Att vissa material kan bli magnetiserade beror på elektronerna. Om elektronerna rör sig i materialet, det vill säga om vi leder en ström genom det, så kommer det också att skapa magnetfält. Det finns alltså en tydlig koppling mellan elektricitet och magnetism – båda beror på elektronernas rörelser. När en elektrisk laddning rör sig uppstår ett magnetfält, och när ett magnetfält förändras uppstår ett elektriskt fält. Vi brukar därför prata om det som elektromagnetism.

[Bild på en kompassnål bredvid en ledare i en öppen krets]

Hur tror du att kompassnålen kommer att ändras när vi slår på strömmen genom ledaren i bilden?

När en elektrisk ström passerar genom en ledare uppstår ett magnetfält runt ledaren, eftersom rörliga elektriska laddningar alltid ger upphov till magnetiska effekter. Magnetfältet sprider sig i cirklar runt ledaren. Du kan använda din högra hand för att komma ihåg hur fältet går. Om du håller den så att tummen pekar i strömmens riktning så visar de böjda fingrarna hur magnetfältet går runt ledaren.

Om vi placerar en kompassnål under ledaren kommer den att rikta in sig längs fältlinjerna.

Vi kan göra magnetfältet starkare. Det gör vi genom att öka strömmen genom ledaren. Men vi kan också göra det genom att placera stycken flera ledare bredvid varandra. Ett fiffigt sätt att göra det på är genom att vira ledaren till en spiral, en spole. I spolen förstärks magnetfältet med varje varv. Resultatet blir ett starkare och mer koncentrerat magnetfält inuti spolen. Vi kan använda vår högra hand igen, den här gången för att komma ihåg hur fältet i spolen är riktat. Om fingrarna följer strömmens riktning runt spolen, så pekar tummen i riktning mot spolens nordpol.

Magnetfältet förstärks ännu mer om vi placerar en bit järn i spolen. Järn är ett ferromagnetiskt material. Det betyder att det har små magnetiska områden inuti, som lätt ordnar sig i samma riktning när de påverkas av ett yttre magnetfält. Detta gör att järnet i "hjälper till" att leda och koncentrera magnetfältet, vilket gör hela systemet mycket starkare.

En spole med en kärna av järn används för att skapa elektromagneter. Med en elektromagnet kan vi styra när den ska vara magnetisk genom att slå av och på strömmen genom spolen. Vi kan till exempel slå på strömmen och använda magneten för att lyfta en bil. Sedan kan vi slå av strömmen för att släppa ner bilen.

[Bild på bil som hänger i en kran med en elektromagnet]

En spole skapar ett magnetfält när vi leder ström genom den. Det betyder att om vi placerar en magnet i spolen och slår på strömmen så kommer magneten att påverkas av en kraft. Magneten kommer då att åka ut ur spolen. Vilket håll den åker på beror på hur vi har placerat den och på vilket håll strömmen går genom spolen. En ström genom spolen skapar alltså ett magnetfält som kan påverka en magnet.

Om vi istället gör tvärt om och puttar magneten genom spolen så uppstår en elektrisk ström i spolen.

Vi kan mäta vad som händer genom att koppla en amperemätare till spolen. Vi ser då att så länge magneten ligger stilla så uppstår ingen ström. Om vi snabbt drar ut magneten blir det däremot en mätbar ström. Magneten måste alltså röra sig för att vi ska få en ström i spolen. När magneten rör sig förändras magnetfältet och då skapas en spänning som kan driva en ström i ledaren. Man säger att spänningen ”induceras”. Induktion är en viktig princip inom elektromagnetism, och kopplar alltså samman elektricitet och magnetism.

Vi kan ta reda på riktningen på den inducerade strömmen kan med hjälp av något som kallas Lenz lag (efter en rysk fysiker). Lenz lag säger att den inducerade strömmen alltid motverkar den förändring som orsakade den. Det betyder till exempel att om magnetfältet ökar i en viss riktning, så skapas en ström som försöker skapa ett magnetfält i motsatt riktning.

Induktion är grunden för mycket viktig teknik. Den används till exempel i generatorer (där rörelse omvandlas till elektricitet), transformatorer (som ändrar spänning i elnätet) och induktionshällar. Du kan läsa mer om generatorer och transformatorer här nedan.

Man kan enkelt testa Lenz lag med ett kopparrör och en liten magnet. Koppar är inte magnetiskt, med leder ström väldigt bra. Om du släpper en magnet genom röret kommer dragningskraften dra magneten nedåt. Men eftersom magneten rör sig inducerar den en ström i röret. Strömmen skapar ett magnetfält, som bromsar magneten. Magneten bromsas alltså upp och faller långsamt genom röret, mycket långsammare än om du släpper den bredvid röret.

Ett annat experiment är att koppla två lysdioder till spolen. Det behövs bara en liten ström för att få en lysdiod att lysa, men strömmen måste gå på rätt håll. Parallellkoppla två lysdioder med spolen, men vänd dioderna på varsitt håll. Om du nu för in en magnet i spolen kommer den ena dioden att tändas. När du drar ut magneten kommer den andra dioden att tändas.

[Film med spole och två dioder]

Ett tredje experiment är att bygga ett litet enkelt "batteritåg" med en spole, ett batteri och två magneter. Om magneterna placeras på varsin sida av batteriet (på pluspolen och på minuspolen) och sedan i spolen händer två saker. 1) Magneterna gör så att det blir kontakt mellan batteriet och spolen och en ström går genom spolen. Strömmen i spolen skapar ett magnetfält som 2) påverkar magneterna. Om magneterna är vända på rätt håll får vårt tåg fart och åker genom spolen.

Vindkraftverk är idag ett vanligt sätt att producera elektrisk energi. När det blåser roterar bladen och det skapas, genereras, elektrisk ström. För att omvandla energin i vinden till elektrisk energi används en generator. Men hur fungerar det?

Vi har ju sett att elektricitet och magnetism hör ihop. En elektrisk ström kan skapas i en ledare om magnetfältet ändras. Vi behöver alltså en ledare och ett magnetiskt fält som ändras för att skapa ström.

En generator omvandlar rörelseenergi till elektrisk energi. Det betyder att något som rör sig används för att skapa elektricitet. Generatorer finns inte bara i vindkraftverk utan används även i vattenkraft och kraftverk som bygger på ånga. Ibland har man också en generator på cykeln så att lamporna lyser när man cyklar.

En enkel generator kan bestå av en magnet och en spole. Om magneten rör sig genom spolen förändras magnetfältet. Då börjar elektroner i ledningen röra sig. Det uppstår en elektrisk ström. Det räcker alltså inte att magneten bara finns där. För att generatorn ska skapa ström måste magnetfältet förändras. Det kan ske genom att magneten rör sig, men många magneter är tunga och då är det lättare att flytta ledaren eller spolen bredvid magneten. Oftast är den lättaste lösningen att man roterar ledaren i magnetfältet.

I ett vindkraftverk är det vinden som sätter fart på generatorn. Vinden får bladen att snurra, och de i sin tur får en turbin att rotera. Turbinen är kopplad till en generator. När generatorn snurrar skapas elektrisk energi. I ett vattenkraftverk är det istället vatten som strömmar nedåt och får en turbin att snurra. Även där används rotationen för att driva en generator.

Generatorn använder alltså induktion för att omvandla rörelse till elektricitet. Det är en viktig del av vårt elsystem, eftersom nästan all el som används i samhället produceras med någon form av generator.

Man kan också jämföra generatorn med en elmotor. De fungerar nästan som motsatser. En generator använder rörelse för att skapa elektricitet. En elmotor använder elektricitet för att skapa rörelse.

En elmotor gör tvärtom jämfört med en generator. Den omvandlar elektrisk energi till rörelseenergi. Elmotorer finns i många saker omkring oss, till exempel fläktar, elvispar, tvättmaskiner, borrmaskiner, elcyklar och elbilar.

För att förstå elmotorn använder vi sambandet mellan elektricitet och magnetism igen. När det går ström genom en ledning bildas ett magnetfält runt ledningen. Om ledningen är lindad till en spole blir magnetfältet starkare. Spolen kan då fungera som en elektromagnet.

En enkel elmotor kan bestå av en spole som sitter mellan två magneter. När ström går genom spolen blir den magnetisk. Den får en nordpol och en sydpol, precis som en vanlig magnet. Eftersom magnetiska poler påverkar varandra börjar spolen vrida sig. Olika poler dras mot varandra, medan lika poler stöter bort varandra.

Om spolen bara fick vrida sig fritt skulle den kunna stanna efter ett halvt varv, när polerna som dras mot varandra är så nära varandra som möjligt. För att spolen ska fortsätta rotera behöver strömmen byta riktning vid rätt tillfälle. När strömmen byter riktning byter ju också spolens magnetiska poler plats. På så sätt fortsätter spolen att dras och puttas vidare runt.

I en enkel likströmsmotor finns därför en komponent som hjälper till att byta strömriktning. Den gör att spolen fortsätter snurra åt samma håll. I andra motorer löser man det på andra sätt, men i grunden är det samma idé: elektrisk ström skapar magnetfält, och magnetfält skapar krafter som ger rörelse.

När en elmotor arbetar omvandlas förstås inte all energi till rörelse. En del energi blir värme, till exempel när ström går genom ledningar eller när delar i motorn rör sig mot varandra. Ändå är elmotorer ofta mycket effektiva.

Motorn i en elbil är ett bra exempel på att en motor och generator fungerar enligt samma principer, men omvänt. I en elbil finns en eller flera elmotorer som driver hjulen. När föraren trycker på gaspedalen skickas elektrisk energi från batteriet till motorn. Motorn får hjulen att snurra och bilen börjar röra sig.

Här omvandlas energi från batteriet, via elmotorn, till rörelseenergi när hjulen snurrar.

Men när föraren släpper gasen eller bromsar kan processen gå åt andra hållet. Hjulen fortsätter att snurra eftersom bilen rör sig framåt. Då kan hjulen driva elmotorn runt. När elmotorn drivs runt av hjulen fungerar den istället som en generator. Den skapar elektrisk energi som skickas tillbaka till batteriet.

Nu omvandlas rörelseenergi till elektrisk energi som kan lagras i bilens batteri. Detta kallas regenerativ bromsning.

Varför saktar bilen ner? När elmotorn fungerar som generator tar den energi från bilens rörelse. Den energin omvandlas till elektrisk energi och lagras i batteriet. Eftersom rörelseenergi tas från bilen minskar bilens fart.

När man bromsar med en bensindriven bil används bromsklossar som pressas mot en bromsskiva som sitter fast i hjulen. Då omvandlas mycket av rörelseenergin till värme. Den energin sprids sedan till omgivningen och går inte att använda igen. I en elbil kan en del av rörelseenergin istället tas till vara och laddas tillbaka till batteriet. All energi kan inte återvinnas, men bilen blir mer energieffektiv.

En transformator  används för att ändra elektrisk spänning. Den kan antingen höja spänningen eller sänka den. Transformatorer är viktiga i elnätet, men finns också i många laddare och elektriska apparater.

[Förenklad bild av en transformator med en järnkärna]

En transformator består av två spolar som sitter nära varandra, ofta kring en kärna av järn. Den ena spolen kallas primärspole och den andra kallas sekundärspole. Energi överförs från den ena spolen till den andra med hjälp av ett magnetfält. Järnkärnan gör kopplingen starkare.

När växelström går genom primärspolen skapas ett magnetfält som hela tiden ändras. Eftersom strömmen byter riktning, byter också magnetfältet riktning. Magnetfältet kopplas genom järnkärnan till sekundärspolen. Där kan det skapa en ny elektrisk spänning eftersom fältet genom spolen nu ändras.

Det bygger på samma grundprincip som i en generator: ett magnetfält som ändras kan skapa spänning i en ledning. Skillnaden är att transformatorn inte behöver några delar som snurrar. Den använder växelström för att skapa ett föränderligt magnetfält.

Hur spänningen ändras beror på hur många varv ledning de två spolarna har. Om sekundärspolen har fler varv än primärspolen blir spänningen högre. Då säger man att transformatorn transformerar upp spänningen. Om sekundärspolen har färre varv blir spänningen lägre. Då transformerar den ner spänningen.

I elnätet används transformatorer för att transportera el effektivt. När el ska skickas långa sträckor höjs spänningen. Då kan strömmen vara mindre, och mindre energi förloras som värme i ledningarna. När elen kommer nära våra hem sänks spänningen igen, så att den kan användas i vanliga eluttag.

Elektromagnetism beskriver hur elektricitet och magnetism hör ihop. När elektriska laddningar rör sig uppstår magnetfält, och när ett magnetfält förändras kan det skapa elektrisk spänning och ström. Samma grundidé används i många viktiga tekniska uppfinningar. En elektromagnet kan slås av och på med hjälp av ström och kan till exempel användas för att lyfta tunga metallföremål. En generator omvandlar rörelse till elektricitet, medan en elmotor gör tvärtom: den omvandlar elektricitet till rörelse. På så sätt är motorer och generatorer nära släkt med varandra, även om energin omvandlas åt olika håll.

Ett tydligt exempel är en elbil. När bilen gasar skickas elektrisk energi från batteriet till motorn, som får hjulen att snurra. Då omvandlas elektrisk energi till rörelseenergi. När bilen istället saktar in kan processen gå åt andra hållet. Hjulen fortsätter att snurra och driver motorn runt. Då fungerar motorn som en generator och laddar tillbaka en del av energin till batteriet. Detta kallas regenerativ bromsning. All energi kan inte återvinnas, men bilen blir mer energieffektiv än om all rörelseenergi bara skulle omvandlas till värme i bromsarna.

Induktion är en av de viktigaste idéerna i kapitlet. Den betyder att en spänning kan uppstå när ett magnetfält förändras. Det är grunden för generatorer, transformatorer och mycket av vårt elsystem. I vindkraftverk och vattenkraftverk används rörelse för att driva generatorer som skapar elektricitet. I transformatorer används istället ett föränderligt magnetfält för att höja eller sänka spänningen, utan att något behöver snurra. Det gör att el kan transporteras långa sträckor med mindre energiförluster och sedan anpassas till en säker spänning nära våra hem. Genom att förstå elektromagnetism kan vi alltså förklara hur allt från en enkel kompassnål vid en ledare till elbilar, kraftverk och elnät fungerar.