MAGNETISME: MAGNETISKE EGENSKAPER TIL MATERIALER, BRUK - FYSISK - 2026

Den magnetisme eller magnetisk energi er en kraft forbundet natur bevegelse og er i stand til å produsere elektrisk tiltrekning eller frastøting i visse stoffer belastninger. Magneter er velkjente kilder til magnetisme.

Inne i disse er det interaksjoner som blir oversatt til tilstedeværelse av magnetiske felt, som utøver sin innflytelse på for eksempel små jern- eller nikkelbiter.

De vakre fargene på nordlyset skyldes kosmiske partikler som avgir energi når de avbøyes av jordas magnetfelt. Kilde: Pixabay.

Magnetfeltet til en magnet blir synlig når den legges under et papir som jernfilinger er spredt på. Registreringene er umiddelbart orientert langs feltlinjene, og skaper et todimensjonalt bilde av feltet.

En annen kjent kilde er ledninger som fører elektrisk strøm; Men i motsetning til permanente magneter, forsvinner magnetismen når strømmen stopper.

Hver gang et magnetfelt oppstår et sted, måtte noen midler gjøre arbeid. Energien som investeres i denne prosessen lagres i det opprettede magnetfeltet og kan deretter betraktes som magnetisk energi.

Beregningen av hvor mye magnetisk energi som er lagret i feltet, avhenger av feltet og geometrien til enheten eller området der den ble opprettet.

Induktorer eller spoler er gode steder å gjøre dette, og skaper magnetisk energi på omtrent samme måte som elektrisk energi lagres mellom platene til en kondensator.

Historie og oppdagelse

Gamle apper

Legendene som ble fortalt av Plinius om det gamle Hellas, snakker om hyrden Magnes, som for mer enn 2000 år siden fant et mystisk mineral som er i stand til å tiltrekke seg jernbiter, men ikke andre materialer. Det var magnetitt, et jernoksid med sterke magnetiske egenskaper.

Årsaken til den magnetiske attraksjonen forble skjult i hundrevis av år. I beste fall ble det tilskrevet overnaturlige hendelser. Selv om det ikke var av denne grunn, ble det funnet interessante applikasjoner for det, for eksempel kompasset.

Kompasset oppfunnet av kineserne bruker jordas egen magnetisme for å veilede brukeren under navigering.

Første vitenskapelige studier

Studiet av magnetiske fenomener hadde stor fremgang takket være William Gilbert (1544 - 1603). Denne engelske forskeren fra elisabethansk tid studerte magnetfeltet til en sfærisk magnet og konkluderte med at jorden må ha sitt eget magnetfelt.

Fra studiet av magneter, innså han også at han ikke kunne få separate magnetiske poler. Når en magnet er seksjonert i to, har de nye magnetene også begge polene.

Imidlertid var det på begynnelsen av 1800-tallet at forskere innså eksistensen av forholdet mellom elektrisk strøm og magnetisme.

Hans Christian Oersted (1777 - 1851), født i Danmark, hadde i 1820 ideen om å føre en elektrisk strøm gjennom en leder og observere effekten dette hadde på et kompass. Kompasset ville avvike, og når strømmen sluttet å renne, ville kompasset igjen peke nordover som vanlig.

Dette fenomenet kan bekreftes ved å bringe kompasset nærmere en av kablene som kommer ut av bilbatteriet, mens starteren er i drift.

I øyeblikket når kretsen lukkes, bør nålen oppleve en observerbar avbøyning, siden batteriene til bilene kan levere strøm nok til at kompasset avviker.

På denne måten ble det klart at bevegelige ladninger er det som gir opphav til magnetisme.

Moderne undersøkelser

Noen få år etter Oersteds eksperimenter markerte den britiske forskeren Michael Faraday (1791 - 1867) en annen milepæl ved å oppdage at varierende magnetfelt igjen gir opphav til elektriske strømmer.

Begge fenomener, elektriske og magnetiske, er nært knyttet til hverandre, og hver av dem gir opphav til den andre. De ble samlet av Faradays disippel, James Clerk Maxwell (1831 - 1879), i likningene som bærer hans navn.

Disse ligningene inneholder og oppsummerer den elektromagnetiske teorien og er gyldige selv innenfor relativistisk fysikk.

Materiales magnetiske egenskaper

Hvorfor har noen materialer magnetiske egenskaper eller får magnetisme lett? Vi vet at magnetfeltet skyldes bevegelige ladninger, derfor inne i magneten må det være usynlige elektriske strømmer som gir opphav til magnetisme.

All materie inneholder elektroner som kretser rundt atomkjernen. Elektronet kan sammenlignes med jorden, som har en translasjonsbevegelse rundt sola og også en rotasjonsbevegelse på sin egen akse.

Klassisk fysikk tilskriver lignende bevegelser til elektronet, selv om analogien ikke er helt nøyaktig. Poenget er imidlertid at begge egenskapene til elektronet får det til å oppføre seg som en bitteliten loop som skaper et magnetfelt.

Det er dreining av elektronet som bidrar mest til atomets magnetfelt. I atomer med mange elektroner er de gruppert i par og med motsatte spinn. Dermed avbryter magnetfeltene hverandre. Det er dette som skjer i de fleste materialene.

Imidlertid er det noen mineraler og forbindelser der det er et uparret elektron. På denne måten er nettomagnetfeltet ikke null. Dette skaper et magnetisk moment, en vektor hvis størrelse er produktet av strømmen og området til kretsen.

Tilstøtende magnetiske momenter interagerer med hverandre og danner regioner som kalles magnetiske domener, der mange spinn er rettet i samme retning. Det resulterende magnetfeltet er veldig sterkt.

Ferromagnetisme, paramagnetisme og diamagnetisme

Materialer som har denne kvaliteten kalles ferromagnetisk. De er noen få: jern, nikkel, kobolt, gadolinium og noen legeringer av det samme.

Resten av elementene i det periodiske systemet mangler disse veldig uttalte magnetiske effektene. De faller i kategorien paramagnetisk eller diamagnetisk.

Faktisk er diamagnetisme en egenskap for alle materialer, som opplever en liten frastøtelse i nærvær av et ytre magnetfelt. Vismut er elementet med den mest fremhevede diamagnetismen.

På den annen side består paramagnetisme av en mindre intens magnetisk respons enn ferromagnetisme, men like attraktiv. Paramagnetiske stoffer er for eksempel aluminium, luft og noen jernoksider som goethite.

Bruk av magnetisk energi

Magnetisme er en del av de grunnleggende naturkreftene. Ettersom mennesker også er en del av det, er de tilpasset eksistensen av magnetiske fenomener, så vel som resten av livet på planeten. Noen dyr bruker for eksempel jordas magnetfelt for å orientere seg geografisk.

Faktisk antas det at fugler utfører sine lange vandringer takket være det faktum at hjernen deres besitter et slags organisk kompass som lar dem oppfatte og bruke det geomagnetiske feltet.

Mens mennesker mangler et kompass som dette, har de i stedet muligheten til å endre miljøet på mange flere måter enn resten av dyreriket. Dermed har medlemmer av vår art brukt magnetisme til sin fordel fra det øyeblikket den første greske hyrden oppdaget lodsteinen.

Noen anvendelser av magnetisk energi

Siden den gang er det mange anvendelser av magnetisme. Her er noen:

- Det nevnte kompasset, som benytter seg av jordas geomagnetiske felt for å orientere seg geografisk.

- Gamle skjermer for TV-apparater, datamaskiner og oscilloskop, basert på katodestrålerøret, som bruker spoler som genererer magnetiske felt. Disse er ansvarlige for å avlede elektronstrålen slik at den treffer visse steder på skjermen, og dermed danner bildet.

- Massespektrometre, brukt til å studere forskjellige typer molekyler og med mange anvendelser innen biokjemi, kriminologi, antropologi, historie og andre fagområder. De bruker elektriske og magnetiske felt for å avlede ladede partikler i bane som er avhengig av deres hastighet.

- Magnetohydrodynamisk fremdrift, der en magnetisk kraft driver en stråle av sjøvann (en god leder) bakover, slik at ved Newtons tredje lov får et kjøretøy eller en båt en fremoverimpuls.

- Magnetisk resonansavbildning, en ikke-invasiv metode for å skaffe bilder av det indre av menneskekroppen. I utgangspunktet bruker det et veldig intenst magnetfelt og analyserer responsen fra hydrogenkjerner (protoner) som er til stede i vevene, som har den nevnte egenskapen til spinn.

Disse applikasjonene er allerede etablert, men i fremtiden antas det at magnetisme også kan bekjempe sykdommer som brystkreft, gjennom hypertermiske teknikker, som produserer magnetisk indusert varme.

Tanken er å injisere flytende magnetitt direkte i svulsten. Takket være varmen produsert av magnetisk induserte strømmer, ville jernpartiklene bli varme nok til å ødelegge de ondartede cellene.

Fordeler og ulemper

Når du tenker på bruken av en viss type energi, krever den at den konverteres til en slags bevegelse, for eksempel den til en turbin, en heis eller et kjøretøy, for eksempel; eller at den blir transformert til elektrisk energi som slår på noen enheter: telefoner, TV-apparater, en minibank og lignende.

Energi er en størrelsesorden med flere manifestasjoner som kan endres på mange måter. Kan energien til en liten magnet forsterkes slik at den kontinuerlig beveger seg mer enn noen få mynter?

For å være brukbar, må energien ha et stort utvalg og komme fra en veldig rik kilde.

Primære og sekundære energier

Slike energier finnes i naturen, hvorfra de andre typene er produsert. De er kjent som primære energier:

- Solenergi.

- Atomenergi.

- Geotermisk energi.

- Vindkraft.

- Biomasseenergi.

- Energi fra fossilt brensel og mineraler.

Sekundære energier, som strøm og varme, produseres fra disse. Hvor er den magnetiske energien her?

Elektrisitet og magnetisme er ikke to separate fenomener. Faktisk er de to sammen kjent som elektromagnetiske fenomener. Så lenge en av dem eksisterer, vil den andre eksistere.

Der det er elektrisk energi, vil det være magnetisk energi i en eller annen form. Men dette er en sekundærenergi, som krever forutgående transformering av noen av de primære energiene.

Kjennetegn på primære og sekundære energier

Fordelene eller ulempene med å bruke en slags energi er fastslått etter mange kriterier. Disse inkluderer hvor enkel og billig produksjonen er, og også hvor mye prosessen er i stand til å påvirke miljøet og menneskene negativt.

Noe viktig å huske på er at energier forvandles mange ganger før de kan brukes.

Hvor mange transformasjoner må ha skjedd for å lage magneten som vil feste handlelisten til kjøleskapsdøren? Hvor mange skal jeg bygge en elbil? Sikkert nok.

Og hvor ren er den magnetiske eller elektromagnetiske energien? Det er de som tror at konstant eksponering for elektromagnetiske felt av menneskelig opprinnelse forårsaker helse- og miljøproblemer.

For tiden er det mange forskningslinjer som er dedikert til å studere påvirkningen av disse feltene på helse og miljø, men ifølge prestisjetunge internasjonale organisasjoner er det foreløpig ingen konkrete bevis på at de er skadelige.

Eksempler på magnetisk energi

En enhet som tjener til å inneholde magnetisk energi er kjent som en induktor. Det er en spole som er dannet av vikling av kobbertråd med et tilstrekkelig antall svinger, og det er nyttig i mange kretsløp for å begrense strømmen og forhindre at den skifter brått.

Kobberspiral. Kilde: Pixabay.

Ved å sirkulere en strøm gjennom svingene til en spole, opprettes et magnetfelt inni den.

Hvis strømmen endres, gjør også magnetfeltlinjene. Disse endringene induserer en strøm i svingene som er imot dem, i henhold til Faraday-Lenz lov om induksjon.

Når strømmen øker eller synker plutselig, motvirker spolen den, derfor kan den ha beskyttende effekter på kretsen.

Spolens magnetiske energi

Magnetisk energi blir lagret i magnetfeltet som dannes i volumet begrenset av vindinger av spolen, som vil bli betegnet som U _B og som er avhengig av:

- Intensiteten til magnetfeltet B.

- Tverrsnittsarealet til spole A.

- Lengden på spolen l.

- Gjennomtrengeligheten av vakuumet μ _o.

Det beregnes som følger:

Denne ligningen er gyldig i ethvert område i rommet der det er et magnetfelt. Hvis volumet V i dette området er kjent, dets permeabilitet og intensiteten til feltet, er det mulig å beregne hvor mye magnetisk energi den har.

Trening løst

Magnetfeltet inne i en luftfylt spole med en diameter på 2,0 cm og en lengde på 26 cm er 0,70 T. Hvor mye energi lagres i dette feltet?

Løsning

De numeriske verdiene er erstattet i forrige ligning, og pass på å konvertere verdiene til enhetene i det internasjonale systemet.

1. Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. Sjette utgave. Prentice Hall. 606-607.
2. Wilson, JD 2011. Fysikk 12. Pearson. 135-146.