magnetisme

Permanent magnet formet som en hestesko. Formen gjør at de magnetiske polene er nær hverandre slik at det skapes et sterkt magnetfelt.

Figuren viser magnetfeltet til en magnet under en plate med jernfilspon.
Av .
Lisens: public domain

Magnetisme er en kraft mellom elektriske ladninger i bevegelse. I en magnet er det mikroskopiske bevegelser av molekyler som gir opphav til magnetismen. Elektrisk strøm er ladning i bevegelse. I strømførende ledninger er det elektroner som beveger seg. Derfor virker to strømførende ledninger på hverandre med en magnetisk kraft.

Faktaboks

Uttale
magnetˈisme

Det er vanlig å si at strømførende ledninger eller magneter lager et magnetfelt. Det betyr at en ladning i bevegelse i nærheten av ledningen eller magneten vil påvirkes av en magnetisk kraft. Magnetfeltet har retning. Det går ut fra magnetiske nordpoler og inn mot magnetiske sydpoler (se figuren). Retningen til et magnetfelt illustreres ofte ved å tegne magnetiske feltlinjer. Like magnetiske poler, for eksempel to nordpoler, frastøter hverandre, og forskjellige tiltrekker hverandre.

Jorden lager et magnetfelt på grunn av elektriske strømmer i sitt indre. En kompassnål er en liten magnet med sydpol og nordpol. Kompassnålen stiller seg inn langs de magnetiske feltlinjene, siden den magnetiske sydpolen trekkes mot Jordens magnetiske nordpol.

Magnetismen viser seg ofte ved at forskjellige legemer, særlig av jern eller jernholdige materialer, tiltrekker eller frastøter hverandre. Dette utnyttes for eksempel i «kjøleskapsmagneter» til å feste papirlapper på kjøleskapsdører.

Legemer som påvirkes av magneter, kalles magnetiserbare. En del jernholdige mineraler, blant annet magnetjernstein (magnetitt, Fe3O4) har permanente magnetiske egenskaper.

Historie

Ifølge Aristoteles har Thales fra Milet kjent til de magnetiske egenskapene til magnetjernstein. Gamle greske skrifter omtaler magnetjernstein som Herkules-stein. Navnet magnet skriver seg sannsynligvis fra gresk magnetos lithos, det vil si stein fra Magnesia, etter byen Magnesia i Lilleasia, hvor mineralet forekom. Den kinesiske forfatteren Fiu-Tchin har i sin ordbok fra 121 før vår tidsregning «en stein som kan gi nålen en retning». Magnetjernsteinen ble brukt i en form for kompass allerede på 800-tallet.

Den første vitenskapelige undersøkelse over magnetisme finnes i William Gilberts bok De magnete, som utkom i 1600 i London. Han sier at Jorden er en stor magnet og forklarer kompassnålens stilling ut fra dette. Han fant at en magnet alltid har to poler som han kalte nordpol og sydpol, og han viste at like poler frastøter hverandre, mens ulike tiltrekker hverandre. Hvis man deler en magnet i to eller flere stykker, har hvert av stykkene igjen to poler. Charles Augustin de Coulomb målte i 1784–1785 kreftene mellom magnetpoler og viste at kraften er omvendt proporsjonal med kvadratet av avstanden, altså samme lov som for gravitasjonen og for kreftene mellom elektriske ladninger.

Hans Christian Ørsted oppdaget i 1820 elektromagnetismen, idet han påviste virkningen av en elektrisk strøm på en magnetnål. Michael Faraday fant at man kan magnetisere et stykke jern eller stål ved å legge det inn i en spole som det går en elektrisk strøm gjennom. Man kan på den måten få meget kraftige magneter, se elektromagnet.

Faraday innførte nye synspunkter i læren om magnetisme. Istedenfor å se på kreftene mellom magnetpolene, som Coulomb hadde gjort, la han vekten på kraftvirkningene i rommet omkring en magnet slik de blir synlige i de magnetiske feltlinjene. Han antok at feltlinjene gir uttrykk for at rommet er i en spenningstilstand, det vil si at de danner et magnetisk felt.

James Clerk Maxwell gav en matematisk beskrivelse av det magnetiske feltet. I sin teori for elektromagnetismen bygde han på den nære sammenhengen det hadde vist seg å være mellom elektriske og magnetiske fenomener, og han viste at man i tomt rom fikk en fullstendig symmetrisk beskrivelse av det elektriske og det magnetiske feltet. Symmetrien forsvinner ved beskrivelse av feltene i stoff, fordi det der eksisterer frie elektriske ladninger (elektroner, atomkjerner), mens man ikke kjenner tilsvarende magnetiske ladninger eller monopoler, det vil si magnetiske nordpoler og sydpoler som eksisterer hver for seg.

Teori

Et stoffs magnetisme skyldes vesentlig elektronene og deres bevegelse i stoffet. I noen tilfeller bidrar også atomkjernene til magnetismen. En beskrivelse av stoffenes magnetiske egenskaper bygger på det kjennskap man gjennom kvantefysikken har fått til elektronstrukturen i atomer, molekyler og atomgitre. På den annen side har kjennskapet til magnetiske fenomener vært en del av grunnlaget for kvantefysikken.

Beskrivelse av magnetfeltet

Et magnetfelt beskrives vanligvis ved den magnetiske flukstettheten eller induksjonen, B. Den kraften som på grunn av magnetfeltet virker på en strømførende leder eller på en ladning i bevegelse, er proporsjonal med B. I tomt rom er B = μ0H, hvor μ0 er en naturkonstant, den magnetiske konstanten eller permeabiliteten for tomt rom. H kalles den magnetiske feltstyrken og er et uttrykk for den magnetiske virkningen av alle strømmer og alle magneter i omgivelsene.

Inne i et stoff skyldes den magnetiske flukstettheten dels den magnetiske feltstyrken fra ladninger og magneter i omgivelsene, dels skyldes den elektronbevegelsen i stoffet. Man kan skrive B = μ0 (H + M), hvor M kalles magnetiseringen og skyldes bidrag fra elektronbevegelsen i stoffet. Som regel oppstår magnetiseringen fordi elektronene påvirkes av et felt utenfra, og man vil ha M = κH og B = μ0H (1 + κ) = μH. Man kaller κ for stoffets magnetiske susceptibilitet og μ kalles permeabilitet. Ofte innføres også den relative permeabilitet μr = μ/μ0 = 1 + κ. Som regel er disse størrelsene stoffkonstanter som er uavhengige av magnetfeltet som stoffet befinner seg i, men som kan avhenge av den fysiske tilstanden for øvrig, for eksempel av temperaturen.

Typer av magnetisme, kooperative fenomener

I noen stoffer er μ mindre enn μ0 (κ er negativ). Magnetiseringen er da slik at den svekker magnetfeltet. Stoffet er diamagnetisk. Legemer av slikt stoff frastøtes alltid av en magnetpol. Et stavformet legeme av stoffet vil derfor innstille seg på tvers i feltet mellom to motsatte poler eller i et homogent magnetfelt.

I andre stoffer er μ større enn μ0 (κ er positiv) og magnetiseringen forsterker magnetfeltet. Disse kalles paramagnetiske. De tiltrekkes av magnetpoler, og innstiller seg i et homogent felt med lengderetningen i feltets retning.

Diamagnetisme forklares ved at man oppfatter elektronene i bevegelse som små strømkretser som parvis opphever hverandres magnetfelt. Når strømkretsene utsettes for et ytre magnetfelt, induseres det tilleggsstrømmer som søker å motvirke eller svekke det induserte feltet – noe som kan sammenlignes med Lenz' lov. Dette fenomenet forekommer i alle stoffer, men blir i paramagnetiske stoffer overskygget av en effekt med motsatt virkning. Her opptrer enkelte elektroner alene og frembringer et magnetfelt som ikke oppheves av et enkelt annet elektron med tilsvarende banebevegelse og egenrotasjon.

Så lenge stoffet ikke påvirkes av noe ytre magnetfelt, blir de enkelte atomene orientert i tilfeldige retninger, og deres samlede magnetiske virkning blir null. Påvirkes de derimot av et ytre felt, tvinges de til å innstille seg i feltets retning og forsterker dette. Varmebevegelsen i stoffet motvirker denne innstillingen, men jo sterkere det ytre feltet er, desto sterkere blir også den indre magnetiseringen.

Både i diamagnetiske og paramagnetiske stoffer er magnetiseringen meget liten. Susceptibiliteten er for de fleste stoffer i absoluttverdi mellom en tusendel og en hundremilliondel.

I noen stoffer, blant annet jern, kobolt, nikkel, noen av de sjeldne jordmetallene og en del legeringer og forbindelser av disse, foregår elektronbevegelsen på en slik måte at elektronenes magnetfelt virker sammen, og magnetiseringen kan da bli meget stor. Disse stoffene kalles ferromagnetiske. De viser seg å bestå av små områder, domener, som hver for seg hele tiden er sterkt magnetiserte.

Påvirkes et ferromagnetisk stoff av et magnetiserende felt, er stoffet magnetisk mettet når alle domenene har fått samme magnetiseringsretning. Når det ytre feltet opphører, kan domenene fortsette å være orientert samme vei. Man får en permanent magnet, og stoffet kalles magnetisk hardt. Eventuelt kan domenene på grunn av varmebevegelse, spenninger i stoffet og så videre gå tilbake til en tilfeldig orientering slik at magnetismen forsvinner. Et slikt stoff er magnetisk bløtt. Den magnetismen som blir tilbake i et ferromagnetisk stoff når det ytre feltet fjernes, kalles remanent magnetisme. For å fjerne remanent magnetisme må stoffet utsettes for et motsatt rettet magnetfelt. Denne feltstyrken kalles koersitivkraften.

Stoffer med stor remanens og stor koersitivkraft er egnet til permanente magneter. Remanent magnetisme kan også fjernes ved rystelser, slag og ved oppvarming, se magnetiske materialer. I alle ferromagnetiske stoffer forsvinner ferromagnetismen ved oppvarming over en viss temperatur, Curie-temperaturen, som for jern og jernlegeringer er 700–800 grader. Ved høyere temperaturer blir disse stoffene paramagnetiske.

Alle ferromagnetiske materialer er krystallinske stoffer, der atomene er ordnet i en gitterstruktur. I noen tilfeller er krystallgitrene bygd opp slik at de kan tenkes satt sammen av to undergitre, som enten kan ha samme magnetiseringsretning, eller være magnetisert i motsatte retninger. Se også ferromagnetisme.

Er de to undergitrene i stoffet like sterkt og motsatt magnetisert, oppstår et fenomen som kalles antiferromagnetisme. Under ordningstemperaturen, som kalles Néel-temperaturen for antiferromagneter, er antiferromagnetiske stoffer praktisk talt ikke magnetiserbare, mens de over denne temperaturen er paramagnetiske.

I nær sammenheng med antiferro- og ferromagnetisme står også ferrimagnetisme, som opptrer i enkelte ferritter, forbindelser av jernoksid med andre metalloksider, for eksempel mangan, nikkel og sink, hvor to undergitre er magnetisert i motsatte retninger (som i antiferromagneter), men har forskjellig styrke slik at man likevel får et netto magnetfelt (som i ferromagneter). Disse er i alminnelighet fremstilt som énkrystaller uten korngrenser, og ved magnetisering kan hele krystallen opptre som et domene. Ved om-magnetisering vil derfor magnetfeltet forandre seg hurtig og samtidig gjennom hele materialet.

Tradisjonelt har ferromagnetisme, antiferromagnetisme og ferrimagnetisme blitt kalt kooperative fenomener. Nyere forskning har imidlertid avdekket at den enkle forestillingen om tre slags kooperativ magnetisme ikke er dekkende. Det er særlig innen antiferromagnetisme at bildet er gjort mer nyansert med momentarrangement som benevnes helimagnetisme eller spiralmagnetisme, kantet antiferromagnetisme og en rekke andre ikke-kolineære ordninger.

Siden det er detaljene i vekselvirkningen mellom de individuelle atomære momentene som bestemmer det kooperative arrangementet, vil det trolig dukke opp flere avarter av antiferro- og ferrimagnetisme i fremtiden, og skillelinjene mellom de tre tradisjonelle kooperative magnetklassene vil etter hvert viskes ut. Den mer prinsipielle klasseinndelingen innen magnetismefeltet går således mellom diamagnetisme, paramagnetisme og kooperativ magnetisme. Heller ikke denne grensedragningen kan bli helt skarp. Diamagnetisme går naturlig over i temperaturavhengig paramagnetisme (også kalt Pauli-paramagnetisme; forårsaket av ledningsevne-elektronene), og temperaturavhengig paramagnetisme av Curie–Weiss-typen går over i en eller annen slags kooperativ magnetisme under ordningstemperaturen for stoffet.

Målenheter

Opprinnelig ble polstyrke brukt som et mål for et stoffs magnetisme. Den ble angitt i en enhet definert ut fra kraftvirkningen mellom to poler. Polstyrke egner seg best for å uttrykke styrken av lange stavmagneter, hvor man med stor tilnærmelse kan tenke seg at de magnetiske feltlinjene går ut fra ett enkelt punkt, en pol, nær endene av staven, og ender ved en tilsvarende pol nær den andre enden av staven. Vil man ta hensyn til at magnetisme oppstår overalt i legemet, og at det er et magnetisk felt over store deler av overflaten, er størrelsen magnetisering (magnetisasjon), M, bedre egnet. I SI-systemet måles denne i en enhet med samme dimensjon som enheten for magnetisk feltstyrke, H, ampere/meter, og kan oppfattes som et mål for poltettheten (polstyrke per flateenhet) på overflaten. Den magnetiske flukstettheten (induksjonen) måles i tesla (T) eller weber/m2. Permeabiliteten måles i henry/m (H/m).

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer (1)

skrev øystein Arne Rusten

Hei

I denne artikkelen, andre avsnitt, står det at "Magnetfeltet har retning. Det går ut fra magnetiske sydpoler og inn mot magnetiske nordpoler (se figuren)". I artikkelen om magnetisk pol står det "Feltlinjene går ut fra den enden av magneten som er markert med en N – magnetisk nordpol – og inn mot den enden som er markert med en S – magnetisk sydpol". Er det en av forklaringene som ikke er riktig?

Øystein Arne

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg