Magnetfält och permanentmagneter

Det finns en hel del magneter omkring oss i vår vardag. Magneter som är magnetiska under en längre tid brukar kallas för permanentmagneter. Några exempel är kylskåpsmagneter och så kallade stavmagneter.

En stavmagnet brukar vara rektangulärt formad, som vi ser i figuren här ovan, med en nordände och en sydände. Dessa kallas även ofta för ”nordpol” respektive ”sydpol”. Nordänden är vanligtvis färgad röd medan sydänden brukar vara vit eller blå. 

Om vi för två stavmagneters nordändar mot varandra kommer vi att känna ett visst motstånd. Det verkar finnas en repellerande kraft mellan dem. Detsamma gäller om vi försöker föra två sydändar mot varandra. Återigen verkar magneterna repellera varandra. Men om vi för den ena magnetens sydände mot den andra magnetens nordände dras magneterna istället till varandra, dvs det verkar finnas en attraherande kraft mellan olika poler.

Vad händer om vi kapar en stavmagnet på mitten, kan vi då få en ensam nord- eller sydände? Nej, det går inte. Delas en magnet får vi helt enkelt två nya magneter med varsin nord- och sydände.

Magnetiska krafter är avståndskrafter, dvs de kan verka på avstånd, utan att magneterna är i kontakt med varandra. Därför passar det bra att applicera fältmodellen på dessa krafter, precis som vi gjorde med gravitationskrafter och elektriska krafter.

I elektriska fält går fältlinjerna från den positiva plattan/polen till den negativa, och linjerna har då en start och en slutpunkt. De magnetiska fältlinjerna går ut från nordänden och in till sydänden. Detta gäller utanför magneten, men fältlinjerna fortsätter även inuti magneten och går där från sydänden till nordänden, så att slutna kurvor bildas. Dessa kurvor kallas det magnetiska fältets flödeslinjer.

Kompass

En kompass är ett instrument som används för navigering. Vi kommer att återkomma till hur det fungerar senare, men först ska vi fokusera på hur den är konstruerad. En enkel kompass består av en lättrörlig nål, som är fäst på en skiva med väderstrecken nord, syd, öst och väst markerade.

Nålen är i sig är en liten stavmagnet med en nord- och en sydände. När den placeras i ett yttre magnetfält kommer den därför att ställa in sig som en tangent längs med det magnetiska fältets flödeslinjer. Detta gör att kompassnålen kan användas för att illustrera ett magnetfält. Om vi lägger ut flera små kompassnålar runt en stavmagnet kan vi få en bild av hur flödeslinjerna ser ut. Kompassnålarnas nordändar kommer att attraheras av magnetens sydände och lägger sig då längs flödeslinjerna.

Flödeslinjernas riktning definieras utifrån hur en magnetnåls nordände pekar. Istället för kompassnålarna i bilden till vänster ritar vi ut riktningspilar, ut från nordänden och in till sydänden, som i bilden till höger.

En annan vanlig typ av magnet är en så kallad hästskomagnet eller U-magnet. Den är formad som en hästsko (eller ett U) med nordänden och sydänden längst ut på bladen/skänklarna. Om vi lägger kompassnålar vid magneten ser vi återigen att magnetfältets riktning är ut från nordänden och in till sydänden. Mellan skänklarna finns ett i princip homogent magnetfält.

Runt jorden finns ett magnetfält som kallas det jordmagnetiska fältet. Vi kan tänka på jorden som en jättestor stavmagnet med sin magnetiska sydände vid den geografiska nordpolen. Dock skiljer sig vinkeln på det jordmagnetiska fältet och jordaxeln något, vilket gör att de magnetiska och de geografiska polerna skiljer sig åt med motsvarande vinkel. Denna vinkel kallas deklinationsvinkel. Flödeslinjerna går alltså nästan ut från den geografiska sydpolen och in till den geografiska nordpolen.

En kompassnål som befinner sig i det jordmagnetiska fältet kommer att ställa in sig längs med flödeslinjerna, och dess nordände kommer att peka mot den magnetiska sydpolen och därmed, i princip mot den geografiska nordpolen. Detta gör att vi kan använda kompasser till navigering på jorden.

Vi ser även att vid ekvatorn är flödeslinjerna parallella med jordytan medan de vid Sveriges breddgrader är riktade brant ner mot jordytan. Om vi zoomar in på markytan i Sverige så ser vi detta tydligare. Vinkeln mellan horisontalplanet (marken) och flödeslinjerna kallas för inklinationsvinkel och är i Sverige ca  $70^{\circ}$70^∘.

Jordens magnetfält är till stor nytta för oss, eftersom det exempelvis skyddar oss från så kallade solvindar, vilket är elektriskt laddade partiklar med hög energi, som sänds ut från solen vid solutbrott. Partiklarna böjs av i banor när de träffar det jordmagnetiska fältet och det skyddar därmed oss på jorden från den här strålningen. Partiklar som ändå tar sig igenom magnetfältet kan ge upphov till fenomenet norrsken då de träffar jordens atmosfär.

Magnetiska material

Varför är vissa material magnetiska? Ja, i kommande lektioner kommer det att visa sig att magnetism inte är ett fristående fenomen, utan är nära kopplat till fenomenet elektricitet, och detta brukar gemensamt kallas för elektromagnetism. En förklaringsmodell till magnetism är Ampères hypotes, som säger att uppkomsten av magnetfält beror på elektriska strömmar i de magnetiska materialens atomer och molekyler.

I en enkel atommodell tänker vi oss att elektronerna rör sig kring atomkärnan. Elektroner i rörelse är det vi brukar kalla elektrisk ström, och elektronbanorna kan alltså ses som små strömslingor, vilka bidrar till uppkomsten av magnetism. Elektroner har även en kvantfysisk egenskap som kallas ”spinn” som också bidrar till uppkomsten av magnetiska fält. Detta gör att atomerna som helhet agerar som små magneter.

I ett omagnetiskt material ger visserligen varje atom upphov till ett litet magnetfält men atomerna, och därmed dessa små magnetfält, är slumpvis orienterade i materialet och ”tar ut varandra” i materialet som helhet. 

Men i vissa andra material, t ex järn, nickel och kobolt, finns områden där atomernas magnetfält är riktade åt samma håll. Dessa områden kallas domäner. Materialet är omagnetiskt så länge dessa domäner är slumpvis riktade åt olika håll, men om ett sådant material befinner sig i ett yttre magnetfält riktar atomernas, och därmed domänernas, magnetfält in sig i det yttre magnetfältets riktning och samverkar. Materialet som helhet blir då magnetiskt.