Store opdagelser: Elektromagnetismen
Gnidningselektricitet og naturlig magnetisme fra jernholdige mineraler (magnetit) havde været kendt siden oldtiden, men vi skal helt frem til omkring år 1800, før de to områder påkaldte sig stor videnskabelig interesse.

Faradays rotationsapparat fra 1821, den første elektromotor. Med en elektrisk strøm bevæger magneterne, der er anbragt i kviksølv, sig rundt om ledningen (Rotationsapparat. Steno Museet, Aarhus Universitet. Foto: Lise Balsby, Anders Trærup og Lars Kruse, AU Kommunikation, Aarhus Universitet.)

 

Mange fysikere arbejdede eksperimentelt og teoretisk med studiet af elektricitet, og der var en tilsvarende interesse for den ejendommelige kraft, hvormed magneter påvirkede genstande af jern og stål.

De elektriske og magnetiske fænomener blev dog opfattet som helt forskellige. Ganske vist var det velkendt, at elektriske udladninger i form af for eksempel lynnedslag kunne påvirke magnetnåle, men herudover var der ikke påvist nogen sikker forbindelse imellem elektricitet og magnetisme.

Tværtimod var der blandt ledende fysikere i Frankrig enighed om, at der umuligt kunne være noget slægtskab mellem fænomenerne. Set ud fra deres synspunkt var det spild af tid at søge efter en mulig forbindelse. Eftersom franske fysikere på den tid udgjorde avantgarden i de fysiske videnskaber, havde deres teoretisk baserede synspunkter stor vægt.

Hovedopgaven var at finde sammehængen mellem kræfterne 

Imidlertid var den danske fysiker, kemiker og naturfilosof Hans Christian Ørsted (1777-1851) ikke tilfreds med den afvisning.

Den apotekeruddannede H.C. Ørsted var en ledende repræsentant for den naturromantiske strømning, der med udgangspunkt i tysk filosofi spredte sig til Nordeuropa i starten af 1800-tallet. Naturromantikken var en slags alternativ natur- og videnskabsopfattelse, der var karakteriseret ved at være antimaterialistisk, dynamisk og holistisk.

Mens traditionelle fysikere opfattede stof som bestående af materielle atomer holdt sammen af kortrækkende naturkræfter, så argumenterede Ørsted og ligesindede fysikere af en naturromantisk indstilling, som den tyske naturforsker Johann Ritter (1776-1810), at materien selv var af en dynamisk natur: Stof bestod af – og var ikke andet end – et system af forbundne kræfter.

Det var en hovedopgave for den romantiske fysik, eller hvad man kaldte 'naturmetafysikken', at finde sammenhængen mellem de forskellige kræfter, der optræder i naturen.

Man var af filosofiske grunde overbevist om, at en sådan sammenhæng fandtes, at naturkræfterne var intimt forbundne og dannede et harmonisk hele. Til syvende og sidst var de blot manifestationer af samme urkraft, der ultimativt var af guddommelig oprindelse.

Magnetisme måtte give sig til kende i tynde, glødende ledninger med stor modstand

Fakta

 

Denne artikel stammer fra bogen '50 opdagelser - Højdepunkter i naturvidenskaben'. Bogen bringes i samarbejde med Aarhus Universitetsforlag. Køb bogen her

 

Ørsted var i 1806 blevet ansat som professor i fysik ved Københavns Universitet, om end hans stilling i lige så høj grad omfattede kemien.

Meget af hans forskning var inspireret af hans naturromantiske opfattelse, ud fra hvilken det var naturligt at forvente en sammenhæng mellem tilsyneladende forskellige naturfænomener, som for eksempel mellem de elektriske og magnetiske kræfter. Præcis hvilken sammenhæng der var tale om, kunne han dog ikke sige.

I bogen 'Ansicht der chemischen Naturgesetze' (Betragtning om de Kemiske Naturlove) fra 1812 overvejede han, hvorvidt den elektriske strøm havde en magnetisk virkning, men uden at undersøge sagen nærmere.

Det var først i starten af 1820, at han nåede til den konklusion, at 'ligesom et Legem, der gjennemtrænges af en meget stærk elektrisk Strøm, udstraaler Lys og Varme til alle Sider, saaledes kunne det ogsaa forholde sig mod [med] den magnetiske Virkning', som han udtrykte det i en selvbiografisk beskrivelse i Kofods Conversations-Lexicon fra 1828.

I overensstemmelse med sin grundantagelse forventede han, at den magnetiske virkning måtte svare til den, der frembragte varme og lys, og at den derfor måtte give sig til kende i ganske tynde og glødende ledninger med en stor modstand.

Ørsted opdagede elektromagnetismen

I juli 1820 havde Ørsted i overværelse af højt ansete og troværdige vidner – blandt andet de københavnske professorer Johannes Reinhardt (1776-1845) og Ludwig Jacobson (1783-1843) – foretaget eksperimenter, der imidlertid overbeviste ham om, at hans oprindelige idé var forkert.

Han indså nu, at en tyk metallisk ledning med lille elektrisk modstand gav en langt kraftigere virkning på magnetnålen.

Ørsted konkluderede, at den 'elektriske Vexelkamp' ikke var indesluttet i ledningen, men at den udbredte sig i cirkler i det omgivende rum, og han kunne derfor angive de fundamentale regler for retningen af den kraft, som den strømførende ledning udøver på en magnetpol.

Descartes foreslog i sin 'Principia philosophiae' fra 1644 en mekanisme for den magnetiske virkning, men uden at overveje en forbindelse til de elektriske kræfter. (Foto: Magnetiske feltlinjer. The MIT Department of Physics.)

Ørsted havde opdaget elektromagnetismen.

 

Ørsted viderebragte sine resultater på latin

Det vigtigste resultat af Ørsteds undersøgelser var, at de magnetiske kræfter fra den elektriske leder havde en 'tværgaaende Virkning', det vil sige stod vinkelret på lederen. En sådan form for naturkraft var helt ny.

I stedet for at publicere sin opdagelse af den elektromagnetiske virkning i et internationalt tidsskrift meddelte han den i et særtryk skrevet på latin, som han straks sendte til sine kolleger i udlandet. På denne noget uformelle måde kunne han hurtigt viderebringe sine resultater og sikre sig prioritet for sin opdagelse.

På dansk redegjorde han i 1820 for sine resultater i tidsskrifterne Dansk Litteratur-Tidende og Hesperus, og det er heri, at ordet 'elektromagnetisme' første gang optræder i dets moderne betydning: 'De electromagnetiske Virkninger synes ikke at afhænge af Electricitætens Spænding; men blot af dens Mængde.'

Ørsted har utvivlsomt været uvidende om, at den tysk-italienske naturfilosof Athanasius Kircher (1602-1680) havde opfundet ordet 'elektromagnetisme' i sin bog Magnes fra 1654, men da i en anden og mere spekulativ betydning.

 

Franskmændene troede, at det var tysk drømmeri

Mens den københavnske opdagelse blev godt modtaget i Tyskland, reagerede de franske fysikere umiddelbart med skepsis, da de jo mente, at det påviste fænomen ikke kunne forekomme. De var bekendt med Ørsteds naturromantiske forestillinger, som de bestemt ikke delte.

'Nyheden blev i begyndelsen modtaget meget køligt her', som den franske fysiker Pierre Dulong (1785-1838) skrev i et brev til Ørsteds nære ven, den svenske kemiker Jöns Jacob Berzelius (1779-1848).

'Man troede, at det var endnu et tysk drømmeri.'

De magnetiske feltlinjer i en spole med elektrisk strøm. De fine spåner af magnetiseret jern anbringer sig i feltets retning.

Men der var tale om et faktum, ikke et romantisk drømmeri, hvilket gentagelser af forsøget i Paris bekræftede. I løbet af kort tid udviklede franske og andre fysikere Ørsteds eksperimentelle indsigt, der blev udgangspunktet for en helt ny og fundamental disciplin, elektrodynamikken eller den elektromagnetiske teori.

Den franske fysiker André-Marie Ampère (1775-1836), der gav navn til den kendte enhed for strømstyrke, viste, at den ørstedske elektromagnetisme slet ikke krævede en magnet, men at den også viste sig i vekselvirkningen mellem to strømførende ledere.

 

Faradays eksperimenter resulterede i dynamoer og elektromotorer

Også i England blev opdagelsen videre udviklet. Mens Ørsted havde vist, hvordan en elektrisk strøm kunne danne et magnetfelt, viste den engelske naturforsker Michael Faraday (1791-1867), at en magnet kunne danne en elektrisk strøm.

Hvis en stangmagnet anbringes passivt i en spole, vil der ikke ske noget; men hvis magneten bevæges, så det indesluttede magnetfelt ændrer sig, vil der frembringes elektricitet.

Faradays vigtige eksperimenter resulterede i de første primitive dynamoer og elektromotorer, om end disse konstruktioner endnu var mere legetøj end praktisk anvendelige apparater.

Af endnu større videnskabelig betydning var det, at Faraday fortolkede sine eksperimenter ud fra begrebet om elektromagnetiske felter, hvilket blev udgangspunktet for James Clerk Maxwells (1831-1879) fundamentale teori for elektromagnetismen fra 1860’erne.

 

Ørsted fik opkaldt enheden 'oersted' efter sig

Man kan stadig læse, at Ørsteds opdagelse af elektromagnetismen var noget af en tilfældighed, idet han i 1820 ved et demonstrationsforsøg tilfældigvis brugte ledninger af den rette tykkelse i forbindelse med en kompasnål og derved til sin overraskelse bemærkede en virkning på nålen.

Men det er en misvisende fremstilling af opdagelsesprocessen, for som nævnt var Ørsted af teoretiske grunde allerede overbevist om en elektromagnetisk virkning, og han udforskede den systematisk og planmæssigt.

Ørsteds optegnelser fra forsøg med elektromagnetisme foretaget i sommeren 1820.

I modsætning til flere andre naturromantikere var han en omhyggelig og erfaren eksperimentator. Hans indsats blev da også værdsat blandt samtidens fysikere, der betragtede opdagelsen som banebrydende.

I 1846 var den aldrende danske naturfilosof blevet inviteret som hædersgæst til et stort videnskabeligt møde i England, og ved den lejlighed blev han af den berømte astronom John Herschel (1792-1871) introduceret med ordene:

»Indenfor videnskaben kender jeg kun en retning, magnetnålen kan tage, når den pegede mod det europæiske fastland, og det er på min højtagtede ven, professor Ørsted. (...) Når man betragter hans rolige væsen, hvem skulle da tro, at han med lethed kunne bevæge en kraft, som er så stor, at den har formået helt at ændre videnskabens status.«

Langt senere, nemlig i 1932, blev det besluttet at opkalde enheden for den magnetiske feltstyrke efter Ørsted ('oersted'), men denne enhed benyttes dog sjældent i dag, hvor enheden er ampere per meter.

 

Opdagelsen af elektromagnetismen bekræftede forestillinger om kræfternes enhed

I hele den eksplosive udvikling af den elektromagnetiske videnskab, der fandt sted mellem 1820 og 1850, befandt Ørsted selv sig på sidelinjen. Han var i det væsentlige tilfreds med at have lagt grundstenen til den nye videnskab og søgte ikke at udforske den nærmere.

I 1821 undersøgte han dog den netop opdagede termoelektricitet, der opstår, når to forbundne metalliske ledere holdes ved forskellig temperatur.

Set ud fra Ørsteds naturromantiske perspektiv var opdagelsen af elektromagnetismen først og fremmest af værdi som en bekræftelse på hans naturfilosofiske forestillinger om kræfternes enhed, mens de nærmere detaljer og den matematiske formulering af teorien ikke interesserede ham synderligt.

Selvom han havde ønsket det, ville han ikke have kunnet udvikle teorien matematisk, sådan som de franske fysikere gjorde: Han havde kun et nødtørftigt kendskab til matematik, som han faktisk aldrig havde lært ordentligt.

 

Ørsted var en passiv tilskuer til udviklingen

Ørsted var heller ikke synderlig interesseret i den teknologiske anvendelse af elektromagnetismen, hvor han også var en noget passiv tilskuer til udviklingen.

Han hyldede forbindelsen mellem naturforskning og teknologi i retoriske vendinger, men i realiteten var den fremmed for hans naturromantiske sjæl.

I 1830'erne og 1840'erne blev de første dynamoer, elektromotorer og elektromagnetiske telegrafsystemer udviklet af fysikere og opfindere, og det blev den spæde begyndelse på hele den elektrificering af verden, der i dag er en betingelse for det moderne samfund.