|
Dagens Science : Magnetisme |
01:06:15 |
 Hesteskomagnet og stangmagnet med indtegnede magnetfelter.
Højrehåndsreglen i anvendelse. Bemærk at vikleretningen er forskellig på de to Elektro Magneter.
Nordlyset er et resultat af Jordens magnetfelt.
Ill. 4: I Jordens magnetosfære opkoncentreres elektrisk ladede partikler i 2 strålingsbælter, som er næsten symmetriske, når set mod eller fra Solen – og stærkt asymmetriske, når set fra et punkt langs tangenten til jordens sted på jordbanen.
Ill. 5:Van Allen bælte tværsnit set mod eller fra Solen. De ladede partikler spiralerer op og ned mellem den magnetiske nordpol og sydpol inden i bælterne. .jpg)
Ill. 6: Sydlys (aurora australis) som optaget af NASA's IMAGE satellit d. 11. september 2005
Ill. 7: Samtidig optagelse af sydlys og nordlys, som viser at de normalt forekommer samtidigt.
Ill. 8: Jordens (den lille runde klat 3/4 til højre) magnetosfære skærmer jordens overflade mod solvindens og især store solstormes ladede partikler. Magnetosfæren er trykket på dagssiden af jorden og udvidet på natsiden. (Illustrationen er ikke skalatro)
Hele Jorden har et såkaldt dipolmoment med en sydpol og en nordpol. På billedet ses de magnetiske feltlinjer, der bølger ud fra Sydpolen (gule) og ind mod Nordpolen (blå). |
Videnskab om: Magnetisme, Magnetfelter
Indholdsfortegnelse :Jordens magnetfeltMagnetfeltets vekselvirkning med solvinden Jordens polskiftninger Hvordan dannes jordens magnetfelt så? Ferromagneter, antiferromagneter Hvad er en magnet egentlig? Den største forskel på ferrit og neodymium En ny og brugbar søskende Magnetisme = elektricitet Altermagnetisme Altermagnetisme ferromagnetisme antiferromagnetisme Elektromagnetisme lindrer depression Magnetiske materialer Diamagnetisme Paramagnetisme Ferromagnetisme Antiferromagnetisme Ferrimagnetisme Nedenstående tekst består af ialt: 45 afsnit Jordens magnetfeltJordens magnetosfære skærmer jordens overflade mod solvindens og især store solstormes ladede partikler. Magnetosfæren er trykket på dagssiden af jorden og udvidet på natsiden. (Illustrationen, [Ill. 8], er ikke skalatro)Den mørke kurve viser Jordens temperatur gennem 100.000 år. Den røde kurve viser styrken af Jordens magnetfelt gennem 82.000 år Ill. 4: I Jordens magnetosfære opkoncentreres elektrisk ladede partikler i 2 strålingsbælter, som er næsten symmetriske, når set mod eller fra Solen – og stærkt asymmetriske, når set fra et punkt langs tangenten til jordens sted på jordbanen. Strålingsbælterne kaldes indre Van Allen strålingsbælte og ydre Van Allen strålingsbælte. Strålingsbælterne slingrer lidt gennem døgnet pga. linje vinkelforskellen mellem de geografiske nord/syd-poler hvorom jorden roterer og de magnetiske nord-/syd-poler. Ill. 5: Van Allen bælte tværsnit set mod eller fra Solen. De ladede partikler spiralerer op og ned mellem den magnetiske nordpol og sydpol inden i bælterne. Øverst: Proton koncentrationer på op til 0,4*10^6 partikler/cm²/s med E>10MeV. Nederst: Elektron koncentrationer på op til 10^6 partikler/cm²/s med E>0.5MeV. Jordens magnetfelt er et magnetfelt, som har sydpol et stykke fra jordens geografiske nordpol – og som har nordpol et stykke fra jordens geografiske sydpol. Det er grunden til, at et kompas' nordpol nålende peger mod den magnetiske sydpol et stykke fra den geografiske "nordpol" – og at en kompasnåls sydpol peger mod den magnetiske nordpol et stykke fra den geografiske "sydpol". Det vides ikke hvordan jordens magnetfelt dannes, men en af teorierne er at den skyldes bevægelse af smeltet elektrisk ledende stoffer indeni jorden. Magnetfeltets vekselvirkning med solvindenIll. 6:Sydlys (aurora australis) som optaget af NASA's IMAGE satellit d. 11. september 2005, digitalt lagt over billedet af Jorden. Ill. 7: Samtidig optagelse af sydlys og nordlys, som viser at de normalt forekommer samtidigt. Jordens magnetfelt beskytter os mod elektrisk ladede partikler fra rummet. Hvis jorden ikke var omgivet af et magnetfelt og en atmosfære, ville partikelstråling fra rummet og solen i højere grad ramme os. Langt de fleste ladede partikler som rammer jordens atmosfære, gør det i det ringformede områder med ringcenter typisk 15–25° fra jordens magnetiske poler. (ikke jordens geografiske poler). Se illustrationerne. De ladede partikler kommer mest fra Van Allen-bælterne, når de slår ned i atmosfæren og bl.a. laver polarlys (fællesnavn for nordlys og sydlys). Grunden til at de ladede partikler mest kommer fra Van Allen-bælterne, skyldes Jordens magnetfelts afbøjning af de ladede partikler, hvoraf langt de fleste kommer fra solen via solvinden. I Van Allen-bælterne spiralerer de ladede partikler fra pol til pol. Jordens polskiftningerJordens magnetiske poler bytter plads (magnetisk reversering eller polskifte) med et tidsmæssigt interval på nogle hundrede tusinde år. Sidst det skete var for 720.000 år siden, hvilket er en forholdsvis lang periode set i forhold til dem, der indtraf tidligere, og som oftest har ligget på gennemsnitligt cirka 250.000 år.Når dette sker, kan man opleve polarlys overalt på kloden, afhængigt af hvor de magnetiske poler befinder sig. Man regner med, at en magnetisk reversering sker (fra begyndelse indtil den er fuldført) på omkring 1000 år. De magnetiske polers hastige bevægelse sammenholdt med magnetfeltets hurtige svækkelse netop i disse år har fået en del forskere til at spekulere på, om en magnetisk reversering er nært forestående, og at en sådan måske vil finde sted i løbet af 100 til 1.200 år. Men ikke alle forskere er enige. Jordens magnetiske poler har altid bevæget sig, og styrken har altid varieret, uden at en magnetisk reversering altid har været resultatet. Magnetisk reversering sker i perioder, hvor Jordens magnetfelt er meget svagt, hvilket vil sige kun nogle få procent af middelstyrken. I disse perioder vil uv-, beta-, alpha- og gamma-stråler lettere trænge igennem magnetosfæren. Dette vil medføre, at hyppigheden af kræft vil være stigende. Årsagen til en magnetisk reversering eller polernes (feltets) bevægelse er ukendt og spekulationerne mange. I øvrigt er kendetegnene for en magnetisk svag periode også, at der opstår 2 magnetiske nord- og sydpoler, og noget tyder ligefrem på, at der kan opstå 4 af hver slags. Man kan sige, at Jordens magnetfelt gennemgår perioder, hvor det nærmest helt opløses/udviskes. Årsagen til dette er også ukendt. Der arbejdes i disse år heftigt på at forstå de mange uforståede sammenhænge herunder også årsagen til den store magnetosfære anomali (den sydatlantiske anomali) og årsagen til de mange skorpe anomalier fx en af Jordens største, der befinder sig i det centrale Afrika. Hertil kommer så et tydeligt men uforklarligt sammenfald mellem på den ene side Jordens magnetiske styrkevariation, og på den anden side Jordens globale temperaturvariation. Den magnetiske kurve følger langsomt (tungt) temperaturkurven. Dette sammenfald ses tydeligt på en kurve, der strækker sig navnlig over de sidste 100.000 år. Heller ikke dette er det indtil nu lykkedes at sammenkæde på en måde, der giver mening. Dog er det nævneværdigt, at ny dansk forskning (ledet af den danske forsker Henrik Svensmark) viser, at solvindens intensitet med god ret kan mistænkes for at være årsag til den globale temperaturvariation. Samtidig ved vi, at solvinden (solstorme) også periodevis har potentialet til at øge Jordens magnetiske styrke. Dog har disse magnetiske 'bidrag' (i det korte tidsrum, satellitmålinger har fundet sted) ikke været af permanent karakter. Ud over solvindens intensitetsvariation er der så langt ingen andre tænkelige årsager, der blot hypotetisk har kunnet sandsynliggøre årsagen til dette hidtil uforståelige sammenfald. Vi står derfor samlet set over for et noget kaotisk og usammenhængende årsag-virkning-billede. Det sidste nye på hele denne front er, at de bevægelser, man mener sker i Jordens indre, ser ud til at ske langt hurtigere end hidtil antaget. Dette bygger på data fra 9 års målinger fra HC Ørsted satellitten, som viser at forholdsvis store lokale områders magnetfelts variation sker forbavsende hurtigt. Hvordan dannes jordens magnetfelt så?Den dag i dag lidt af en gåde, hvordan Jordens magnetfelt dannes. Er der så en gigantisk stangmagnet inde i Jorden? Nej, det er der helt sikkert ikke, for inde i Jorden er der så varmt – temperaturen er over den kritiske værdi, vi kalder Curie-temperaturen – så intet materiale derinde kan være magnetisk. Det magnetiske felt dannes sandsynligvis ved elektriske strømme i den flydende, ydre del af Jordens jern-nikkel-kerne. Det smeltede metal bevæger sig med op til 20 km om året. Når det elektrisk ledende metal bevæger sig i magnetfeltet, vil det generere et nyt magnetfelt. Denne selvforstærkende effekt kaldes geodynamoen.Med lidt god vilje kunne man kalde jordkloden for en stor roterende elektrisk generator, der drives af den elektriske kraft i solens ioniserede stråling og solvinden. Denne stråling afbøjes ganske vist af, dels ozonlaget yderst i atmosfæren, og dels af det magnetfelt der skabes i jordens indre. Strålingen passerer under alle omstændigheder forbi vores klode, lige akkurat uden for oxonlaget og vil dermed afsætte magnetiske kræfter i jordens indre, der består af ledende materiale - Jern. Elektroner i bevægelse, det vi i daglig tale kalder "strøm", vil altid skabe magnetfelter, det blev påvist af H.C. Ørsted for længe siden. (Deter Enkeltmand) Ferromagneter, antiferromagneterNår man taler om magneter, tænker man ofte på ting, der let klæber til køleskabet.Disse er videnskabeligt kendt som ferromagneter, altså magnetisme af den art der er naturlig i en jern (Ferrit) magnet, samt i elektromagneter. Men for omkring et århundrede siden fandt forskerne såkaldte antiferromagneter - en anden familie af magnetiske materialer, der udadtil optræder umagnetisk, selvom der er magnetiske elementer inde i materialet. Det er de magneter der smuldrer og bliver til noget kullignende pulver når de knuses/ødelægges. Nu kan forskere så have opdaget en tredje variant til dette magnetiske søskendepar. Hvad er en magnet egentlig?Det virker næsten som magi med magneter - hvordan virker de egentlig? Vi vil forsøge at give den simple forklaring på magneter og magnetfelter, så du forhåbentlig får al den information, du havde håbet på (og lidt til). Og ellers har vi mange andre indlæg, hvor vi går mere i dybden med flere emner.De mest kendte typer permanente magneter er ferritmagneter og neodymiummagneter (powermagneter). De virker meget ens i forhold til magnetisme men har nogle forskelligheder, som vi kommer ind på senere i indlægget. Men vi starter med en lidt mere simpel forklaring om magnetisme. Den helt simple version er, at magneter fungerer med magnetisme, dvs. ved at have et ydre felt, der omgiver en magnet og påvirker andre magneter eller magnetiske materialer i nærheden af dens magnetfelt. Teorien bag magnetisme går tilbage til det 19. århundrede, hvor videnskabsfolk opdagede, at elektricitet og magnetisme er to sider af samme mønt. Elektroner, der bevæger sig i en bestemt retning, kan skabe et magnetfelt, og dette magnetfelt kan påvirke andre magnetiske materialer med tiltrækkende eller frastødende kraft, afhængigt af deres polaritet. Magneter påvirker ikke kun andre magnetiske materialer. De kan også påvirke elektrisk strøm og endda lys. Dette skyldes, at elektricitet og magnetisme er tæt forbundet, og at de kan påvirke hinanden på forskellige måder. Styrken af en magnet måles i Gauss eller Tesla. Magneter har 2 poler - en nord- og en sydpol - pga. atombindinger (atomare dipoler) i magneten. Atomdipoler er resultatet af elektroners bevægelse i et atom, som genererer et let magnetfelt. Når atomare dipoler er justeret i samme retning i en magnet, produceres et større magnetfelt koncentreret omkring polerne. To magneters sydpol vil frastøde hinanden, mens nordpolen vil blive tiltrukket af en sydpol. Den magnetiske kraft mellem to magneter er påvirket af deres magnetfelts styrke og afstanden mellem dem. Hvis du knækker en magnet, vil den stadig have én nord- og én sydpol pga. den automatiske justering af magnetens atomare dipoler. En atomær dipol er forårsaget af spinning og kredsløb af et atoms elektroner, hvilket skaber et lille magnetfelt. I en magnet peger atomdipolerne alle i samme retning, hvilket skaber et større magnetfelt, der er stærkere ved polerne. Hvis du har en magnet med aksial magnetisme, er polerne i enderne af magneten. Og har du en magnet med diametral magnetisme, er polerne på siderne (giver mest mening med skivemagneter, stavmagneter, aflange magneter og keglemagneter - ikke med kvadratiske kubemagneter og kuglemagneter). Magnetisme er et fysisk fænomen, som optræder overalt, hvor elektrisk ladede partikler er i bevægelse. Magnetisme knytter sig dels til bestemte materialer, dels til strømførende ledere. Magneter er omgivet af et usynligt felt, også kaldet magnetfeltet, og det strækker sig ud fra magneten i alle retninger i en omkreds, der er bestemt af magnetens styrke og størrelse. Et magnetfelt opstår, når elektroner bevæger sig i en bestemt retning. Felterne bliver skabt af atomers elektrisk ladede elektroner, når de drejer rundt om sig selv. Det magnetiske felt af en ferromagnet skabes, når magnetfeltet for millioner af dens atomer peger i samme retning. Dette magnetfelt kan udover køleskabsmagneten også bruges til at modulere elektromagnetiske bølger i for eksempel computere. I antiferromagneter ophæver magnetfelterne hinanden, fordi de ligger hulter til bulter, og disse er derfor ikke magnetiske udadtil. Den største forskel på ferrit og neodymiumFerritmagneter er lavet af jernoxid og barium eller strontiumcarbonat. De er skrøbelige og har en lavere magnetfeltstyrke sammenlignet med neodymmagneter. De er dog mere modstandsdygtige over for rust, våde miljøer og varme, og så er de meget billige. De anvendes ofte i motorer, højtalere, hotelhårtørrere og som køleskabsmagneter - men også til ovne og saunaer, hvor det er vigtigt, at magneterne tåler høje temperaturer.Neodymmagneter (også kendt som de stærkeste magneter på jorden) er lavet af en kombination af neodym, jern og bor. De er utrolig stærke både i magnetfelt og i styrke, sammenlignet med ferritmagneter. De er også dyrere og er mere tilbøjelige til at ruste, men de tåler også kollision dårligere på grund af den høje effekt i magnetfeltet (ikke kun mellem to neodymmagneter, men også mod en magnetisk modstykke som metal). De er almindeligt anvendt i højtydende motorer, harddiske og høretelefoner – men også til magnetlåse. Der er stadig meget at lære om magnetisme, som vi ikke har opdaget endnu, så der arbejdes stadig på at udvikle teorier og modeller, der kan forklare den komplekse kraft bag magnetisme. Men selvom vi ikke forstår alle detaljerne ved magnetisme, kan vi stadig nyde godt af dens mange anvendelser i vores dagligdag. En ny og brugbar søskendeI 2019 fandt tjekkiske forskere en klasse af magnetiske materialer, hvis atomare egenskaber hverken lignede ferromagneter eller antiferromagneter.Det fik fysikerne til at spærre øjnene op, og en teori om eksistensen af en ny klasse af magneter så dagens lys. Den nye form for magnetisme har fået navnet altermagnetisme. Den teori er nu blevet bekræftet af forskere ved det anerkendte Paul Scherrer Institute. Magnetisme = elektricitetAlt har magnetfelter – men ikke alting er magnetisk. Felterne bliver skabt af atomernes elektrisk ladede elektroner, når de drejer rundt om sig selv, men i nogle materialer ophæver felterne hinanden, så stoffet ikke er magnetisk. Hvis et materiale er magnetisk, kan det forvandles til en magnet ved hjælp af elektricitet eller et stærkt magnetfelt.I materialer som fx plastik sidder alle elektronerne sammen i par. De små partikler har hver sit magnetfelt, men de udligner hinanden, så atomerne er umagnetiske. I jern sidder fire elektroner alene uden en makker til at påvirke deres magnetfelt. Elektronerne fungerer som små stangmagneter, der gør jernet magnetisk, så det reagerer, hvis en magnet kommer tæt på. I en almindelig jernstang ligger atomernes magnetfelter hulter til bulter og peger i alle retninger. Men hvis en kraftig magnet påvirker atomerne, hiver den alle de små magnetfelter i samme retning. Manøvren former en samlet nord- og sydpol, og jernstangen bliver til en magnet, så længe den er påvirket af det kraftige magnetfelt. En jernstang kan også blive til en elektromagnet ved at vikle en spole af metaltråd rundt om den og sende jævnstrøm igennem. Strømmen skaber et magnetfelt, som ensretter alle atomernes små magnetfelter og danner to magnetiske poler. Nordpolen på en magnet vil tiltrække sydpolen på en anden. Omvendt vil magneternes to ens poler frastøde hinanden. Her har forskerne identificeret mere end 200 materialer, hvis elektroner ser ud til at være delt i to grupper - en unik struktur, der gør, at de kan bevæge sig mere frit i magneten i forhold til både ferro- og antiferromagnetisme. AltermagnetismeDenne tilsyneladende nye form for magnetisme har fået navnet altermagnetisme.Altermagneter er ligesom antiferromagneter ikke magnetiske udadtil, og kan altså ikke smækkes op på køleskabslågen. Altermagnetisme ferromagnetisme antiferromagnetismeAltermagnetisme kombinerer fordelene ved ferro -og antiferromagnetisme ved både at have ensrettede magnetfelter og modsatrettede. Denne kombination af egenskaber er potentielt meget attraktiv til anvendelse i fremtidens elektronik, der skal yde mere, endnu hurtigere og på mindre plads - krav, der udfordrer den nuværende brug af magnetisme i for eksempel computere.Men det er en form for magnetisme, som ifølge forskerne på sigt kan bruges til at lave magnetiske enheder, der ikke forstyrrer hinanden i for eksempel elektronik. Altermagnetisme er en form for magnetisk orden i materialer hvor materialet ikke selv fremviser nogen magnetisering, men hvor elektronerne alligevel har en spin-polarisering som er knyttet til retningen de bevæger sig i. Altermagnetisme er en ganske nyopdaget effekt, og der forskes på mulige anvendelser blandt andet når det gælder datalagring. Nogle eksempler på altermagnetiske materialer er RuO2 og MnFe2. Konkret handler potentialet især om at øge lagerpladsen på computerharddiske, fordi disse pt. indeholder ferromagnetisk materiale, der er så tæt pakket, at materialets stærke magnetfelter risikerer at interferere med hinanden. Elektromagnetisme lindrer depressionTag en elektromagnetisk hjelm på, og få mere glæde i dit liv. En banebrydende behandlingsform giver nyt liv til nedtrykte hjerneceller, og den kan måske hjælpe millioner med depression.Mange forskere kigger derfor på magneto-elektronik, også kaldet spintronik, som skal gøre det muligt at fremstille magnetiske komponenter, der er mindre påvirkelige af andre magneter, og har mere lagerplads. Og det er her, altermagnetismens store potentiale muligvis ligger, ifølge forskerne bag undersøgelsen. Magnetiske materialerAlle stoffer påvirkes i en eller anden grad af et magnetfelt, selv om vekselvirkningen undertiden kan være så svag, at det kræver specialudstyr at påvise den. De mest kendte materialer, som er magnetiske er jern (Fe), kobolt (Co), nikkel (Ni) og Lanthaniderne med grundstofnumrene 57 til 71.Til påvisning af magnetisk orden i et materiale benyttes neutronspredning. Neutroner bærer et magnetisk moment som er i stand til at vekselvirke med magnetiske momenter i materialeprøven. Mange stoffer kan magnetiseres. Per definition er magnetisering lig magnetisk dipolmoment per volumen. Man kan gøre en jernstang magnetisk ved at stryge den med en stangmagnet eller ved at vikle en ledning omkring den og sende strøm igennem. Man kan afmagnetisere jernstangen igen ved at føre den gennem en spole med vekselstrøm, ved opvarmning eller ved at slå den, så domænerne indeni igen ligger tilfældigt. Stangmagneter kaldes permanente magneter, og de er temmelig kraftige. Ikke alle materialer af jern kan gøres til permanente magneter. Stål kan magnetiseres permanent, mens blødt jern ikke kan. Forskellen på disse er mængden af forskellige stoffer f.eks. kulstof. De magneter som bruges til at magnetisere med kaldes alnico-magneter og de indeholder både jern, nikkel, kobolt og en lille smule kobber. Disse magneter bruges til mange ting, bl.a. kreditkort, som indeholder magnetkoder. DiamagnetismeNår et materiale placeres i et ydre magnetfelt, vil der i materialet induceres strømme som genererer et modfelt. Fænomenet betegnes diamagnetisme.Hvis man placerer et stykke superledende materiale i et ydre magnetfelt som ikke er for stærkt, vil der i superlederen induceres elektriske strømme som giver ophav til et magnetfelt der er lige så stærkt og modsat rettet det ydre magnetfelt. I den forstand er en superleder en perfekt diamagnet. Superlederes evne til at fortrænge et ydre magnetfelt fuldstændigt kaldes Meissner-effekten. Den gør det bl.a. muligt for et lille stykke superleder at svæve i et ydre magnetfelt. ParamagnetismeVisse stoffer magnetiseres midlertidigt når de placeres i et ydre magnetfelt. De tiltrækkes af en permanent magnet. Fænomenet betegnes paramagnetisme. Det optræder i stoffer som indeholder atomer eller nanopartikler med permanente magnetiske momenter.FerromagnetismeVisse materialer kan magnetiseres permanent. Det gælder jern, nikkel, kobolt og gadolinium. Fænomenet kaldes ferromagnetisme. Det skyldes at uparrede elektronspin orienterer sig parallelt inden for små områder, de såkaldte domæner. Magnetiseringen i de forskellige domæner peger i forskellige retninger, men når det ferromagnetiske materiale placeres i et ydre magnetfelt, magnetiseres det i samme retning som det ydre felt. Det skyldes dels at domæner drejer sig, dels at de domæner som i forvejen vender rigtigt, vokser på bekostning af de øvrige.Når alle domæner peger i samme retning, kan magnetiseringen ikke øges yderligere. Mætningsmagnetiseringen yder typisk et bidrag til den magnetiske fluxtæthed der er tusindvis af gange større end det ydre felt som afstedkom magnetiseringen. Herpå beror anvendelsen af jernkerner i elektromagneter. Magnetiseringen aftager med stigende temperatur. Når temperaturen overstiger en vis grænse, den såkaldte Curie-temperatur som karakteriserer det pågældende materiale, falder magnetiseringen til nul. For jern er Curie-temperaturen 1.043 Kelvin eller 770 grader Celsius. AntiferromagnetismeI visse materialer er uparrede elektronspin orienteret antiparallelt på en sådan måde at de udligner hinandens magnetfelt. Fænomenet betegnes antiferromagnetisme.Den magnetiske orden aftager med stigende temperatur. Når temperaturen overstiger en vis grænse, den såkaldte Néel-temperatur, som karakteriserer det pågældende materiale, er den magnetiske orden helt forsvundet. Jernmineralet goethit er antiferromagnetisk. FerrimagnetismeI visse materialer er uparrede elektronspin orienteret antiparallelt på en sådan måde at de delvis udligner hinandens magnetfelt. Fænomenet betegnes ferrimagnetisme.Jernmineralet magnetit er ferrimagnetisk. |
|
