Magneter. Du har dem på kjøleskapet ditt, du har lekt med dem som barn, du har til og med holdt et kompass i hånden mens kompassnålen pekte mot jordens magnetiske nordpol. Men hvordan fungerer de? Hva er dette fenomenet magnetisme?
Hva er magnetisme?
Magnetisme er et aspekt av den grunnleggende elektromagnetiske kraften. Den beskriver fenomener og krefter knyttet til magneter eller magnetiske gjenstander.
Alle magnetiske felt genereres ved å flytte ladning eller skifte elektriske felt. Dette er grunnen til at fenomenene elektrisitet og magnetisme refereres til samlet som elektromagnetisme. De er virkelig det samme!
Innenfor alle materialer inneholder atomene elektroner, og disse elektronene danner en sky rundt atomkjernen, med deres totale bevegelse som skaper en miniatyr magnetisk dipol. I de fleste materialer fører imidlertid den tilfeldige fordelingen av orienteringen til disse mini-magneter til at feltene avbrytes. Ferromagnetiske materialer er unntaket.
Mange materialer har magnetiske fenomener, inkludert jern, mangan, magnetitt og kobolt. Disse kan eksistere som permanente magneter eller kan være paramagnetiske (det vil si tiltrukket av magnetiske materialer, men beholder ikke permanent magnetisme selv). Elektromagneter opprettes ved å føre elektrisk strøm gjennom en ledning viklet rundt et materiale som jern (eller av en situasjon der det er elektrisk ladning i bevegelse).
Magnetiske materialer kan enten tiltrekke hverandre eller frastøte hverandre, avhengig av hvilke deler av disse materialene som er samlet.
Magnetiske felt
Akkurat som med den elektriske kraften og gravitasjonskraften, genererer objekter som utøver magnetiske krefter på hverandre et felt rundt dem. En stangmagnet, for eksempel, skaper et magnetfelt i rommet rundt det, og forårsaker andre magneter eller ferromagnetiske materialer som føres inn i feltet for å føle en kraft som et resultat.
En måte å visualisere magnetfeltet på er å bruke jernfileringer. Jernfilter er små jernbiter som, når de drysses rundt en magnet, vil justeres etter de eksterne magnetiske feltlinjene, slik at du kan visualisere dem.
SI-enheten assosiert med magnetfeltstyrke er tesla.
1 \ text {Tesla} = 1 \ text {T} = 1 \ frac {\ text {kg}} {\ text {As} ^ 2} = \ frac {\ text {Vs}} {\ text {m} ^ 2} = \ frac {\ text {N}} {\ text {Am}}
En annen vanlig enhet assosiert med magnetfeltstyrke er gauss.
1 Gauss = 1 G = 10-4 T
Typer av magnetisme
Det er mange forskjellige typer magnetisme:
Paramagnetismebeskriver visse materialer som kan tiltrekkes svakt av magneter, men som ikke beholder et permanent magnetfelt selv. I nærvær av et eksternt felt vil de danne indre, induserte magnetfelt som justeres. Dette kan resultere i midlertidig forsterkning av magnetfeltet generelt. Det er mange forskjellige typer paramagnetiske materialer, til og med inkludert noen edelstener.
Diamagnetismeer en eiendom utstilt av alle materialer, men som vanligvis er mest åpenbare i materialer vi tenker på som ikke-magnetiske. Diamagnetiske materialer er veldig svakt frastøtt av magnetfelt. I permanente magneter og paramagnetiske materialer er effekten av diamagnetisme ubetydelig.
Elektromagnetismeoppstår når elektrisk strøm føres gjennom en ledning. Den ledningen kan vikles rundt en jernstang for å forsterke effekten, da strykejernet vil skape sitt eget magnetfelt som er i tråd med det ytre feltet. Denne formen for magnetisme er et direkte resultat av at elektronens bevegelse skaper et magnetfelt. (Igjen, elektrisitet og magnetisme er to sider av den samme grunnleggende fysiske egenskapen!)
Ferromagnetismebeskriver hvordan visse materialer - kalt ferromagnetiske materialer - danner permanente magneter, som blir diskutert mer detaljert i neste avsnitt.
Ferromagnetiske materialer
Materialer som er sterkt tiltrukket av magneter kalles ferromagnetisk. Jern er det vanligste materialet av denne typen. (Ikke overraskende siden det latinske prefiksetferro- betyr "jern".)
Ferromagnetiske materialer har det som kalles magnetiske domener; det vil si regioner i dem som er som magneter, men orientert i forskjellige retninger slik at den samlede effekten avbrytes, og at de generelt ikke fungerer som magneter. Hvis disse materialene imidlertid plasseres i magnetfelt, kan dette føre til en justering av domenene slik at de alle er justert i samme retning, og dermed blir de (ofte midlertidig) som magneter dem selv.
Ferromagnetiske materialer inkluderer lodestein, jern, nikkel, kobolt og forskjellige sjeldne jordartsmaterialer, inkludert neodym.
Stangmagneter, dipoler og magnetiske egenskaper
En stangmagnet er en rektangulær eller sylindrisk stang av magnetisk materiale. Endene på en stangmagnet er nord- og sørpoler. Dette er de to typene magnetpoler, og de samhandler med hverandre via en magnetisk kraft på en måte som ligner på hvordan positive og negative ladninger samhandler via den elektriske kraften.
Stangmagneter er magnetiske dipoler. De har motsatte poler atskilt med en avstand, i likhet med en elektrisk dipol. En primær forskjell er imidlertid at med magneter kan du ikke ha en monopol (en isolert pol) som du kan ha med ladninger. En magnet eksisterer alltid som en dipol og aldri som en nordpol i seg selv eller en sørpol i seg selv. (Hvis du kutter en stangmagnet i to for å prøve å skille polene, vil du ganske enkelt ende opp med to mindre dipolare magneter!)
Jordens magnetfelt
Som du sannsynligvis vet, har jorden et magnetfelt. Dette lar folk bruke kompass for å bestemme hvilken retning de vender i forhold til stolpene. Et magnetisk kompass består av en liten magnet som kan bevege seg fritt og justere seg med hvilket som helst eksternt felt. Den røde enden av kompassnålen peker nordover. Jordens magnetfelt fungerer som en gigantisk stangmagnet. Denne imaginære stavmagneten er orientert slik at den nordlige enden av magneten er ved jordens sørpol og den sørlige enden av magneten er ved jordens nordpol.
Jordens magnetfelt er heller ikke parallelt med jordens overflate de fleste steder. Du kan bestemme deklinasjonen til jordens magnetfelt ved hjelp av en dip-nål. Orienter først nålen vannrett og juster den med jordens magnetiske nord. Vri den deretter loddrett og observer dyppvinkelen. Vinkelen er større jo nærmere polene du er.
Jordens magnetfelt skaper en region i rommet som omgir planeten, kalt magnetosfære. Magnetosfæren ser i hovedsak ut som magnetfeltet til en veldig stor stavmagnet som er justert nær jordas akse, selv om magnetosfæren kan deformeres når den interagerer med ladede partikler.
Magnetosfæren beskytter oss mot solvind, som inneholder ladede partikler. Interaksjoner mellom disse partiklene og magnetfeltlinjene er det som gir opphav til nordlys.
Eksempler
Fenomenet magnetisme brukes i alle slags hverdagsapplikasjoner.
Fenomenet elektromagnetisme lar oss konvertere mekanisk energi til elektrisk energi i elektriske generatorer. Elektriske generatorer bruker mekaniske midler for å snu en turbin (blåser vind eller rennende vann) som endrer et magnetfelt i forhold til trådspoler, noe som får strøm til å strømme.
Elektriske motorer er egentlig det motsatte av elektriske generatorer, og bruker elektromagnetisme for å konvertere elektrisk energi til mekanisk energi, enten det er å kjøre en boremaskin, en mikser eller en elektrisk kjøretøy.
Industrielle elektromagneter er gigantiske magneter med veldig sterke magnetfelt som gjør det mulig for dem å hente gamle kjøretøy på skrotet.
MR-maskiner bruker sterke magnetiske felt for å lage bilder av innsiden og la leger diagnostisere en rekke medisinske tilstander.