Fysikk føles sjelden mer magisk enn når du først møter en magnet som barn. Å få en stangmagnet i vitenskapsklasse og prøve - med all din makt - å skyve den mot den matchende polen til en annen magnet, men være fullstendig ute av stand til, eller etterlater motstående poler nær hverandre, men ikke berører slik at du kan se dem krype sammen og til slutt bli med. Du lærer raskt at denne oppførselen er et resultat av magnetisme, men hva er egentlig magnetisme? Hva er koblingen mellom elektrisitet og magnetisme som gjør at elektromagneter kan fungere? Hvorfor ville du ikke bruke en permanent magnet i stedet for en elektromagnet i et metallskrot, for eksempel? Magnetisme er et fascinerende og komplisert tema, men hvis du bare vil lære egenskapene til en magnet og det grunnleggende, er det veldig enkelt å hente.
Hvordan fungerer magneter?
Magnetisk oppførsel er til slutt forårsaket av bevegelse av elektroner. En elektrisk ladning i bevegelse genererer et magnetfelt, og - som du kanskje forventer - er magneter og magnetfelt intrikat forbundet. Siden et elektron er en ladet partikkel, skaper dets orbitale bevegelse rundt kjernen til et atom et lite magnetfelt. Generelt sett er det imidlertid mange elektroner i et materiale, og feltet som er opprettet av en vil være kansellert av feltet opprettet av en annen, og det vil ikke være noen magnetisme fra materialet som en hel.
Noen materialer fungerer imidlertid annerledes. Magnetfeltet skapt av ett elektron kan påvirke retningen til feltet som produseres av nærliggende elektroner, og de blir justert. Dette produserer det som kalles et magnetisk "domene" i materialet, der alle elektronene har justerte magnetfelt. Materialer som gjør dette kalles ferromagnetisk, og ved romtemperatur er det bare jern, nikkel, kobolt og gadolinium som er ferromagnetisk. Dette er materialene som kan bli permanente magneter.
Domenene i et ferromagnetisk materiale vil alle ha tilfeldige retninger; selv om naboelektroner retter sine felt sammen, vil andre grupper sannsynligvis være innrettet i en annen retning. Dette etterlater ingen magnetisme i stor skala, fordi forskjellige domener avbryter hverandre akkurat som de enkelte elektronene gjør i andre materialer.
Imidlertid, hvis du bruker et eksternt magnetfelt - for eksempel ved å bringe en stangmagnet nær materialet - begynner domenene å justere. Når alle av domenene er justert, inneholder hele materialstykket effektivt et enkelt domene og utvikler to poler, vanligvis kalt nord og sør (selv om positive og negative også kan være brukt).
I ferromagnetiske materialer fortsetter denne justeringen selv når det eksterne feltet fjernes, men i andre materialtyper (paramagnetiske materialer), går de magnetiske egenskapene tapt når det ytre feltet er fjernet.
Hva er egenskapene til en magnet?
De definerende egenskapene til magneter er at de tiltrekker seg noen materialer og motsatte poler av andre magneter, og frastøter som poler av andre magneter. Så hvis du har to permanente stangmagneter, skyver du to nord (eller sør) poler sammen en avstøtende kraft, som blir sterkere jo nærmere de to endene blir samlet. Hvis du bringer to motsatte poler sammen (en nord og en sør) er det en attraktiv kraft mellom dem. Jo nærmere du bringer dem sammen, jo sterkere er denne kraften.
Ferromagnetiske materialer - som jern, nikkel og kobolt - eller legeringer som inneholder dem (som stål) tiltrekkes av permanente magneter, selv om de ikke produserer et eget magnetfelt. De er bare tiltrakk til magnetene, skjønt, og de vil ikke bli frastøtt med mindre de begynner å produsere et eget magnetfelt. Andre materialer, som aluminium, tre og keramikk, tiltrekkes ikke av magneter.
Hvordan fungerer en elektromagnet?
En permanent magnet og elektromagnet er ganske forskjellige. Elektromagneter involverer elektrisitet på en mer åpenbar måte og genereres i hovedsak av bevegelse av elektroner gjennom en ledning eller en elektrisk leder. Som med opprettelsen av magnetiske domener produserer bevegelse av elektroner gjennom en ledning et magnetfelt. Feltets form avhenger av retningen elektronene beveger seg i - hvis du peker på tommel på høyre hånd i retning av strømmen, fingrene krøller seg i retning av felt.
For å produsere en enkel elektromagnet, vikles elektrisk ledning rundt en sentral kjerne, vanligvis laget av jern. Når strøm strømmer gjennom ledningen, som beveger seg i sirkler rundt kjernen, produseres et magnetfelt som løper langs spolens sentrale akse. Dette feltet er tilstede uansett om du har en kjerne eller ikke, men med en jernkjerne, justerer feltet domenene i det ferromagnetiske materialet og blir dermed sterkere.
Når strømmen av strøm stoppes, slutter de ladede elektronene å bevege seg rundt trådspolen, og magnetfeltet forsvinner.
Hva er egenskapene til en elektromagnet?
Elektromagneter og magneter har de samme nøkkelegenskapene. Skillet mellom en permanent magnet og en elektromagnet er egentlig en i hvordan feltet skapes, ikke egenskapene til feltet etterpå. Så elektromagneter har fortsatt to poler, tiltrekker fortsatt ferromagnetiske materialer, og har fortsatt poler som frastøter andre som poler og tiltrekker seg i motsetning til poler. Forskjellen er at den bevegelige ladningen i permanente magneter skapes av bevegelsen av elektroner inn atomer, mens det i elektromagneter er skapt av bevegelse av elektroner som en del av et elektrisk nåværende.
Fordeler med elektromagneter
Elektromagneter har imidlertid mange fordeler. Fordi magnetfeltet produseres av strømmen, kan egenskapene endres ved å endre strømmen. For eksempel øker strømmen styrken til magnetfeltet. På samme måte kan en vekselstrøm (vekselstrøm) brukes til å produsere et konstant skiftende magnetfelt, som kan brukes til å indusere en strøm i en annen leder.
For applikasjoner som magnetiske kraner i metallskrapverft, er den store fordelen med elektromagneter at feltet lett kan slås av. Hvis du plukket et stykke skrap med en stor permanentmagnet, ville det være en utfordring å fjerne det fra magneten! Med en elektromagnet er alt du trenger å gjøre å stoppe strømmen, og skrapmetoden vil synke.
Magneter og Maxwells lover
Loven om elektromagnetisme er beskrevet av Maxwells lover. Disse er skrevet på språket for vektorberegning og krever litt komplisert matematikk å bruke. Imidlertid kan det grunnleggende i reglene knyttet til magnetisme forstås uten å fordype seg i den kompliserte matematikken.
Den første loven om magnetisme kalles "ingen monopol lov." Dette sier i utgangspunktet at alle magneter har to poler, og det vil aldri være en magnet med en pol. Med andre ord, du kan ikke ha en nordpol av en magnet uten en sydpol, og omvendt.
Den andre loven om magnetisme kalles Faradays lov. Dette beskriver induksjonsprosessen, hvor et skiftende magnetfelt (produsert av en elektromagnet med en varierende strøm eller av en permanent magnet i bevegelse induserer en spenning (og elektrisk strøm) i nærheten dirigent.
Den endelige loven om magnetisme kalles Ampere-Maxwell-loven, og dette beskriver hvordan et skiftende elektrisk felt produserer et magnetfelt. Feltets styrke er relatert til strømmen som går gjennom området og endringshastigheten til det elektriske feltet (som produseres av elektriske ladningsbærere som protoner og elektroner). Dette er loven du bruker for å beregne et magnetfelt i enklere tilfeller, for eksempel for en trådspole eller en lang rett ledning.