Vad är magnetism?

Magneter, eller de magnetiska fält som skapas av elektriska laddningar i rörelse, kan attrahera eller stöta bort andra magneter och ändra rörelsen hos andra laddade partiklar.

Magnetism är en naturkraft som produceras av att elektriska laddningar flyttas. Ibland är dessa rörelser mikroskopiska och inuti ett material som kallas magneter. Magneter, eller de magnetiska fält som skapas av elektriska laddningar i rörelse, kan attrahera eller stöta bort andra magneter och ändra rörelsen hos andra laddade partiklar.

Hur magnetism fungerar

Ett magnetfält utövar en kraft på partiklar som kallas Lorentz-kraften, enligt ”Georgia State University”. Kraften som verkar på en elektriskt laddad partikel i ett magnetfält beror på laddningens storlek, partikelns hastighet och magnetfältets styrka. Lorentzkraften har den speciella egenskapen att den får partiklar att röra sig i en rät vinkel mot sin ursprungliga rörelse.

Vissa material, som järn, är kända som permanentmagneter, vilket betyder att de kan upprätthålla ett permanent magnetfält. Dessa är de vanligaste formerna av magneter som man stöter på i vardagen. Andra material, som kobolt och nickel, kan ges ett tillfälligt magnetfält genom att placera dem inuti ett större, kraftfullt fält, men så småningom kommer dessa material att förlora sin magnetism.

Hur magnetism fungerar

Magnetiska fält genereras av elektriska laddningars rörelse. Elektroner har alla en grundläggande kvantmekanisk egenskap av rörelsemängd, känd som ”spin”. Inuti atomer tenderar de flesta elektroner att bilda par där en av dem är ”snurra upp” och den andra är ”snurra ner”, eller med andra ord deras vinkelmomentpunkt är i motsatta riktningar. I det här fallet pekar de magnetiska fälten som skapas av dessa snurr i motsatta riktningar, så de upphäver varandra.

Vissa atomer innehåller dock en eller flera oparade elektroner, och dessa oparade elektroner skapar ett litet magnetfält. Riktningen på deras spin bestämmer magnetfältets riktning, enligt ”Non-Destructive Testing (NDT) Resource Center”. När en betydande majoritet av oparade elektroner är inriktade med sina snurr i samma riktning, kombineras de för att producera ett magnetiskt fält som är tillräckligt starkt för att observeras i en makroskopisk skala.

Magnetiska fältkällor är dipolära, vilket betyder att de har en nord- och sydpol. Motsatta poler (N och S) attraherar och lika poler (N och N, eller S och S) stöter bort, enligt Joseph Becker från ”San Jose State University”. Detta skapar ett toroidformat eller munkformat fält, när fältets riktning fortplantar sig utåt från nordpolen och går in genom sydpolen.

Jorden i sig är en jättemagnet. Planeten får sitt magnetfält från cirkulerande elektrisk ström i den smälta metalliska kärnan, enligt NASA. En kompass pekar norrut eftersom den lilla magnetiska nålen i den är upphängd så att den kan snurra fritt inuti sitt hölje för att anpassa sig till jordens magnetfält. Paradoxalt nog är det vi kallar den magnetiska nordpolen faktiskt en sydmagnetisk pol eftersom den attraherar kompassnålarnas nordmagnetiska poler.

Magnetismens historia

Magnetismens historia

Om inriktningen av oparade elektroner fortsätter utan applicering av ett externt magnetfält eller elektrisk ström, producerar det en permanent magnet. Permanenta magneter är resultatet av ferromagnetism. Prefixet ”ferro” syftar på järn eftersom permanent magnetism först observerades i en form av naturlig järnmalm som kallas magnetit, Fe3O4.

Bitar av magnetit kan hittas utspridda på eller nära jordens yta, och ibland kommer en att magnetiseras. Dessa naturligt förekommande magneter kallas magnetsten (lodestones). Medan forskare inte vet exakt hur lodestones bildas, ”tror de flesta forskare att magnetsten är magnetit som har träffats av blixten”, enligt ”University of Arizona”.

Människor lärde sig snabbt att de kunde magnetisera en järnnål genom att stryka den med en magnetsten, vilket fick en majoritet av de oparade elektronerna i nålen att radas upp i en riktning. Enligt NASA upptäckte kineserna omkring år 1000 att en magnet som svävade i en skål med vatten alltid var uppställd i nord-sydlig riktning. Därefter blev den magnetiska kompassen ett enormt hjälpmedel för navigering, särskilt under molniga dagar och på nätterna när stjärnorna gömdes av moln.

Andra metaller förutom järn kan ha ferromagnetiska egenskaper. Dessa inkluderar nickel, kobolt och vissa sällsynta jordartsmetaller som samarium eller neodym, som används för att göra superstarka permanentmagneter.

Andra former av magnetism

Andra former av magnetism

Magnetism tar många andra former, men förutom ferromagnetism är de vanligtvis för svaga för att kunna observeras förutom av känsliga laboratorieinstrument eller vid mycket låga temperaturer. Anton Brugnams upptäckte först diamagnetism 1778 när han använde permanentmagneter i sitt sökande efter material som innehåller järn.

Enligt Gerald Küstler, en allmänt publicerad oberoende tysk forskare och uppfinnare, i sin artikel, ”Diamagnetic Levitation — Historical Milestones,” publicerad i den rumänska ”Journal of Technical Sciences”, observerade Brugnams:

”Bara det mörka och nästan Violettfärgade vismut uppvisade ett speciellt fenomen i studien, för när jag lade en bit av den på ett runt pappersark som flöt ovanpå vattnet, stöttes den bort av magnetens båda poler.”

Diamagnetism orsakas av omloppsrörelsen av elektroner i atomer som skapar små strömslingor, som producerar svaga magnetfält. När ett externt magnetfält appliceras på ett material tenderar dessa strömslingor att riktas in på ett sådant sätt att de motsätter sig det applicerade fältet. Detta gör att allt material stöts bort av en permanent magnet; den resulterande kraften är dock vanligtvis för svag för att kunna märkas. Det finns dock några anmärkningsvärda undantag.

Pyrolytiskt kol, ett ämne som liknar grafit, visar ännu starkare diamagnetism än vismut, om än bara längs en axel, och kan faktiskt sväva ovanför en superstark magnet av sällsynta jordartsmetaller. Vissa supraledande material visar ännu starkare diamagnetism under sin kritiska temperatur (temperaturen vid vilken de blir supraledande) och så kan sällsynta jordartsmagneter sväva ovanför dem. (I teorin, på grund av deras ömsesidiga avstötning, kan den ena svävas över den andra.)

Paramagnetism uppstår när ett material tillfälligt blir magnetiskt när det placeras i ett magnetfält och återgår till sitt icke-magnetiska tillstånd så snart det yttre fältet avlägsnas. När ett magnetiskt fält appliceras kommer en del av de oparade elektronsnurren att anpassa sig till fältet och överväldiga den motsatta kraften som produceras av diamagnetism. Effekten är dock bara märkbar vid mycket låga temperaturer, säger Daniel Marsh, professor i fysik vid ”Missouri Southern State University”.

Andra, mer komplexa, former inkluderar antiferromagnetism, där magnetfälten hos atomer eller molekyler ligger intill varandra; och spinnglasbeteende, som involverar både ferromagnetiska och antiferromagnetiska interaktioner. Dessutom kan ferrimagnetism ses som en kombination av ferromagnetism och antiferromagnetism på grund av många likheter som delas mellan dem, men den har fortfarande sin egen unikhet, enligt ”University of California”.

Elektricitet och magnetism

Elektricitet och magnetism

När en ledande tråd förflyttas i ett magnetfält inducerar fältet en ström i tråden. Omvänt produceras ett magnetfält av en elektrisk laddning i rörelse, till exempel när en tråd bär en ström. Så alla elektriska ledningar i ditt hushåll producerar små magnetfält. Detta förhållande mellan elektricitet och magnetism beskrivs av Faradays lag om induktion, som är grunden för elektromagneter, elmotorer och generatorer. En laddning som rör sig i en rak linje, som genom en rak tråd, genererar ett magnetfält som spiralerar runt tråden. När den tråden formas till en slinga blir fältet en munkform, eller en torus.

Likström kan också producera ett konstant fält i en riktning som kan slås på och av med strömmen. Detta fält kan sedan avleda en rörlig järnspak och orsaka ett hörbart klick. Detta är grunden för telegrafen, som uppfanns på 1830-talet av Samuel F. B. Morse, som möjliggjorde långdistanskommunikation över ledningar med en binär kod baserad på långa och korta pulser. Skickliga operatörer skickade pulserna genom att snabbt slå på och av strömmen med hjälp av en fjäderbelastad momentan kontaktbrytare eller nyckel. En annan operatör på den mottagande sidan kunde sedan översätta de hörbara klicken tillbaka till bokstäver och ord.

Magnetism

En spole runt en magnet kan också fås att röra sig i ett mönster med varierande frekvens och amplitud för att inducera en ström i en spole. Detta är grunden för ett antal enheter, framför allt mikrofonen. Ljud får ett diafragma att röra sig in och ut med de varierande tryckvågorna. Om membranet är kopplat till en rörlig magnetisk spole runt en magnetisk kärna kommer den att producera en varierande ström som är analog med de infallande ljudvågorna. Denna elektriska signal kan sedan förstärkas, spelas in eller sändas efter önskemål. Små superstarka sällsynta jordartsmagneter används för att göra miniatyriserade mikrofoner för mobiltelefoner.

När denna modulerade elektriska signal appliceras på en spole producerar den ett oscillerande magnetfält, vilket gör att spolen rör sig in och ut över en magnetisk kärna i samma mönster. Spolen fästs sedan på en rörlig högtalarkon så att den kan återge hörbara ljudvågor i luften. Den första praktiska applikationen för mikrofonen och högtalaren var telefonen, patenterad av Alexander Graham Bell 1876. Även om denna teknik har förbättrats och förfinats är den fortfarande grunden för inspelning och återgivning av ljud.

Tillämpningarna av elektromagneter är nästan otaliga. Faradays lag om induktion utgör grunden för många aspekter av vårt moderna samhälle inklusive inte bara elektriska motorer och generatorer, utan elektromagneter av alla storlekar. Samma princip som används av en gigantisk kran för att lyfta skrotbilar på en bilskrot används också för att rikta in mikroskopiska magnetiska partiklar på en dators hårddisk för att lagra binär data, och nya applikationer utvecklas varje dag.

Vad Är Magnetism

9 fakta om magneter

Raden ”fucking magnets, how do they work” myntades 2009 av hiphopduon ”Insane Clown Posse”. Men magneter är egentligen inte så speciellt mystiska – grunderna har varit kända i två århundraden. Som en grundläggande komponent i hårddiskar är magneter en del av nästan varje bärbar eller stationär dator, och de har tagit sig in i bandspelare och naturligtvis för att hålla dörren stängd på ett kylskåp. Före tillkomsten av platta skärmar var tv-apparater och bildskärmar platsen för några av de mest kraftfulla magneterna i det genomsnittliga hemmet.

Även om magneternas fysik är ganska väl förstådd (förutom kanske av vissa hiphopmusiker), och de har varit en del av våra liv i århundraden, överraskar och gläder de. Här är en titt på några fascinerande fakta om magneter.

1. Magneter finns i fyra varianter: Ferromagneter – som inkluderar ämnen som järn och nickel – är sammansatta av atomer med oparade elektroner vars spinn är i linje. De är bra permanentmagneter. I en annan typ av magnet – kallade ferrimagneter – är bara några av elektronsnurren inriktade.De flesta kemiska grundämnen anses dock vara paramagnetiska, vilket betyder att de endast magnetiseras när de är inne i ett annat magnetfält. Paramagneter har också oparade elektroner.

Om du vill sväva föremål är diamagnetiska material rätt väg att gå. Dessa material magnetiseras när de befinner sig i ett fält, men de genererar fält motsatt det där de är belägna. Maglev-tåg fungerar enligt denna princip.

2. Magnetism är ljus: Varför fastnar magneter? Magneter attraherar varandra eftersom de utbyter fotoner, eller partiklarna som utgör ljus. Men till skillnad från fotoner som strömmar ut ur en skrivbordslampa eller reflekteras av allt du ser omkring dig, är dessa fotoner virtuella och dina ögon (eller någon partikeldetektor) kan inte ”se” dem. De kan dock byta momentum, och det är därför de håller sig till saker eller stöter bort dem.

När ett barn kastar en boll byter de fart med bollen, och kastaren känner ett litet tryck bakåt. Samtidigt känner målpersonen bollens kraft och (kanske) blir omkullknuffad – de ”avvisas” från kastaren. Med fotoner kan processen också ske omvänt, som om ett barn sträckte ut handen och tog bollen medan den andra fortfarande höll kvar den, vilket skulle se ut som en attraktionskraft.

Fotoner är kraftbärare inte bara för magneter utan också för elektrostatiska fenomen som statisk elektricitet, och det är därför elektromagnetism är termen vi använder för effekter som produceras av dessa fenomen – inklusive ljus, som är en elektromagnetisk våg.

3. Magnetism är relativistisk: Det stämmer – när du slår på en elektromagnet och fäster den på ett kylskåp, visar du relativitet. Varför? Enligt teorin om speciell relativitet blir avståndet längs rörelseriktningen kortare – det vill säga en snabbgående bil skulle se ihopklämd ut, även om personen i bilen inte skulle märka det. Den personen skulle se allt omkring honom eller henne som ihopklämt i den riktning som individen färdades.

Detta får konsekvenser för laddade partiklar i ledningar. Vanligtvis tar de negativt laddade elektronerna och positivt laddade protonerna i en tråd ut varandra. Men när ström rör sig genom en tråd, rör sig elektronerna. Med tanke på alla stationära laddade partiklar utanför tråden blir avståndet mellan elektronerna mindre. Det betyder att det ser ut som att det finns fler elektroner än protoner i ett givet utrymme – helt plötsligt finns det en negativ nettoladdning.

Lägg en positivt laddad partikel (eller tråd) bredvid tråden med ström i den, och du känner en magnetisk attraktionskraft. Lägg en negativt laddad partikel nära den och den kommer att stötas bort – och det är därför om du kör strömmen i motsatta riktningar genom två ledningar, kommer de att attrahera varandra, och om strömmen går i samma riktning kommer de att stöta bort varandra.

En liknande sak händer när en laddad partikel rör sig genom ett magnetfält, säg nära en (permanent) stångmagnet. Partikeln upplever kraft. Men enligt relativitetsteorin kan man inte säga att partikeln rör sig och magneten inte. Ur partikelns synvinkel rör sig stavmagneten. Maxwells ekvationer, som beskriver elektromagnetiska vågor och krafter, visar att du skulle se olika krafter, beroende på vilken referensram du väljer. För en stationär observatör ser det ut som en magnetisk kraft som trycker eller drar i partikeln, och för en rörlig är det en elektrostatisk kraft. Detta problem var en viktig del av Einsteins utveckling av speciell relativitet, vilket förklarade skillnaden.

4. Världens mest kraftfulla magneter: De två största magneterna finns på ”Los Alamos National Laboratory” i New Mexico och ”Florida State University” (FSU). De två systerlaboratorierna har magneter som kan nå 100 respektive 45 tesla. Som jämförelse är skrotmagneter – de som lyfter bilar – ungefär 2 tesla.Los Alamos-magneten är designad för att generera fält som bara varar några sekunder, medan FSU-magneten kan behålla sina fält så länge som strömmen är på. Varje magnet är designad för att utföra olika typer av experiment.

En intressant effekt uppstår med FSU-magneten när det finns diamagnetiska material, såsom en aluminiumkapsel, runt omkring. Diamagnetismen skapar fält med motsatt orientering till magneten, så allt som är gjort av sådana material har fastnat på plats. ”Det är som att försöka flytta det genom melass”.

Det är inte säkert att leka med aluminiumburkar nära Los Alamos-magneten, av samma anledning som att det inte är säkert att stå i rummet där magneten är inrymd. ”Varje pulsad magnet kommer så småningom att förstöra sig själv,” sa McDonald, på grund av påfrestningarna från de magnetiska krafterna på spolarna. När de misslyckas kan de misslyckas katastrofalt. ”Vi har ungefär 100 stavar av dynamitvärde av energi därinne och vi innehåller 99,9 procent av det” sa han. Men den sista procenten är fortfarande mycket, så LANL evakuerar byggnaden när dess magnet är på.

5. Magneter visade att kvantmekaniken fungerade: Upptäckten av en av de grundläggande kvantmekaniska egenskaperna hos elementarpartiklar – spinn – involverade magneter. Det kallas Stern-Gerlach-experimentet, efter fysikerna Otto Stern och Walter Gerlach. De genomförde experimentet 1922 för att testa idéer om de då nya teorierna om kvantmekanik. De använde två magneter, den ena ovanpå den andra, var och en formade för att producera ett långt, asymmetriskt magnetfält.

De sköt sedan oladdade partiklar – silveratomer – genom fältet mot ett mål. Det asymmetriska fältet kommer att ändra silveratomernas bana något. Eftersom atomerna kommer att vara orienterade i slumpmässiga riktningar och deras vinkelmoment också kommer att vara slumpmässigt, bör banan vara olika för varje silveratom, men det var inte känt med hur mycket. Målet bör ha visat en jämn fördelning av träffar från ena änden till den andra.

Så blev det inte. Istället fick försöksledarna två kluster av träffar, som om strålen hade delat sig i två riktningar med partiklarna oförmögna att avleda någonstans däremellan. Stern och Gerlach hade precis visat att partikelspinn kvantiserades – de kan vara uppåt eller nedåt, men inget annat.

6. Magneter behöver inte vara av järn eller ens metall: De flesta magneter vi använder är gjorda av järn (som kylskåpsmagneter). Men det behöver inte vara så. Magneter kan göras av vilket material som helst med oparade elektroner. Det inkluderar många metaller och legeringar, som neodym, som används i hårddiskenheter. Ferrimagnetiska material är faktiskt ofta inte metaller alls. Bland dem finns spineller, som används i magneterna som tätar kylskåpsdörrar.

7. Magnetisk medicin: Det finns inga bevis för att magneter fungerar för smärtlindring. Anledningen? Även om det finns järn i ditt blod, består det av atomer som är för långt ifrån varandra och för diffusa för att magneter ska kunna påverka dem. Om du testade detta genom att sticka dig i fingret och spilla blod nära en magnet, skulle du upptäcka att varken ditt blod eller magneten skulle attrahera varandra.Med det sagt, magneter används i magnetiska resonansavbildningsmaskiner, som använder magneter starkare än de på skrotupplag som lyfter bilar. MRI-magneter är i de flesta fall supraledande och kyls med flytande helium.

8. Länge känt, men inte förstått: De gamla grekerna och kineserna märkte att det var något med vissa material, så kallade magnetsten (lodestones). Magnetsten var egentligen magnetit, en form av järnoxid som bildas när magma svalnar långsamt. Magnetsten lockade till sig andra järnliknande metaller, och ännu bättre de kunde magnetisera vanligt järn. När små metallbitar magnetiserades, sedan hängdes i ett snöre eller flöt i vatten, var de i linje med jordens magnetfält – och blev de första magnetiska kompasserna.

9. Djur med magneter: Vissa djur och bakterier har magnetit i sina kroppar. En typ av blötdjur som kallas chiton har till och med magnetit i sina ”tänder”, som faktiskt täcker tungan. Magnetiten är slipande och låter djuret skrapa alger, men den kan också ge en känsla för målsökning, vilket gör det möjligt för chitoner att hitta tillbaka till vissa platser där de gillar att para sig och äta.

Studier av brevduvor verkar visa att de har ett magnetiskt sinne som hjälper dem att navigera. Magnetit i djurens näbb tycks vara nyckeln, men hur stor roll det magnetiska sinnet (kallad magnetoception) spelar är oklart.

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras. Obligatoriska fält är märkta *