Kan man skabe strøm i en spole ved at bevæge den gennem Jordens magnetfelt?

Hej Spørg om Fysik
Jeg har undret mig over, om det er muligt at skabe strøm i en spole ved at bevæge den ved Jordens overflade, altså gennem Jordens magnetfelt.

Jeg kan tilsyneladende ikke finde noget svar på, om det overhovedet kan lade sig gøre. Men hvis det kan, er det så muligt at udregne, hvor stor en spole man skal bruge, og hvor hurtigt den skal bevæges for at opnå et givet strømniveau? 

Kan man på samme måde udregne, hvor på Jorden man vil få mest ud af at inducere? (Er magnetfeltet stærkere eller svagere ved ækvator?). 

Med venlig hilsen
A B

Man kan godt skabe en spænding ved at dreje en spole om en diameter i jordfeltet. Strømmen bestemmes så af modstanden i den kreds, man laver. Problemet er, at jordfeltet er meget svagt.

Det vandrette felt her i Danmark er imellem 16 og 17 µT, det lodrette imellem 46 og 47 µT. Ved polerne er felterne lidt højere i lodret retning. Det giver i Danmark i den kraftigste retning ca. 50 µT.

En µT er en milliontedel Tesla, som er enheden man bruger for magnetfelter. En normal hesteskomagnet ligger imellem 0,002 og 0,01 T, de kraftigste permanente magneter op til 0,3 T i luften imellem polerne. Man kan lave magnetfelter med store strømme i spoler, op til ca. 45 T.

Jordens felt er altså ca. 1 000 til 10 000 gange svagere end de fleste felter man kender fra almindelige permanente magneter, som f.eks. bruges til legetøj.

Hvis man laver en spole på størrelse med et cykelhjul (28”), hvor der ikke er jern i spolen, og lægger 1000 vindinger kobbertråd på den, og drejer den ½ omgang om en diameter på 1 sek., får man en maksimal spænding på ca. 0,06 V. Hvis man vil have 1 V, skal man altså ½ omdrejning dreje 16 gange pr. sek., eller 32 omdrejninger pr. sek.

Man skal altså have en stor spole med mange vindinger, og dreje nogenlunde hurtigt, for at kunne få energi ud. Det kan slet ikke betale sig. En almindelig gammeldags cykeldynamo er langt mere effektiv.

Polerne er de bedste steder

Vi satser normalt på felter fra permanente magneter for mindre motorer og dynamoer, og fra strømme i spoler med jern for større maskiner. Det største felt er i nærheden af polerne, så det er nok de bedste steder at forsøge, men der er ikke meget store forskelle.

Jordfeltet er på den anden side et felt, vi bestemt ikke kan være lige glade med. Ude fra rummet kommer der en del stråling bl.a. fra solen, men også ude fra galaksen. Det er en rimelig kraftig stråling. Den stoppes stort set af to ting, lufthavet omkring jorden, og jordens magnetfelt. Lufthavet stopper strålingen ved sammenstød, så det meste ikke når ned til overfladen, men meget af strålingen indfanges af jordens magnetfelt, og kommer så til at følge feltet fra pol til pol, og tilbage igen.

Den stråling, der når lidt længere ned i atmosfæren ved polerne bevirker nordlys (eller sydlys) højt oppe i den tynde del af atmosfæren. Se mere på: Stråling i rummet >>

Nogle af årsagerne til, at der stort set ikke er atmosfære på Mars (hvad man mener der har været) er den lave tyngdeacceleration, som tillader mange molekyler i at nå undslippelseshastighed, så de forsvinder. Desuden er der ikke er noget magnetfelt af betydning. Det manglende magnetfelt betyder, at partikelstrømmen fra solen går direkte ind i atmosfæren, og efterhånden river den med sig ud i rummet i år milliarderne.

Måling af magnetfelt med Ørsted satellitten

Danskerne har gjort en indsats omkring jordfeltet, vi har haft en dansk bygget satellit, Ørsted satellitten, i rummet, som har virket i ca. 14 år fra februar 1999, og som har udmålt jordens magnetfelt med en usædvanlig nøjagtighed. Den blev opsendt med en Amerikansk Delta II raket som også bragte andre satellitter i kredskøb. Banen er næsten en bane over polerne med en mindste afstand fra Jorden på ca. 650 km, og en største afstand på ca. 860 km.

På trods af jordfeltet, så kan strålingsudbrud fra solen have virkning her på Jorden. Steder, hvor der er lange højspændingsledninger, f.eks. Canada, har været ude for, at virkningen af en solstorm har brændt deres hovedtransformatorer af ved induktion i højspændingsledningerne.

Ude i rummet i højder fra 3 000 km til 15 000 km ligger van Allen bælterne (efter opdageren James Alfred Van Allen (US, 1914 – 2006), hvor elektrisk ladede partikler fanget i jordens magnetfelt cirkulerer rundt om jorden, hvor strålingsniveauet kan være ret højt. Bemandede rumfartøjer er normalt i lavere højder. Skal man igennem bælterne, sker det den korteste vej. Magnetfeltet gør altså nytte ved, at disse partikler ikke når ned til jordoverfladen (dog sammen med sammenstød med lufthavet).

Stråledosis afhængig af højde over Jorden 

Her i Danmark får vi en stråledosis pr. år omkring 0,3 mSv. Sv betyder sieverts, som er et mål for skadevirkningen af strålingen (det er enhed for en størrelse, som betegnes H, og som kaldes dosisækvivalentet).

I et fly i 12 km højde får man 5 µSv pr. time, eller, hvis man flyver i et helt år i den højde, får man 45 mSv til sammenligning altså ca. 150 gange mere. Med den tid almindelige mennesker opholder sig i fly i stor højde anses det ikke for noget problem. Der er steder på jorden, hvor det normale niveau er højere, det er svært at se, at disse niveauer på jordoverfladen har nogen påviselig virkning. Desuden bliver strålingsniveauet højere, des højere man kommer op i bjerge.

Vi bruger desuden fra gammel tid jordfeltet til navigation ved hjælp af magnetiske kompasser, som godt nok er blevet mindre vigtige på grund af gyrokompasser og GPS, men de bruges da stadig i det mindste som reserver.

Det korte svar

Man får ikke noget ud af at lave induktion i jordfeltet, hvis man vil frembringe energi. Der er meget bedre tekniske muligheder på andre måder.

Med venlig hilsen
Malte Olsen