magnetisme

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

Artikkelstart

Magnetisme er at det virker krefter mellom elektriske ladninger i bevegelse.

Faktaboks

Uttale
magnetˈisme

Når det virker magnetiske krefter mellom strømførende ledninger, er det fordi strøm er bevegelse av ladning. I en permanent magnet (for eksempel en kjøleskapsmagnet) er det først og fremst elektronspinn som gir magnetiske krefter.

Magnetisme i dagliglivet

Jordmagnetisme. Feltlinjene tegnet inn tilsvarer feltlinjene fra en magnetisk dipol i Jordens sentrum. Sløyfen merket I viser hvilken retning en strøm i Jordens indre må ha for å gi et slikt dipolfelt.

Jordmagnetisme
Av /※.

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. Neodymmagneter er meget kraftige magneter som i dag brukes i blant annet elektriske motorer og leketøy.

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

To modeller for magneter

(a) Den magnetiske flukstettheten B utenfor en sylinderformet stavmagnet.
(b) Magnetiseringen M av stavmagneten.
(c) Elektronspinnene er tegnet opp som små strømsløyfer. Fordi strømmene nuller hverandre ut i det indre av magneten, kan vi effektivt sett tenke på magneten som en sylinder med strøm rundt overflaten av sylinderen.
permanent magnet

Nord- og sørpol

Den enkleste måten å beskrive magnetisme på, er å tenke seg at en magnet består av to poler – en magnetisk nordpol og en magnetisk sørpol, se figur. Kreftene finner man da ved at motsatte poler tiltrekker hverandre, mens like poler frastøter hverandre. Dette blir tilsvarende til elektriske krefter mellom ladninger. Denne såkalte Gilbert-modellen fungerer fint til mange formål, men har klare begrensninger. For eksempel hvis man kutter en magnet i to, skulle man tro at den ene biten ble en nordpol og den andre en sørpol, men man får i stedet to nye magneter med samme egenskaper som den opprinnelige.

Strømsløyfer

En bedre måte å beskrive magnetisme på, er ved hjelp av strømsløyfer. Dette kalles Ampère-modellen. Magnetiske krefter mellom strømmer følger Biot-Savarts lov og lorentzkraften. I permanente magneter er det en mengde mikroskopiske strømsløyfer i form av elektronspinn. For et ikke-magnetisk materiale er elektronspinnet til de forskjellige elektronene i alle mulige retninger, slik at de til sammen ikke gir noe magnetisk virkning. Men i en permanent magnet er de til en viss grad ordnet. Da kan man effektivt se på spinnene, eller de mikroskopiske strømsløyfene, som en stor strømsløyfe rundt hele magneten, se figur.

Magnetfelt

Figuren viser magnetfeltet til en magnet under en plate med jernfilspon.

Det at det virker krefter mellom magneter selv om de er et stykke unna hverandre, er et resultat av den elektromagnetiske vekselvirkningen, som er en av de fundamentale kreftene i naturen. For å beskrive magnetiske krefter er det nyttig å bruke magnetfelt. Magnetfeltet har overalt en styrke og en retning. Retningen til et magnetfelt illustreres ofte ved å tegne magnetiske feltlinjer, se figur.

Magnetfeltet, som ofte kalles magnetisk flukstetthet \(\vec B\), er slik at en ladning Q med fart \(\vec v\) opplever en magnetisk kraft \( \vec F = Q \vec v \times \vec B \). En bit av en ledning med lengde l, opplever tilsvarende en kraft \( \vec F = I \vec l \times \vec B \), der I er strømmen i ledningen.

Når man beskriver magneter med nord- og sørpol, går magnetfeltet ut fra nordpolen og inn mot sørpolen (se figur). Men denne modellen er ikke god inne i magneten – her går nemlig magnetfeltet fra sørpolen til nordpolen. Magnetfeltet har ingen start eller slutt slik det elektriske feltet har. De magnetiske feltlinjene er i stedet lukkede «sløyfer» – de biter seg selv i halen. Dette er fordi magnetismen ikke skyldes magnetiske monopoler (enkeltpoler), men effektive strømsløyfer, som nevnt ovenfor. (Man har lett etter magnetiske monopoler uten å finne dem.)

Historie

Ifølge Aristoteles (384–322 fvt.) har Thales fra Milet (625–545 fvt.) 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 fvt. «en stein som kan gi nålen en retning». Magnetjernsteinen ble brukt i en form for kompass allerede på 800-tallet.

Den første vitenskapelige undersøkelsen om magnetisme finnes i William Gilberts bok De magnete i år 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. Denne sammenhengen beskrives i Coulombs lov.

Den danske fysikeren Hans Christian Ørsted oppdaget i 1820 elektromagnetismen, da han viste at elektrisk strøm påvirker 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 vekt 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 beskriver et magnetisk felt.

James Clerk Maxwell ga en matematisk beskrivelse av det magnetiske feltet. I sin teori for elektromagnetismen (se Maxwells ligninger) bygde han på den nære sammenhengen det hadde vist seg å være mellom elektriske og magnetiske fenomener, og han viste at man i vakuum fikk en fullstendig symmetrisk beskrivelse av det elektriske og det magnetiske feltet. Symmetrien forsvinner i et stoff, fordi det der eksisterer frie elektriske ladninger (elektroner, atomkjerner), mens man ikke kjenner tilsvarende magnetiske ladninger eller monopoler.

Teori

Magnetfelt B og H

B- og H-felt innenfor og utenfor en permanent stavmagnet. Den magnetiske flukstettheten B har feltlinjer som er lukkede sløyfer (unntatt feltlinjen i midten som går fra uendeligheten nede mot uendeligheten oppe). Legg merke til at H-feltet ikke er i samme retning som B-feltet inne i magneten.

Det fysiske feltet som er det som gir en kraft på ladninger i bevegelse, er den magnetiske flukstettheten B. Det er imidlertid vanlig å bruke en annen størrelse også, som gjerne bare kalles H-feltet (eller av og til den magnetiske feltstyrken). Vi kan tenke på H som et uttrykk for den magnetiske virkningen av alle strømmer og alle magneter i omgivelsene.

Magnetisering M

Inne i et stoff har man B = μ0 (H + M), hvor M kalles magnetiseringen. Magnetiseringen forteller oss i hvor stor grad de mikroskopiske strømsløyfene eller elektronspinnene i stoffet er ordnet. Magnetiseringen kan oppstå på grunn av felt utenfra, eller den kan være permanent.

I såkalte lineære materialer har vi at M = χmH og B = μ0H (1 + χm) = μH. Man kaller χm for stoffets magnetiske susceptibilitet og μ kalles permeabilitet. Ofte innføres også relativ permeabilitet μr = μ/μ0 = 1 + χm. Disse stoffkonstantene er uavhengige av magnetfeltet som stoffet befinner seg i, men kan avhenge av den fysiske tilstanden for øvrig, for eksempel av temperaturen.

I permanente magneter vil man derimot kunne ha en magnetisering selv om magneten ikke er i nærheten av andre kilder til magnetfelt. Da vil man ikke kunne skrive M = χmH. Magnetiseringen er avhengig av historien til stoffet, det vil si hvordan stoffet har blitt påvirket av blant annet magnetfelt fram til det aktuelle tidspunktet. Se hysterese.

Diamagnetisme og paramagnetisme

En superleder er perfekt diamagnetisk. Her svever en magnet over superlederen. Superlederen kjøles ned av flytende nitrogen.

.
Lisens: CC BY SA 3.0

Magnetisme i stoffer skyldes først og fremst elektronene, deres spinn og bevegelse i stoffet. I noen tilfeller bidrar også atomkjernene til magnetismen. En skikkelig beskrivelse av magnetiske egenskaper bygger på kvantefysikk og elektronstruktur i atomer, molekyler og atomgitre.

I noen stoffer er μr mindre enn 1 (χm er negativ). Magnetiseringen er da slik at den svekker magnetfeltet. Stoffet er diamagnetisk. Legemer av diamagnetiske stoff frastøtes av en magnet. De fleste diamagnetiske stoffene har så svak magnetisk respons at de i praksis vanligvis virker umagnetiske. Unntaket er superledere (se figur).

I andre stoffer er μr litt større enn 1 (χm er positiv) og magnetiseringen forsterker magnetfeltet. Disse kalles paramagnetiske. De tiltrekkes av magneter, men tiltrekningen er så svak at stoffene i praksis vanligvis virker umagnetiske.

For en forklaring av disse fenomenene, se diamagnetisme og paramagnetisme.

Ferromagnetisme

Ferromagnetiske stoffer har en sterk magnetisk respons, med en effektiv μr som er mye større enn 1, typisk 100 til 100 000. Men fordi disse stoffene kan ha permanent magnetisering, vil ikke en beskrivelse med relativ permeabilitet μr alltid være helt meningsfull – man må i stedet karakterisere stoffene med hysteresekurver. Stoffene 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, curietemperaturen, som for jern og jernlegeringer er 700–800 °C. 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. Her er to undergitre 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.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer (4)

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

svarte Jostein Riiser Kristiansen

Hei! Takk for kommentar, og beklager tregt svar. Det er riktig at magnetfeltet går inn mot magnetisk sydpol. Artikkelteksten er rettet. Igjen, takk!

Hilsen
Jostein Riiser Kristiansen i leksikonredaksjonen

svarte Kjell Håkon Kaldbekken

Magnetfelt har ingen start eller slutt og bør derfor omtales som "sløyfer". Magnetiske fluks-sløyfer har retning fra nordpol til sydpol utenfor magneten og fra sydpol til nordpol inni magneten. Dette gjelder også for spoler - både med og uten kjerne.

skrev Øyvind Grøn

Hei Kjell Håkon Kaldbekken!
Mange takk for godt forslag til forbedring av artikkelen. Dette er nå skrevet inn i leksikonartikkelen.
Vennlig hilsen
Øyvind Grøn

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

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg