Magnetisme: Definition, typer, egenskaber og hvordan de fungerer (med eksempler)

Magneter. Du har dem på dit køleskab, du har spillet med dem som barn, du har endda holdt et kompas i din hånd, da kompassnålen pegede på Jordens magnetiske nordpol. Men hvordan fungerer de? Hvad er dette fænomen med magnetisme?

Magnetisme er et aspekt af den grundlæggende elektromagnetiske kraft. Den beskriver fænomener og kræfter forbundet med magneter eller magnetiske genstande.

Alle magnetfelter genereres ved at flytte ladning eller ændre elektriske felter. Dette er grunden til, at fænomenerne elektricitet og magnetisme kaldes samlet elektromagnetisme. De er virkelig det samme!

Inden for alle materialer indeholder atomerne elektroner, og disse elektroner danner en sky omkring atomkernen, hvor deres samlede bevægelse skaber en miniaturemagnetisk dipol. I de fleste materialer får den tilfældige fordeling af orienteringen af ​​disse mini-magneter imidlertid, at felterne annulleres. Ferromagnetiske materialer er undtagelsen.

Mange materialer udviser magnetiske fænomener, herunder jern, mangan, magnetit og cobalt. Disse kan eksistere som permanente magneter eller kan være paramagnetiske (dvs. tiltrukket af magnetiske materialer, men ikke selv beholde permanent magnetisme). Elektromagneter skabes ved at føre elektrisk strøm gennem en ledning, der er viklet rundt om et materiale som jern (eller ved enhver situation, hvor der er elektrisk ladning i bevægelse).

Magnetiske materialer kan enten tiltrække hinanden eller frastøde hinanden, afhængigt af hvilke dele af disse materialer der bringes sammen.

Ligesom med den elektriske kraft og tyngdekraften genererer objekter, der udøver magnetiske kræfter på hinanden, et felt omkring dem. En stangmagnet skaber for eksempel et magnetfelt i rummet omkring det, hvilket får andre magneter eller ferromagnetiske materialer, der bringes ind i dette felt, for at føle en kraft som et resultat.

En måde at visualisere magnetfeltet på er at bruge jernarkiv. Jernarkiver er små jernstykker, der, når de drysses rundt om en magnet, vil justeres efter de eksterne magnetiske feltlinjer, så du kan visualisere dem.

SI-enheden forbundet med magnetisk feltstyrke er tesla.

En anden almindelig enhed forbundet med magnetfeltstyrke er gauss.

1 Gauss = 1 G = 10^-4 T

Der er mange forskellige typer magnetisme:

​Paramagnetismebeskriver visse materialer, der kan være svagt tiltrukket af magneter, men som ikke selv har et permanent magnetfelt. I nærvær af et eksternt felt vil de danne indre, inducerede magnetfelter, der justeres. Dette kan resultere i midlertidig forstærkning af magnetfeltet generelt. Der er mange forskellige typer paramagnetiske materialer, selv med nogle ædelsten.

​Diamagnetismeer en egenskab, der udstilles af alle materialer, men som typisk er mest åbenlyse i materialer, vi tænker på som ikke-magnetiske. Diamagnetiske materialer er meget svagt frastødt af magnetfelter. I permanente magneter og paramagnetiske materialer er virkningerne af diamagnetisme ubetydelige.

​Elektromagnetismeopstår, når elektrisk strøm ledes gennem en ledning. Denne ledning kan blive viklet rundt om en jernstang for at forstærke effekten, da strygejernet vil skabe sit eget magnetfelt, der passer med det eksterne felt. Denne form for magnetisme er et direkte resultat af, at elektroners bevægelse skaber et magnetfelt. (Igen er elektricitet og magnetisme to sider af den samme grundlæggende fysiske egenskab!)

​Ferromagnetismebeskriver, hvordan visse materialer - kaldet ferromagnetiske materialer - danner permanente magneter, som diskuteres mere detaljeret i det næste afsnit.

Materialer, der er stærkt tiltrukket af magneter kaldes ferromagnetisk. Jern er det mest almindelige materiale af denne type. (Ikke overraskende, da det latinske præfiksferro- betyder "jern".)

Ferromagnetiske materialer har såkaldte magnetiske domæner; det vil sige regioner inden i dem, der er som magneter, men orienteret i forskellige retninger, så den samlede effekt annulleres, og de fungerer generelt ikke som magneter. Hvis disse materialer imidlertid placeres i magnetfelter, kan dette forårsage en tilpasning af domænerne således at de alle er justeret i samme retning, og derfor bliver de (ofte midlertidigt) som magneter dem selv.

Ferromagnetiske materialer inkluderer lodsten, jern, nikkel, cobalt og forskellige sjældne jordmaterialer, herunder neodym.

En stangmagnet er en rektangulær eller cylindrisk stang af magnetisk materiale. Enderne af en stangmagnet er nord- og sydpoler. Dette er de to typer magnetiske poler, og de interagerer med hinanden via en magnetisk kraft på en måde svarende til, hvordan positive og negative ladninger interagerer via den elektriske kraft.

Stangmagneter er magnetiske dipoler. De har modsatte poler adskilt af en afstand svarende til en elektrisk dipol. En primær forskel er dog, at med magneter kan du ikke have en monopol (en isoleret pol), som du kan have med ladninger. En magnet eksisterer altid som en dipol og aldrig som en nordpol i sig selv eller en sydpol i sig selv. (Hvis du klipper en stangmagnet i halvdelen for at prøve at adskille polerne, ender du simpelthen med to mindre dipolare magneter!)

Som du sandsynligvis ved, har Jorden et magnetfelt. Dette giver folk mulighed for at bruge kompasser til at bestemme, hvilken retning de vender i forhold til polerne. Et magnetisk kompas består af en lille magnet, der kan bevæge sig frit og justere med ethvert eksternt felt. Den røde ende af kompassnålen peger mod nord. Jordens magnetfelt fungerer som en kæmpe stangmagnet. Denne imaginære stangmagnet er orienteret således, at den nordlige ende af magneten er ved Jordens sydlige pol, og den sydlige ende af magneten er ved Jordens nordlige pol.

Jordens magnetfelt er heller ikke parallelt med jordens overflade de fleste steder. Du kan bestemme deklinationen af ​​Jordens magnetfelt ved hjælp af en dip-nål. Orienter først nålen vandret, og juster den med Jordens magnetiske nord. Drej den derefter lodret og observer dyppevinklen. Vinklen er større jo tættere du er på polerne.

Jordens magnetfelt skaber et område af rummet, der omgiver planeten kaldet en magnetosfære. Magnetosfæren ligner i det væsentlige magnetfeltet på en meget stor stangmagnet, der er justeret tæt på Jordens akse, selvom magnetosfæren kan deformeres, når den interagerer med ladede partikler.

Magnetosfæren beskytter os mod solvind, som indeholder ladede partikler. Interaktioner mellem disse partikler og de magnetiske feltlinjer er det, der giver anledning til nordlys.

Fænomenet magnetisme bruges i alle mulige daglige applikationer.

Fænomenet elektromagnetisme giver os mulighed for at konvertere mekanisk energi til elektrisk energi i elektriske generatorer. Elektriske generatorer bruger mekaniske midler til at dreje en turbine (blæser vind eller rindende vand), der ændrer et magnetfelt i forhold til trådspoler, hvilket inducerer strøm til at strømme.

Elektriske motorer er stort set det modsatte af elektriske generatorer, der bruger elektromagnetisme til at konvertere elektrisk energi til mekanisk energi, hvad enten det er at køre en boremaskine, en mixer eller en elektrisk køretøj.

Industrielle elektromagneter er gigantiske magneter med meget stærke magnetfelter, der gør det muligt for dem at samle gamle køretøjer på skrotværket.

MR-maskiner bruger stærke magnetfelter til at skabe billeder af dine indersider og giver læger mulighed for at diagnosticere en lang række medicinske tilstande.