skulle producera en liten ström, så effekten skulle i vilket fall som helst ha varit mycket svag.)
Experiment: Ställ in en kompass som pekar i nord-sydlig riktning; placera en tråd ovanför den som ligger i öst-västlig riktning. Anslut till en 1,5 V-cell. Det bör inte finnas någon effekt.
Föreställningar (befintliga idéer) kan göra det svårt att göra framsteg.
Oersteds tänkande
Oersted föreställde sig en elektrisk ström som ”kämpar” genom en tråd. När den flödade gav denna ”konflikt” upphov till ”värme” (eller infraröd strålning, som vi nu förstår det) och ljus, som strålade bort från tråden. Skulle det inte också kunna resultera i ett magnetfält som strålar bort?
En idé leder till en annan, som sedan kan testas.
Fråga: Hur skulle du rita upp magnetfältslinjer för att representera Oersteds idé?
Svar: Hur skulle du rita upp magnetfältslinjer för att representera Oersteds idé?
Svar: Svar: De strålar ut från tråden.
Fråga: Hur borde kompassnålen bete sig om denna idé är korrekt?
Svar: Hur skulle en kompassnål bete sig om denna idé var korrekt? Den kan förväntas peka radiellt mot tråden. Prova det, och magneten gör inte detta. Så magnetiska fältlinjer strålar inte ut från en strömförande tråd.
Oersteds experiment
Oersted gav en offentlig demonstration av sambandet mellan elektricitet, ”värme” och ljus. Han kopplade en voltaisk stapel till en platintråd och visade att den blev varm och glödde.
När han föreläste dök hans idé om ett samband mellan elektricitet och magnetism upp på nytt i hans huvud. Han hade en kompass till hands (för andra experiment som han tänkte demonstrera), så han bestämde sig för att testa sin idé där och då.
Experiment: Försök: Sätt upp det tidigare experimentet, men med tråden liggande i nord-sydlig riktning ovanför kompassen, parallellt med kompassnålen. Slå på – nålen roterar så att den ligger i öst-västlig riktning.
Se även:
Oersteds experiment.
Oersted vände på strömmen; nålen rörde sig åt andra hållet.
Effekten som observerades av Oersted och hans åhörare var liten; ingen var särskilt imponerad. Oersted var medveten om att andra vetenskapsmän hade distraherats av liknande svårfångade fenomen, och det dröjde tre månader innan han ägnade mer tid åt sin upptäckt.
Vetenskapsmän arbetar ofta på gränsen för känsligheten hos sina instrument. En teknik kan behöva förfinas kraftigt innan ett fenomen kan observeras på ett tillförlitligt sätt.
Vad Oersted gjorde härnäst
Oersted visade att magnetfältet runt en strömförande tråd var cirkulärt, dvs. kraftlinjerna är cirklar, centrerade på tråden.
Experiment:
Magnetiskt fält till följd av en elektrisk ström i en tråd.
Han fortsatte med att visa att en tjockare tråd gav en större effekt. Han visade också att material som placerades mellan tråd och kompass inte hade någon effekt.
Fråga: Varför?
Svar: Svar: Tjockare tråd har mindre motstånd och därmed större strömstyrka. Icke-magnetiska material har ingen effekt på ett magnetfält.
I juli 1820 skickade han ett fyra sidor långt papper med sina resultat, på latin, till flera vetenskapliga tidskrifter.
Vetenskapsmän förväntas dela med sig av sina resultat så snart som möjligt, genom att publicera dem i tidskrifter. År 1820 var latin ett gemensamt (delat) språk som gjorde det möjligt för forskare av olika nationaliteter att förstå varandras arbete.
Ampere läste Oersteds rapport och inom loppet av en vecka hade han upprepat observationerna och utvecklat en matematisk teori som beskrev hur magnetfältet beror på strömmens styrka och avståndet till tråden.
I princip kontrolleras vetenskapliga resultat av andra forskare som upprepar experimenten för att se om de får samma resultat.
Oersted hade observerat och beskrivit ett experimentellt fenomen. Ampere tog det vidare genom att skriva en matematisk ekvation för att redogöra för det.
Fråga: Oersted hade visat att en elektrisk ström har ett magnetfält omkring sig. Vilka praktiska tillämpningar utvecklades utifrån denna idé?
Svar: Svar: Elektromagneter, motorer, dynamos, transformatorer etc.
Mer om Oersted
Oersted grundade det danska sällskapet för spridning av naturvetenskap, ett sällskap som syftade till att presentera vetenskapliga idéer för allmänheten. Oersted spelade också en nyckelroll i grundandet av Danmarks tekniska universitet, med avsikt att förbättra den vetenskapliga grunden för ingenjörsyrket.
Många vetenskapsmän strävar efter att dela med sig av sitt arbete till en bredare publik. De kan också försöka dela med sig av de tekniska fördelarna med sina upptäckter. Han beskrev 1820, året för sin stora upptäckt, som det lyckligaste året i sitt liv.
Vetenskapsmän kan få stort nöje av sitt arbete.
År 1802 publicerade en italiensk jurist vid namn Gian Domenico Romagnosi en redogörelse för en observation som liknade Oersteds. Hans artikel dök dock upp i en tidning och den togs inte upp av forskarsamhället. Romagnosi verkar inte ha följt upp sina preliminära upptäckter.
Det finns många exempel på ”tidigare påståenden” i vetenskapshistorien. I praktiken går erkännandet vanligtvis till den person som publicerar en noggrann, detaljerad och upprepningsbar redogörelse för sina observationer, vid en tidpunkt då andra vetenskapsmän är redo för idén och på en plats där den kommer att läsas och tas på allvar.
Acknowledgement
Vi är tacksamma mot David Sang, författare till denna fallstudie.