1. Magnetism Magnetismen som fenomen upptäcktes redan under antiken, då man märkte att vissa malmarter attraherade vissa metaller. Nuförtiden vet vi att magneter också kan skapas på konstgjord väg. 1.1 Magnetiska fenomen Demonstration: De magnetiska grundfenomenen. Utrustning: Tre stavmagneter, metallkulor, mynt, kompass. Två poler per magnet. Magneternas ändor attraherar metall, men de attraherar/repellerar varandra parvis. Beroende på vilken av polerna som attraherar en kompassnål kallar vi polerna nordpol N och sydpol S. Lika poler repellerar varandra, olika attraherar. Vissa metaller attraheras av magneter, andra inte. Magneternas inverkan på metaller är avståndsberoende 1
Viktigt att minnas: Magneter är nästan alltid dipoler. De har en nordpol och en sydpol. Ingen ensam magnetpol har hittats. Man har hittat magnetiska monopoler!!! Magnetism är en distansväxelverkan, och kan åskåddliggöras genom att använda fältbegreppet, som ju är bekant från gravitationsfält och elektriska fält. Kring magneten finns ett fält, riktat från magnetens nordpol mot dess sydpol. Magnetfältets egenskaper visas med fältlinjer de visar riktningen och styrkan hos fältet (ju tätare linjer desto starkare fält) Den magnetiska fältstyrkan betecknas med B och har enheten T (tesla) 2
1.2 Jordens magnetfält Magmaströmmarna i jordens mantel ger upphov till ett magnetfält, vars styrka är ungefär 5 10 5 T. Fältets nordpol är nära den geografiska sydpolen, och dess sydpol är nära den geografiska nordpolen. Fältet är inte statiskt, och det rör på sig. Magnetfältet kring jorden minskar mängden kosmisk strålning som når jordytan. Deklination Kompassen visar mot den magnetiska nordpolen, inte den geografiska. Skillnaden i riktning kallas deklination, och måste beaktas vid noggranna positionsbestämningar Inklination Magnetfältets poler ligger inte på jordytan, utan inuti den. Det leder tillsammans med jordens klotform till att magnetfältet inte är horisontellt ovanför polerna dras kompassnålen lodrätt! Detta kallas inklination. Vanliga kompasser beaktar inte inklinationen, men fenomenet kan användas för att bestämma breddgrader. 3
1.3 Materia och magnetism 1.3.1 Magnetiska och icke magnetiska ämnen Magnetismen hos ett ämne beror på atomstrukturen hos ämnet. Elektronens rotation runt atomen och runt sin egen axel skapar ett litet magnetfält. Atomerna är alltså små elementarmagneter de minsta magnetiska byggstenarna. Tillsammans skapar atomerna magnetiska domäner, magnetiska områden. Ickemagnetiska ämnens domäner är i oordning, så inget yttre fält kan skapas. Magnetiska ämnens domäner är ordnade på ett sådant sätt att elementarmagneternas fält förstärker varandra. Magnetfältets styrka beror på hur stor del av domänerna som är ordnade. Om alla domäner är riktade åt samma håll kan ämnet inte bli mer magnetiskt; man säger att ämnet är magnetiskt mättat. Icke magnetiskt ämne Magnetiskt ämne 4
1.3.2 Magnetisering av ämnen Vad händer då ett icke magnetiskt ämne placeras i ett magnetfält? Svar: Det beror på ämnet. Vissa ämnen reagerar starkt på ett yttre fält, medan andra reagerar mindre starkt. Ett ämnes förmåga att reagera på ett yttre magnetfält beskrivs av storheten permeabilitet, μ. Oftast uttrycks permeabiliteten med hjälp av ämnets relativa permeabilitet μ r, i samband med permeabiliteten i vakuum μ 0 : Ämnen indelas i tre grupper beroende på hur de reagerar på ett yttre magnetfält: 1. Diamagnetiska ämnen blir magnetiserade, men försvagar det yttre magnetfältet en aning μ r < 1 2. Paramagnetiska ämnen är i sig själva svagt magnetiska, och förstärker ett yttre magnetfält en aning μ r > 1 3. Ferromagnetiska ämnen förstärker ett yttre magnetfält kraftigt. ju starkare det yttre fältet är, desto fler atomer vänder i fältets riktning och förstärker det, ända tills ämnet når magnetisk mättnad. μ r >>1. Dessutom beror ett ferromagnetiskt ämnes permeabilitet på det yttre magnetfältets styrka. 5
1.3.3 Ferromagnetiska ämnen Ferromagnetiska ämnen indelas i magnetiskt mjuka och magnetiskt hårda ämnen. Magnetiskt mjuka ämnen: är lätta att magnetisera, dvs magnetisk mättnad nås redan med svaga yttre fält. tappar sin magnetisering snabbt då det yttre fältet försvinner. används bl.a. till elektromagneter Magnetiskt hårda ämnen: är svåra att magnetisera, kräver alltså starka yttre fält för magnetisk mättnad. behåller sin magnetisering även då det yttre fältet försvinner kräver ett motsatt riktat yttre fält för att avmagnetiseras! används för minneskretsar, bankkort etc. Magnetiseringen följer ett annat beroende av det yttre fältet än avmagnetiseringen. De mjuka och hårda ämnenas magnetisering i förhållande till det yttre fältets styrka beskrivs med hystereskurvor, dvs. kurvor av två funktioner: 3. 2. 1. 4. 6. 5. http://hyperphysics.phy astr.gsu.edu/hbase/solids/hyst.html#c2 Uppgifter: Läs sid. 6 20 Besvara uppgifter: 1 14, 1 15 b) 6