Magnetism: Definition, typer, egenskaper och hur de fungerar (med exempel)

Magneter. Du har dem i ditt kylskåp, du har lekt med dem som barn, du har till och med hållit en kompass i handen när kompassnålen pekade på jordens magnetiska nordpol. Men hur fungerar de? Vad är detta fenomen med magnetism?

Magnetism är en aspekt av den grundläggande elektromagnetiska kraften. Den beskriver fenomen och krafter förknippade med magneter eller magnetiska föremål.

Alla magnetfält genereras genom rörlig laddning eller byter elektriska fält. Det är därför som fenomenen elektricitet och magnetism kollektivt kallas elektromagnetism. De är verkligen en och samma!

Inom alla material innehåller atomerna elektroner, och dessa elektroner bildar ett moln runt atomkärnan, med sin totala rörelse som skapar en miniatyr magnetisk dipol. I de flesta material får emellertid den slumpmässiga fördelningen av orienteringar för dessa mini-magneter att fälten avbryts. Ferromagnetiska material är undantaget.

Många material uppvisar magnetiska fenomen, inklusive järn, mangan, magnetit och kobolt. Dessa kan existera som permanentmagneter eller kan vara paramagnetiska (det vill säga attraheras av magnetiska material men inte behåller permanent magnetism själva). Elektromagneter skapas genom att leda elektrisk ström genom en tråd lindad runt ett material som järn (eller genom någon situation där det finns elektrisk laddning).

Magnetiska material kan antingen locka varandra eller stöta ut varandra, beroende på vilka delar av dessa material som sammanförs.

Precis som med den elektriska kraften och gravitationskraften genererar föremål som utövar magnetiska krafter på varandra ett fält runt dem. En stavmagnet skapar till exempel ett magnetfält i utrymmet runt det, vilket gör att andra magneter eller ferromagnetiska material som förs in i det fältet känner en kraft som resultat.

Ett sätt att visualisera magnetfältet är att använda järnark. Strykjärn är små järnbitar som, när de ströms runt en magnet, kommer att anpassas till de yttre magnetfältlinjerna så att du kan visualisera dem.

SI-enheten associerad med magnetfältstyrka är tesla.

En annan vanlig enhet associerad med magnetfältstyrka är Gauss.

1 Gauss = 1 G = 10^-4 T

Det finns många olika typer av magnetism:

​Paramagnetismbeskriver vissa material som kan dras svagt till magneter men som inte behåller ett permanent magnetfält själva. I närvaro av ett externt fält kommer de att bilda inre, inducerade magnetfält som är inriktade. Detta kan resultera i tillfällig förstärkning av magnetfältet totalt. Det finns många olika typer av paramagnetiska material, även inklusive några ädelstenar.

​Diamagnetismär en egenskap som uppvisas av allt material, men som vanligtvis är mest uppenbart i material som vi tänker som icke-magnetiska. Diamagnetiska material avvisas mycket svagt av magnetfält. I permanentmagneter och paramagnetiska material är effekterna av diamagnetism försumbara.

​Elektromagnetismuppstår när elektrisk ström förs genom en ledning. Tråden kan lindas runt en järnstång för att förstärka effekten eftersom järnet skapar sitt eget magnetfält som är i linje med det yttre fältet. Denna form av magnetism är ett direkt resultat av det faktum att elektronernas rörelse skapar ett magnetfält. (Återigen är elektricitet och magnetism två sidor av samma grundläggande fysiska egenskap!)

​Ferromagnetismbeskriver hur vissa material - kallade ferromagnetiska material - bildar permanentmagneter, som diskuteras mer detaljerat i nästa avsnitt.

Material som är starkt lockade av magneter kallas ferromagnetiska. Järn är det vanligaste materialet av denna typ. (Inte förvånande eftersom det latinska prefixetferro- betyder "järn".)

Ferromagnetiska material har så kallade magnetiska domäner; det vill säga regioner inom dem som är som magneter, men orienterade i olika riktningar så att den totala effekten avbryts och de i allmänhet inte fungerar som magneter. Om emellertid dessa material placeras i magnetfält kan detta orsaka en inriktning av domänerna så att de alla är inriktade i samma riktning och därför blir de (ofta tillfälligt) som magneter sig själva.

Ferromagnetiska material inkluderar lodsten, järn, nickel, kobolt och olika sällsynta jordartsmetaller inklusive neodym.

En stavmagnet är en rektangulär eller cylindrisk stång av magnetiskt material. Ändarna på en stavmagnet är nord- och sydpoler. Dessa är de två typerna av magnetiska poler, och de interagerar med varandra via en magnetisk kraft på ett sätt som liknar hur positiva och negativa laddningar samverkar via den elektriska kraften.

Stångmagneter är magnetiska dipoler. De har motsatta poler åtskilda av ett avstånd, liknar en elektrisk dipol. En primär skillnad är dock att du med magneter inte kan ha en monopol (en isolerad pol) som du kan ha med laddningar. En magnet existerar alltid som en dipol och aldrig som en nordpol i sig eller en sydpol i sig själv. (Om du skär en stavmagnet i hälften för att försöka separera stolparna, kommer du helt enkelt att få två mindre dipolära magneter!)

Som du säkert vet har jorden ett magnetfält. Detta gör det möjligt för människor att använda kompasser för att avgöra vilken riktning de vetter i förhållande till stolparna. En magnetkompass består av en liten magnet som kan röra sig fritt och anpassa sig till valfritt yttre fält. Kompassnålens röda ände pekar norrut. Jordens magnetfält fungerar som en gigantisk stavmagnet. Denna imaginära stavmagnet är orienterad så att den norra änden av magneten är vid jordens södra pol och den södra änden av magneten är vid jordens norra pol.

Jordens magnetfält är inte heller parallellt med jordens yta på de flesta ställen. Du kan bestämma deklinationen av jordens magnetfält med en doppnål. Rikta först nålen horisontellt och rikta in den med jordens magnetiska norr. Vrid den sedan vertikalt och observera doppvinkeln. Vinkeln är större ju närmare polerna är.

Jordens magnetfält skapar en region i rymden som omger planeten kallas en magnetosfär. Magnetosfären ser i huvudsak ut som magnetfältet hos en mycket stor stapelmagnet inriktad nära jordens axel, även om magnetosfären kan deformeras när den interagerar med laddade partiklar.

Magnetosfären skyddar oss från solvind, som innehåller laddade partiklar. Interaktioner mellan dessa partiklar och magnetfältlinjerna är det som ger upphov till norrsken.

Fenomenet magnetism används i alla slags vardagliga applikationer.

Fenomenet elektromagnetism gör att vi kan omvandla mekanisk energi till elektrisk energi i elektriska generatorer. Elektriska generatorer använder mekaniska medel för att vrida en turbin (blåser vind eller rinnande vatten) som ändrar ett magnetfält i förhållande till trådspolar, vilket inducerar ström att strömma.

Elmotorer är i huvudsak motsatsen till elgeneratorer som använder elektromagnetism för att konvertera elektrisk energi till mekanisk energi, oavsett om det är att driva en borrmaskin, en mixer eller en elektrisk fordon.

Industriella elektromagneter är jättemagneter med mycket starka magnetfält som gör att de kan plocka upp gamla fordon vid skrotgården.

MR-maskiner använder starka magnetfält för att skapa bilder av dina insidor och låter läkare diagnostisera en mängd olika medicinska tillstånd.