Magnetfält och permanentmagneter

Det finns en hel del magneter omkring oss i vår vardag. Några exempel är kylskåpsmagneter och stavmagneter.

En stavmagnet brukar vara rektangulärt formad som vi ser i figuren här ovan och vi ser att den har två olika ändar, en nordände och en sydände. Dessa kallas även ofta för ”nordpol” respektive ”sydpol”. Nordänden är vanligtvis färgad röd medan sydänden brukar vara färgad vit eller blå. Det viktiga att komma ihåg är att dessa ändar är olika.

Om vi för två stavmagneters nordändar mot varandra så kommer vi känna att det är svårt att föra samman dom. 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 så dras magneterna istället mot varandra, dvs. det verkar finnas en attraherande kraft mellan olika ändar.

Kan man klippa av en magnet och få en ensam nord- eller sydände, en s.k. monopol? Nej, det går inte. Om man kapar en magnet så får man helt enkelt två nya magneter med varsin nord- och sydände.

Eftersom magnetiska krafter är avståndskrafter så är det lämpligt att applicera fältmodellen på dessa krafter, precis som vi gjorde med gravitationskrafter och elektriska krafter.

Vi minns kanske att när det gällde elektriska laddningar så gick fältlinjerna från den positiva laddningen till den negativa, dvs. linjerna hade en start och en slutpunkt. När det kommer till magnetiska fältlinjer så går fältlinjerna visserligen från nordänden till sydänden utanför magneten men de fortsätter inuti magneten och går där från sydänden till nordänden, dvs. fältlinjerna bildar slutna kurvor. Dessa kurvor kallas magnetiska flödeslinjer.

Kompassen

En kompass är ett instrument som används för navigering. Vi kommer prata mer om hur det fungerar senare men just nu ska vi fokusera på hur den är konstruerad. En enkel form av 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 och kommer därför att ställa in sig tangentiellt längs de magnetiska flödeslinjerna då den befinner sig i ett magnetfält. Detta gör att kompassnålen kan användas för att illustrera ett magnetfält. Om vi lägger ut flera små kompassnålar runt en stavmagnet så kan vi få en bild av hur flödeslinjerna ser ut. Kompassnålarnas nordändar kommer ju att attraheras av magnetens sydände och lägger sig längs flödeslinjerna.

Man har definierat att flödeslinjernas riktning är riktningen en magnetnåls nordände pekar i så vi tar bort kompassnålarna och ritar ut riktningspilar, från nordänden till sydänden.

En annan vanlig typ av magnet är vad som brukar kallas hästskomagnet eller U-magnet. Den är ju då formad som en hästsko med nordänden och sydänden längst ut på två blad. Om vi lägger kompassnålar mellan bladen så ser vi att magnetfältets riktning är från nordänden till sydänden mellan bladen och vi får ett, i princip homogent magnetfält där.

Vi ska nu prata lite mer om kompasser och hur de kan användas till navigering. För att förstå det så måste vi känna till att jorden omger sig med ett magnetfält som kallas ”det jordmagnetiska fältet”.

Flödeslinjerna går, nästan, ut från den geografiska sydpolen och in i den geografiska nordpolen. Man kan därför tänka på jorden som en jättestor stavmagnet med sydänden vid den geografiska nordpolen. Dock så skiljer vinkeln på det jordmagnetiska fältet och jordaxeln något så de geografiska och de magnetiska polerna skiljer sig åt med motsvarande vinkel. Denna vinkel kallas ”deklinationsvinkel”.

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

Vi ser även att vid ekvatorn så är ju flödeslinjerna parallella med jordytan medan de vid t.ex. Sveriges breddgrader är riktade brant nedåt jordytan.Om vi zoomar in på markytan i t.ex. Sverige så ser vi detta tydligare.

Vinkeln mellan horisontalplanet och flödeslinjerna kallas för inklinationsvinkel och är i Sverige ca $70^{\circ}$70^∘.

Jordens magnetfält är till stor nytta för oss då det exempelvis skyddar oss från s.k. solvindar, dvs. partiklar, elektroner och protoner med hög energi, som sänds ut från solen vid solutbrott. Partiklarna böjs av i banor när de träffar det jordmagnetiska fältet och 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

Men varför är vissa material magnetiska?

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

Vi vet ju att i vår atommodell så tänker man sig att elektronerna rör sig kring atomkärnan. Elektroner i rörelse är ju vad vi brukar kalla ström och elektronbanorna kan tänkas agera som små strömslingor och dessa då bidrar till uppkomsten av magnetism. Elektroner har även en kvantfysisk egenskap som kallas ”spinn” som även det bidrar till uppkomsten av magnetiska fält. Detta gör att atomerna som helhet agerar som små magneter.

I ett omagnetiskt material så 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” sett till materialet som helhet. 

Men i vissa material, t.ex. järn, nickel och kobolt, så finns områden där atomernas magnetfält är riktade i samma riktning, dessa områden kallas ”domäner”.

Så länge magnetfälten i dessa domäner är slumpvis riktade så är materialet omagnetiskt men om ett sådant material befinner sig i ett yttre magnetfält så riktar atomernas och därmed domänernas magnetfält in sig i det yttre magnetfältets riktning och samverkar och materialet som helhet blir nu magnetiskt.