MAGNETISME Emnehæfte 4
Magneter og magnetisme Man har kendt til magnetisme i mange år. Allerede de gamle grækere kendte til magnetisme. I byen Magnesia i Lilleasien havde man fundet en speciel stenart, som kunne tiltrække jern. Jernmalmen kaldes magnetjernsten eller magnetit, og er en kemisk forbindelse af jern og oxygen (Fe 3 O 4 ). Helt tilbage til 1200-tallet har man brugt magnetjernsten til primitive kompasser, så man kunne orientere sig til søs. Magnetjernstenen er en naturlig magnet, dens magnetisme er dog ikke særlig kraftig, og derfor har den ingen praktisk anvendelse som magnet i vor tid. Man kan i dag fremstille stærke permanente magneter af andre materialer. I fysik bruger vi alnicomagneter. Det er forholdsvis stærke magneter, som består af aluminium (Al), nikkel (Ni), cobolt (Co) og jern. Disse magneter er kunstige, hvilket vil sige, at man ikke kan finde dem i naturen. Vi har fremstillet dem selv. Magneter kan fremstilles i alle mulige udformninger og styrker alt efter hvad de skal bruges til. En permanent magnet er en magnet, der ikke taber sin magnetisme En magnet til trækker grundstofferne jern, nikkel og cobolt samt de sjældne lanthanider, som har grundstofnumre fra 58 til 71. Man kan magnetisere de samme grundstoffer og en del kemiske forbindelser, hvori grundstofferne indgår. Det gælder f.eks. jernoxid (Fe 3 O 4 ). Magnetjernsten Eksempler på hvad vi bruger magneter til I dag bruger vi magneter til utrolig mange forskellige ting. Måske kender du nogle steder derhjemme, hvor der bruges magneter. Magnetiske holdere: Mange skabslåger og andre døre holdes i dag lukkede af små magnetiske holdere. Man har magnetiske holdere til mange forskellige jernredskaber f.eks. knive. Små magneter anvendes også til at holde klude, sedler eller andet fast mod en jernplade f.eks. en køleskabslåge. 5
Magneter kan også bruges til at fiske små jerngenstande op fra vanskeligt tilgængelige steder. Mange sakse og skruetrækkere har en magnetiseret spids, for at man kan bruge dem til opsamling af f.eks. nåle og skruer. Magneter indenfor lægevidenskaben: Læger har i mange år anvendt magneter, f.eks. til at trække jernsplinter ud fra et øje. Man har også anvendt magnetisme til udefra at styre en lille magnetisk sonde gennem blodårer og lignende. Magnetisk legetøj: Mange former for legetøj indeholder magneter. I kender sikkert til fiskedamsspillet, hvor fiskekrogen er erstattet af en lille magnet og fiskene forsynet med en lille jernplade. Magnetisk fiskespil Magnetiske sko: Ved hjælp af sko med meget stærke magnetiske såler er det muligt for bygningsarbejdere at gå på jernplader, der er monteret på loftet, således at bygningsarbejderen går med hovedet nedad. En speciel anordning sætter ham i stand til at frigøre en fod ad gangen, så han kan tage et skridt. Kan du komme i tanke om andre steder, hvor vi bruger magneter? Magnetens poler Dypper vi en magnetjernsten eller en stangmagnet i nogle jernspåner, vil vi se, at jernspånerne bliver til trukket af nogle bestemte områder på magneterne. På et magnetisk materiale vil der altid være nogle områder, hvor den magnetiske tiltrækning er særlig stor. Disse områder kalder vi for magnetiske poler. 6
En stangmagnet er stærkest ved enderne, som kaldes for polerne. Når vi drysser jernspåner over magneten, kan vi se, at magneten har to magnetiske poler. En frit ophængt magnet vil indstille sig i retningen nord-syd. Da det altid er den samme magnetiske pol, der peger mod nord, har man vedtaget at kalde den for en nordpol. På samme måde kaldes den magnetiske pol, der peger mod syd for en sydpol. Tager vi to stangmagneter og holder polerne mod hinanden, vil vi opdage, at de to poler enten tiltrækker hinanden eller frastøder hinanden. Det afhænger tilsyneladende af, hvilke af de to poler vi holder mod hinanden. Når vi har fundet ud af hvilken pol der er sydpol, og hvilken der er nordpol på stangmagneterne, kan vi se, at når to magneter frastøder hinanden, må det være enten to nordpoler eller to sydpoler, der nærmes hinanden. Når to magnetiske poler tiltrækkes af hinanden, må det være en nordpol og en sydpol. To ens poler frastøder hinanden. To forskellige poler til trækker hinanden. Det magnetiske felt Når to magneter nærmes hinanden, kan vi se, at de reagerer på hinanden på afstand. Den magnetiske kraft virker altså i et område omkring magneten. I et område hvor der hersker magnetiske kræfter, siger vi, at der er et magnetfelt. Dette magnetfelt kan vi anskueligegøre ved hjælp af nogle jernspåner. Hvis vi anbringer en stangmagnet under et stykke papir og drysser jernspåner ud over papiret, kan vi se, at jernspånerne danner nogle buede linier omkring magneten, der går fra pol til pol. Disse linier kaldes feltlinier. Feltlinierne samles ved polerne, og her er den magnetiske kraft også størst. Det gælder i almindelighed, at jernsstykker tiltrækkes mod steder, hvor feltlinierne nærmer sig hinanden. Feltlinierne omkring magneten viser magnetfeltet. 7
Feltlinier om en stangmagnet Jernspånerne viser kun de feltlinier, der ligger omkring magneten i det vandrette plan, men faktisk er hele magneten omgivet af feltlinier. Feltlinierne ligger hele vejen omkring magneten, også op i luften og ned i bordet og inden i magneten. De feltlinier, vi kan se med jernspånerne angiver ingen retning, men man har vedtaget at : Feltlinierne går fra nordpolen gennem rummet til sydpolen. Inde i magneten går feltlinierne fra sydpolen til nordpolen. Når vi tegner feltlinierne inde i magneten med, kan vi se, at feltlinierne danner lukkede kurver. 8
Magnet med feltlinier Jordens magnetfelt Jorden er omgivet af et magnetfelt, ligesom en magnet er det. Det vil sige, at Jorden også har to magnetiske poler. Du kender sikkert allerede til Jordens nordpol og sydpol, men de magnetiske poler er ikke det samme, som de geografiske poler. Den magnetiske nordpol ligger ikke over den geografiske nordpol. Det samme gælder for den magnetiske og geografiske sydpol. Faktisk ligger de magnetiske poler næsten lige modsat de geografiske poler. Den magnetiske nordpol ligger i Antarktis ved siden af den geografiske sydpol, og den magnetiske sydpol ligger i nord Canada. Når man sætter en magnetnål op på en spids, og man siger at den peger mod nord, peger den altså ikke mod den geografiske nordpol, men derimod mod den magnetiske sydpol, som ligger ca. 3 mere mod vest. Denne afvigelse fra den geografiske nordpol kaldes misvisningen. Misvisningen er ikke den samme overalt på Jorden, og den ændres år efter år. Det skyldes, at Jordens magnetiske poler flytter sig. Kompasset Den kinesiske sydviser Man mener, at det var kineserne, der længe før nogle andre, forstod at anvende magnetjernstenen til nyttige formål. De vidste, at en frit drejelig nål af stål efter at være strøget med en magnetjernsten ville stille sig i retningen nord-syd. De kaldte en sådan retningsnål sydviseren. Sydviseren blev i begyndelsen ikke anvendt på skibe, men på vogne. Retningsnålen, eller måske blot et stykke 9
magnetjernsten, blev anbragt i armen på en figur, der var opstillet frit drejeligt foran i vognen. Hånden pegede da stadig mod syd og var således til stor hjælp under rejser i det store vejløse kinesiske rige. Kompas Kompas Det magnetiske kompas Vi ved, at anvendelsen af det magnetiske kompas som vejviser i skibe var kendt i Europa i omkring år 1200. I begyndelsen var det måske bare en magnetjernsten, anbragt på et bræt, der flød i en skål med vand. Det betød en stor forbedring, da man anbragte én eller flere magnetnåle på undersiden af en let drejelig skive, hvorpå verdenshjørnerne blev afsat. En sådan skive kalder sømændene en kompasrose. Ved hjælp af et kompas er det muligt at holde en bestemt kurs, man må dog blot tage hensyn til misvisningen. Følger man et kompas mod nord, ender man ved den magnetiske sydpol, som jo ligger i nord Canada. Kompas Kompas 10
Man indstiller et kompas ved at holde det vandret og dreje det rundt indtil kompassets nordpol peger samme vej som magnetnålen. Så peger kompassets verdenshjørner i de rigtige retninger. Det er ikke kun mennesket, der udnytter Jordens magnetfelt. Undersøgelser har vist, at nogle dyr har magnetit i hjernen. På denne måde kan dyrene navigere over store afstande og finde lige derhen, hvor de skal, ved hjælp af Jordens magnetfelt. Det gælder bl.a. for delfiner, brevduer, bier og flere forskellige fugle. Tænk bare på fuglen ternen som hvert år flyver fra det nordlige Rusland til Antarktis, videre til Australien og tilbage igen. Delfiner har magnetit i hjernen Ørsted-satelitten Mange steder i verden forsker man i Jordens magnetfelt. Man ved, at Jordens magnetfelt hele tiden forandre sig. I hele den tid man har målt Jordens magnetfelt, er det blevet svagere. Hvis denne udvikling fortsætter vil feltet være nul, når der er gået 1200 år. Derefter vil polerne efter al sandsynlighed bytte plads, og feltet vil vokse op påny. I 1999 sendte danskerne Ørsted-satelitten op for at foretage nøjagtige målinger af Jordens magnetfelt. Danske forskere har ud fra målingerne udarbejdet en ny og mere nøjagtig model af Jordens magnetfelt. F.eks. har Ørsted-satelitten foretaget målinger, der viser, at magnetfeltet i Mellemamerika er blevet 0,3% mindre i 1999. 11
Ørsted-satelitten I dag anvendes modellen over hele verden til bl.a. at udarbejde søkort efter. Kan du forestille dig, hvorfor det er vigtigt at kende til forandringer i Jordens magnetfelt? Polarlys Lyset fra solen er ca. 8 minutter om at nå ned til Jorden, men det er ikke kun lys, vi modtager fra solen. Fra solen strømmer der uafbrudt enorme mængder af positivt og negativt ladede partikler (protoner og elektroner). Mængden af disse elektriske partikler, der rammer jordens atmosfære, er meget stor ca. 1 milliard protoner pr. kvadratcentimeter hvert sekund! Hvis disse partikler uhindret fik lov til at nå Jorden, ville det kunne betyde store ændringer i klima og miljø, men her spiller Jordens magnetfelt en afgørende rolle. De elektrisk ladede protoner og elektroner indfanges nemlig af det magnetiske felt og tvinges til at bevæge sig rundt om feltlinierne i spiralformede baner. Ved nord og sydpolen når de ladede partikler ned i den øvre atmosfære, hvor de er årsag til det, vi kalder nord- og sydlys eller med en fælles betegnelse polarlys. Polarlyset opstår ved, at de ladede partikler rammer atomerne i den øvre atmosfæres gasarter: nitrogen, oxygen og hydrogen. Ved disse sammenstød tilføres atomerne energi, som de igen kan frigive i form af lys. Polarlys 12
Nitrogen og oxygen udgør jo ellers langt den største del (99%) af atmosfæren, men gasarterne er ikke jævnt fordelt, og netop i den øvre del af atmosfæren findes også en del hydrogen. Denne hydrogen er dannet af nogle af de protoner og elektroner, der kommer fra Solen. Polarlyset optræder især kraftigt, når der sker særligt voldsomme udbrud på Solen. Disse vulkanagtige udbrud kan iagttages som mørke pletter på Solen, og de kaldes derfor solpletter. I solpletterne - hvor der hersker magnetiske kræfter, der er mere end 4000 gange stærkere end Jordens magnetiske kræfter slynges store mængder partikler væk fra solen. Nogle af de hurtigste partikler når Jorden i løbet af et par timer, de mere langsomme er et par dage undervejs. Ved en så voldsom beskydning fra Solen er det ikke alle partikler, der afbøjes og fremkalder polarlys ved polerne. Nogle af partiklerne har så stor energi, at de trænger ned i ionosfæren, hvor der så opstår store koncentrerede områder med elektriske ladede partikler. Disse elektriske ladede områder i ionosfæren kan forstyrre radioforbindelser. Det er det, vi kalder atmosfæriske forstyrrelser eller magnetisk uvejr. På grund af den strøm af elektrisk ladede partikler der konstant strømmer mod Jorden fra Solen - Solvinden - er Jordens magnetfelt ikke helt symmetrisk, men strækker sig længere ud i rummet på den side der vender væk fra Solen. Solvind og magnetfelt På billedet er det nævnt, at der er nogle fangede partikler. Disse partikler, som også kommer fra Solen, er blevet indfanget af Jordens magnetfelt, og de bevæger sig nu i pendulfart i bælter langs feltlinierne mellem nord- og sydpolen. Samtidig driver partiklerne rundt om Jorden. 13
Protonerne driver i østlig retning, og elektronerne driver i vestlig retning. Derved skabes der elektrisk ladede bælter omkring Jorden. Disse bælter kaldes Van Allen-bælterne, efter den forsker der opdagede dem i 1958. Van Allen- bælterne Magnetisering Holder vi en magnet lige i nærheden af et stykke blødt jern, vil vi se, at jernstykket kan tiltrække små jernsøm. Vi siger, at jernstykket er blevet magnetiseret det vil sige, at jernstykket selv er blevet til en magnet. Når jernstykket tiltrækker de små søm, bliver disse også magnetiserede. Hvis vi magnetisere et stykke stål, vil dette også tiltrække de små søm, men ikke helt så mange som jernstykket. Vi siger derfor, at blødt jern er lettere at magnetisere end stål. Fjerner vi nu magneterne fra jernstangen og stålstangen, vil alle sømmene falde af jernstangen, mens nogle vil hænge tilbage på stålstangen. Jernstangen bliver altså u- magnetisk, når vi fjerner magneten, mens stålstangen bevarer noget af sin magnetisme. Blødt jern kan let magnetiseres, men kan ikke holde på magnetismen. Stål kan magnetiseres og holder på magnetismen. Både blødt jern og stål er opbygget af jernatomer, men der er også lidt kulstof i stål. Så selv om kul ikke kan magnetiseres, bevirker det altså, at stålet bedre kan holde på magnetismen. En magnet, der holder på magnetismen, kaldes en permanent magnet, men en magnet af stål er ikke særlig kraftig, så derfor kan den godt tabe sin magnetisme igen, hvis man f.eks. taber den på gulvet. En savklinge (af stål) vil blive svagt magnetisk, hvis vi nærmer en magnet til den. Hvis vi vil gøre klingen mere magnetisk, må vi stryge magneten langs klingen. Bagefter kan vi finde 14
nord- og sydpolen på klingen ved hjælp af en magnet. Hvis klingens ene ende frastøder magnetens nordpol, kan vi konkludere, at dén ende er klingens nordpol. Hvis klingens ende derimod tiltrækker magnetens nordpol, kan vi ikke konkludere, at vi dermed har fundet klingens sydpol. Vi kan nemlig ikke påvise en magnetisk pol ved tiltrækning, når vi ikke ved om klingen er magnetisk. Begge en magnets poler vil jo blive tiltrukket af en umagnetisk stålklinge. Når vi magnetisere en savklinge ved stygning med en magnets nordpol, dannes en sydpol på klingen dér, hvor magnetens nordpol løftes væk. Nu har vi fundet klingens nord- og sydpol. De er i hver sin ende af klingen. Men hvad mon der vil ske, hvis vi brækker klingen midt over? Får vi så en magnet med kun én pol? Igen ved hjælp af en magnet kan vi se, at selv om vi har brækket klingen i to stykker, så har hvert stykke både en nord- og en sydpol. Brækker vi klingen i endnu mindre stykker, får vi bare mindre magnetiserede stykker savklinge alle med både en nord- og en sydpol. Alle magneter har to magnetiske pole. Hvis vi forestiller os, at en magnet er opbygget af en masse små magneter, der er ordnet som vist på tegningen, kan vi se hvorfor vi hele tiden får magneter med to poler, når vi brækker en stor magnet over. Et stykke umagnetiseret jern indeholder også en masse små magneter, men her ligger de små magneter tilfældigt inde i magneten. 15
Jernstang Nærmer vi en magnet til at stykke umagnetiseret jern, vil nogle af de små magneter inde i jernet dreje sig, så de kommer til at ligge i samme retning. Stryger vi magneten over jernet nogle gange, vil flere af de små magneter ligge sig i samme retning. Småmagneterne bliver ensrettede. Stryger vi med en nordpol fra venstre mod højre, vil den tiltrække småmagneternes sydpoler og frastøde nordpolerne. Ved strygning vil småmagneterne derfor drejes, så flere og flere af dem vender sydpolen mod højre. Slutresultatet bliver derfor, at jernstangen får nordpol til venstre og sydpol til højre. Magnetiseret jernstang Nu kan vi se, hvorfor en magnet er stærkest ved polerne. Inde i midten af jernet ligger de små magneter sydpol mod nordpol. Polerne inde i magneten ophæver hinanden, og derfor er den magnetiske kraft i midten af en magnet ikke så stærk. Hvis vi magnetiserer en stålstang, vil de små magneter vedblive at være ordnet, men i et stykke blødt jern, vil de små magneter igen ligge i uorden, når man fjerner magneten. Opvarmer vi en magnetiseret savklinge, til den bliver rødglødende, vil vi opdage, at den har mistet sin magnetisme. Den energi, vi tilfører savklingen ved at opvarme den, får klingens molekyler til at bevæge sig hurtigt frem og tilbage. Derved kommer de små magneter i uorden. Slår vi hårdt på klingen, vil de små magneter også komme i uorden. En magnet kan afmagnetiseres ved opvarmning eller ved kraftige slag. 16
Curiepunktet Hvis vi hænger et jernsøm op i et stativ ved hjælp af en jerntråd og sætter en magnet hen i nærheden af sømmet, vil magneten tiltrække sømmet. Det sker, fordi magneten ensretter de små magneter inde i sømmet. Hvis vi derefter varmer sømmet op ved hjælp af en bundsenbrænder, kan sømmet på et tidspunkt ikke længere tiltrækkes af magneten. Sømmet er blevet afmagnetiseret på trods af, at magneten er lige i nærheden. Der er altså en bestemt temperatur-grænse, oven for hvilken jern ikke kan være magnetisk. Denne temperatur-grænse kaldes jernets curiepunkt. Curiepunktet er forskelligt fra stof til stof. Jerns curiepunkt er 770 C og nikkels curiepunkt er 358 C. Ved curiepunktet bevæger stoffets molekyler sig så hurtigt, at magneten ikke længere kan ensrette de små magneter. 17