I den moderna världen använder vi magneter på ett stort antal olika sätt. Från hur en kylskåpsdörr stängs, till hur dina hörlurar spelar musik. Från generering och överföring av elektricitet till motorn i din bil. Alla dessa använder sig av magnetisk kraft på ett eller annat sätt.
Med tanke på hur mycket vi idag använder magnetisk kraft till skulle vi säkerligen känna oss ganska hjälplösa utan den. Vi skulle inte ha något sätt att flytta elektriska strömmar över landet.
Alla våra elmotorer skulle vara värdelösa. Vi skulle inte heller kunna prata över stora avstånd, vilket vi blivit vana vid. Därför bör vi inte ta dessa speciella fenomen för givet.
I stället bör vi alla (och inte bara vetenskapsmännen) försöka förstå vad det hela handlar om. Vi bör försöka förstå oss på hur magneterna fungerar, det speciella förhållandet mellan elektricitet och magnetism, och hur magnetism får vår värld att gå runt.
Detta är precis vad vårt syfte med den här artikelserien är. Vi vill låta alla förstå varför elektroner har ett magnetiskt moment. Varför en elektrisk ström kan producera ett magnetfält och varför ett magnetiskt flöde kan inducera en elektrisk laddning.
Varför allt detta är så viktigt för vår värld. Så låt oss ta en närmare titt på det hela - från grunderna vad gäller magnetfält till de viktigaste av de magnetiska teknikerna.
Hur fungerar magnetism?
Låt oss börja med att prata om magnetism. Magnetism är en grundläggande kraft som uppstår genom elektronernas rörelse och spin. Magnetism kan resultera i att olika föremål attraheras eller stöts bort, men endast vissa material påverkas märkbart av magnetiska fält.
Det är en "beröringsfri" kraft som påverkar magnetiska material i världen. Magnetism uppstår främst från elektronernas spin (en kvantmekanisk egenskap) och deras rörelse, snarare än bara från deras elektriska laddning.
Elektroner, magnetiska moment och tre typer av magnetism
Varje atom i ett ämne eller objekt består av partiklar, inklusive neutroner, protoner och elektroner. Inom magnetismen är det elektronerna som utför det största arbetet.
Elektroner kretsar runt atomkärnan (som består av protoner och neutroner), och varje elektron har en negativ laddning samt en egenskap som kallas "spin". Det som händer rent generellt sett är att elektronerna tenderar att "para sig" så att deras spins tar ut varandra, vilket resulterar i att de flesta material inte är magnetiska.
Detta innebär att elektroner med motsatt spin (inte motsatt laddning) parar sig. Alla elektroner har samma negativa laddning, men deras spins kan vara "upp" eller "ner". När spins paras blir materialet magnetiskt neutralt eftersom spinnen tar ut varandra.
När ett ämne har alla parade elektroner och därmed inga netto magnetiska moment talar vi om diamagnetism. Diamagnetiska material uppvisar dock en mycket svag repulsion från magnetfält. Det finns dock många typer av material - däribland syre - som har oparade elektroner. När detta sker blir ämnet magnetiskt, eftersom de oparade elektronerna bidrar med magnetiska moment.
Ämnen som endast uppvisar svag attraktion till magnetfält när de befinner sig i ett yttre magnetfält kallas paramagnetiska. Slutligen finns det ferromagnetiska ämnen som kan bli starkt magnetiserade och behålla sin magnetism även efter att det yttre fältet tagits bort.
Dessa är magnetiska material med oparade elektroner och med samma magnetiska moment. Detta innebär att de kan bli magnetiska mer spontant och att de förblir magnetiska även när det yttre magnetfältet avlägsnas. Intressant eller hur? Med en privat fysiklärare kan du fördjupa dig ännu mer!
Vad är då ett magnetfält?
Varje magnet och magnetiskt föremål har ett magnetfält. Magnetfältet är det område runt magneten där dess magnetiska kraft finns. Det är det utrymme som påverkas av magnetens magnetiska egenskaper.
Permanenta magneter har bestående magnetfält, medan elektromagneter har magnetfält som kan slås på och av. Du kan visualisera magnetfält med hjälp av järnfilspån, eftersom det lägger sig efter magnetfältets linjer. Järnfilspånen följer nämligen fältlinjerna som går från magnetens nordpol till dess sydpol (utanför magneten).
Vad är en elektromagnet?
Förutom elektronernas magnetiska moment är elektriska strömmar en annan aspekt som ger upphov till magnetfält. Denna upptäckt gjordes redan på 1830-talet och har varit en av historiens viktigaste, eftersom den ledde till att man upptäckte kopplingen mellan magnetism och elektricitet.
Vi har just berättat att elektroner har ett magnetiskt moment på grund av deras spin och rörelse, och när elektroner rör sig i form av elektrisk ström skapas också magnetfält.
Dessa strömmar skapas av elektronernas riktade rörelse genom material som ledare. När ström flyter genom en tråd blir området runt tråden magnetiserat eftersom elektronernas rörelse ger upphov till ett magnetfält runt ledaren.
Det var André-Marie Ampère som upptäckte detta, då han visade att parallella trådar med ström antingen attraherade eller stötte bort varandra. Han insåg att det berodde på vilket håll strömmen flöt i respektive tråd.
Hur man tillverkar en elektromagnet
Sedan de allra tidigaste elektromagneterna har tekniken egentligen inte förändrats särskilt mycket. De har blivit starkare, men anordningarnas övergripande struktur har förblivit densamma.
Elektromagneter består av en spole av tråd som är lindad runt en kärna av metall (vanligtvis ett ferromagnetiskt material som järn). Genom trådspolen leds en elektrisk ström vars magnetfält är centrerat i spolens hål - dvs. järnkärnan.
Hela denna konstruktion kallas en solenoid. Så snart den elektriska strömmen är avstängd upphör solenoiden att vara magnetisk. Elektromagnetism anses vara en av universums grundläggande krafter.
Vad är elektromagnetisk induktion?
En av de mest användbara upptäckterna i elektromagnetismens historia gjordes av Michael Faraday. Faraday var en brittisk vetenskapsman på 1800-talet.
Hans upptäckt blev känd under namnet ”elektromagnetisk induktion” och är en av de mest centrala delarna vad gäller kunskapen om elektromagnetism än idag. Faradays experiment fokuserade på hur elektriska laddningar kan manipuleras av magnetfält.
Han antog att förändringar i ett magnetfält kan användas för att inducera en elektrisk ström. Det låter komplicerat, men hans praktiska experiment var egentligen ganska enkla.
Han tog en järnring och lindade två olika trådar runt motsatta sidor av ringen, vilket gav upphov till två solenoider på samma järnbit Han kopplade en tråd till ett batteri och en annan till en galvanometer - ett instrument som mäter elektriska strömmar.
När den första tråden kopplades till och från batteriet uppstod en förändring i den ström som upptäcktes av galvanometern. Detta bevisade för Faraday att förändringen av magnetfältet i järnringen kunde inducera elektrisk ström i den separata tråden.
För att bevisa sina teorier om det särskilda förhållandet mellan elektricitet och magnetism gjorde han ytterligare ett experiment. Han tog en solenoid utan kärna (alltså bara en trådspole) och förde den in och ut genom en stavmagnet.
Han fann att en större ström producerades i tråden ju snabbare han tryckte på magneten. Varför var detta så viktigt? Därför att Faraday banade väg för kunskapen om att elektriska strömmar inte bara flödar genom trådar.
Han lade den teoretiska grund som krävdes för att vi idag skulle komma att producera elektrisk energi genom att manipulera magnetfält.
Vad är en transformator?
Transformatorer är en viktig del av tekniken som använder vetenskapen om elektromagnetisk induktion. De är en av de kanske vanligaste elektriska anordningarna på planeten.
Nästan hela den elektriska energin som vi producerar och använder passerar genom minst en transformator på sin resa...Så vad är transformatorer?
En transformator är en statisk anordning som ändrar spänningen i växelström - antingen från hög spänning till lägre spänning, eller tvärtom. Det gör den genom två intilliggande solenoider (lindningar) och genom Faradays elektromagnetiska induktion.
Elektricitet överförs genom hela landet med hjälp av enorma elnät. För att hålla kostnaderna nere och minska energiförlusterna är den el som transporteras över långa sträckor högspänd. Det minskar nämligen slöseriet med energi och innebär att ledningarna inte heller behöver vara allt för tjocka för att föra samma effekt.
Vi kan dock inte använda högspänningselektricitet i hemmen, så innan elen distribueras lokalt i våra hem måste den transformeras ner till el med lägre spänning. Det är just vad transformatorer är till för.
Att sänka strömspänningen
Faradays lag visar hur elektromagnetisk induktion kan användas för att minska och öka spänningen i elektriska strömmar. Tänk tillbaka på hans experiment: han använde två olika spolar där förändringarna i magnetfältet mellan de två spolarna inducerade en elektrisk ström i den andra.
Om man varierar antalet spolar i tråden kan man ändra spänningen i den inducerade strömmen. Säg att du har tio spolar på den första tråden.
Då kan du helt enkelt halvera antalet spolar på den andra och få halva spänningen. Det är precis så transformatorer fungerar. Passa på att lära dig mer om elektromagneter här också.
Tycker du om artikeln? Visa det gärna!
Loading...
Avsnittet
Elektroner, magnetiska moment och tre typer av magnetism
Stycket
”Dessa tenderar att kretsa ……slår ut varandra.” Detta är fysikaliskt trams i elementär fysik, något som ingen vettig fysiklärare kan ställa sig bakom. Att presentera sådant är bedrägeri.
Hej Göran! Tack så mycket för din uppmärksamhet på dessa fel. Vi har du korrigerat texten och hoppas att allt är rätt. Du är välkommen att säga till om något fortfarande är tokigt.
Mvh,
Sandra