Magneter har vært gjenstand for fascinasjon og undring i århundrer. Fra de gamle grekernes oppdagelse av magnetitt til dagens anvendelser innen teknologi og industri, har magneter kommet langt. I denne artikkelen skal vi se nærmere på vitenskapen bak magneter og utforske begrepene magnetfelt, poler og krefter, samt de ulike magnettypene og deres egenskaper. Vi skal også ta for oss de mange bruksområdene magneter har i hverdagen, og hvilken rolle de spiller i ulike teknologier.
Grunnleggende om magnetisme
Magnetisme er en grunnleggende naturkraft som oppstår som følge av bevegelsen til elektriske ladninger. Den er en av de fire fundamentale kreftene i naturen, sammen med tyngdekraften, elektromagnetismen og de sterke og svake kjernekreftene. Magnetisme observeres oftest i ferromagnetiske materialer, som jern, nikkel og kobolt, som tiltrekkes av magneter og selv kan bli magnetisert.
Magnetiske felt
Et magnetfelt er et usynlig kraftfelt som omgir magnetiske materialer og magneter. Det er det området der en magnet utøver en kraft på andre magneter eller ferromagnetiske materialer. Magnetiske felt skapes av bevegelsen til elektriske ladninger, for eksempel bevegelsen til elektroner i en ledning eller spinn av elektroner i atomer.
Retningen til et magnetfelt kan visualiseres ved hjelp av høyrehåndsregelen. Hvis du legger høyre hånd rundt en magnet eller en strømførende ledning, med fingrene krøllet i retning av magnetfeltet eller strømmen, vil tommelen peke i retning av de magnetiske feltlinjene.
Magnetiske poler
En magnet har to poler: en nordpol (N) og en sørpol (S). Motsatte poler tiltrekker hverandre, mens like poler frastøter hverandre. Dette kalles magnetisk kraft eller magnetisk tiltrekning. Hvor sterk den magnetiske kraften mellom to magneter er, avhenger av polstyrken og avstanden mellom dem.
Magnetisk feltstyrke
Styrken til et magnetfelt måles i enheter som kalles tesla (T), oppkalt etter Nikola Tesla, en pioner innen elektromagnetisme. En tesla tilsvarer en weber per kvadratmeter (1 T = 1 Wb/m2). En weber er enheten for magnetisk fluks, som er et mål på styrken og retningen til et magnetfelt.
Typer magneter
1. Permanente magneter
Permanentmagneter, også kjent som ferromagneter, er materialer som beholder sine magnetiske egenskaper selv når det ytre magnetfeltet fjernes. De er laget av ferromagnetiske materialer, som jern, nikkel og kobolt, som har en sterk tendens til å rette atomenes magnetiske momenter i samme retning. Denne justeringen skaper et sterkt magnetfelt som kan føles selv på avstand.
Eksempler på permanente magneter er blant annet
* Neodymmagneter: Dette er den sterkeste typen permanentmagneter, laget av en legering av neodym, jern og bor (Nd2Fe14B). De brukes mye i høyttalere, motorer og generatorer på grunn av sin høye magnetiske styrke og motstand mot avmagnetisering.
* Samarium-kobolt-magneter: Disse magnetene er laget av en legering av samarium og kobolt (SmCo5 eller SmCo5). De har lavere magnetisk styrke enn neodymmagneter, men er mer motstandsdyktige mot korrosjon og høye temperaturer, noe som gjør dem egnet for bruk i tøffe miljøer.
* Alnico-magneter: Alnico-magneter er laget av en legering av aluminium, nikkel og kobolt (AlNiCo). De har lavere magnetisk styrke enn neodym- eller samariumkoboltmagneter, men er mer motstandsdyktige mot avmagnetisering og har en høyere Curie-temperatur, noe som gjør dem egnet for bruk i høytemperaturapplikasjoner.
2. Elektromagneter
Elektromagneter er midlertidige magneter som bare utviser magnetiske egenskaper når det går elektrisk strøm gjennom dem. De lages ved å vikle en spole av tråd rundt en ferromagnetisk kjerne, for eksempel en myk jernstang. Når det går elektrisk strøm gjennom ledningen, skapes det et magnetfelt rundt kjernen, som blir magnetisert. Styrken på magnetfeltet kan kontrolleres ved å variere strømmen som flyter gjennom spolen.
Elektromagneter er mye brukt i applikasjoner som f.eks:
* Elektriske motorer: I en elektrisk motor magnetiseres rotoren, som er laget av et ferromagnetisk materiale, av strømmen som flyter gjennom den. Dette skaper et magnetfelt som samvirker med det stasjonære magnetfeltet i statoren, noe som får rotoren til å rotere.
* Generatorer: Prinsippet for generatorer er det samme som for motorer, men energiomformingen foregår i motsatt retning. I en generator induserer rotorens roterende magnetfelt en elektrisk strøm i statorens stasjonære spoler.
* Magnetiske svevetog (Maglev): Maglev-tog bruker den frastøtende kraften mellom to magneter til å få toget til å sveve over sporet. Dette reduserer friksjonen mellom toget og sporet, noe som gir høyere hastigheter og jevnere kjøring.
3. Midlertidige magneter
Midlertidige magneter, også kalt myke magneter, er materialer som bare utviser magnetiske egenskaper når de utsettes for et eksternt magnetfelt. De er vanligvis laget av materialer med lave ferromagnetiske egenskaper, for eksempel mykt jern, nikkel eller kobolt. Når det eksterne magnetfeltet fjernes, forsvinner de magnetiske egenskapene til midlertidige magneter raskt.
Midlertidige magneter brukes ofte i applikasjoner som f.eks:
* Transformatorer: Transformatorer bruker prinsippet om elektromagnetisk induksjon til å overføre vekselstrøm (AC) mellom kretser med ulike spenningsnivåer. Kjernen i en transformator er laget av et mykt ferromagnetisk materiale, for eksempel silisiumstål, som blir magnetisert når primærspolen settes under spenning.
* Induktorer: Induktorer er passive elektriske komponenter som lagrer energi i form av et magnetfelt. De er laget av spoler av tråd som er viklet rundt en myk ferromagnetisk kjerne, for eksempel jern eller nikkel. Når strømmen flyter gjennom spolen, skapes det et magnetfelt rundt kjernen, som motvirker endringer i strømstrømmen, noe som resulterer i induktiv reaktans.
Bruksområder for magneter
Magneter har et bredt spekter av bruksområder, blant annet
1. Teknologi
* Harddiskstasjoner: Dataene på en harddisk lagres som magnetiske mønstre på overflaten av en roterende disk. Lese-/skrivehodet på harddisken bruker et lite magnetfelt til å lese og skrive data på diskens overflate.
* Magnetisk minne (MRAM): Magnetisk minne med tilfeldig tilgang (MRAM) er en type ikke-flyktig minne som lagrer data ved hjelp av den magnetiske tilstanden til små magneter, såkalte magnetiske tunneloverganger (MTJ). MRAM har potensial til å erstatte tradisjonelle minneteknologier på grunn av høy hastighet, lavt strømforbruk og høy utholdenhet.
* Magnetiske sensorer: Magnetiske sensorer, også kjent som magnetoresistive sensorer, bruker magnetfeltet til å detektere tilstedeværelsen eller fraværet av magnetiske materialer. De brukes blant annet som nærhetssensorer, posisjonssensorer og strømsensorer.
2. Medisin
* Magnetisk resonansavbildning (MR): MR er en ikke-invasiv medisinsk avbildningsteknikk som bruker sterke magnetfelt og radiobølger til å skape detaljerte bilder av kroppens innside. Det sterke magnetfeltet justerer protonene i kroppens vev, og radiobølger brukes til å manipulere spinntilstandene deres. Signalene som sendes ut fra de returnerende protonene, registreres og behandles slik at det dannes detaljerte bilder av kroppens indre organer og vev.
* Magnetiske nanopartikler: Magnetiske nanopartikler er partikler i nanoskala laget av ferromagnetiske materialer som jern, nikkel eller kobolt. De har et bredt spekter av bruksområder innen medisin, blant annet målrettet tilførsel av legemidler, hypertermibehandling av kreft og kontrastmidler for magnetisk resonansavbildning (MR).
3. Industri og produksjon
* Magnetisk separasjon: Magnetisk separasjon er en prosess som brukes til å skille magnetiske materialer fra ikke-magnetiske materialer. Den brukes ofte i gruveindustrien for å skille verdifulle mineraler, som magnetitt, fra ikke-magnetiske gangartsmaterialer.
* Magnetisk svevetransport (Maglev): Maglev-tog bruker den frastøtende kraften mellom to magneter til å få toget til å sveve over sporet, noe som reduserer friksjonen og muliggjør raskere og smidigere transport.
* Magnetisk forming og sveising: Magnetisk forming og sveising er produksjonsprosesser som bruker magnetfelt til å forme eller sammenføye materialer. Ved magnetisk forming brukes et magnetfelt til å deformere et ferromagnetisk arbeidsemne uten at det er behov for fysisk kontakt. Ved magnetsveising, også kjent som magnetisk pulssveising, brukes en høystrøm- og høyspenningspuls til å skape et magnetfelt som raskt varmer opp og sammenføyer to ferromagnetiske arbeidsstykker.
Konklusjon
Magneter og magnetfelt er en integrert del av hverdagen vår og spiller en avgjørende rolle i en rekke teknologier og bransjer. Magneter har vist seg å være allsidige og uunnværlige verktøy, fra den enkle kjøleskapsmagneten til avanserte bruksområder innen medisin og transport. Etter hvert som vår forståelse av vitenskapen bak magneter fortsetter å vokse, kan vi forvente å se enda flere innovative og spennende anvendelser av magnetisme i fremtiden.
Vanlige spørsmål
1. Hva er forskjellen mellom en permanentmagnet og en elektromagnet?
En permanent magnet er et materiale som beholder sine magnetiske egenskaper selv når det ytre magnetfeltet fjernes. Permanente magneter er laget av ferromagnetiske materialer som jern, nikkel og kobolt. Eksempler på permanente magneter er neodymmagneter, samariumkoboltmagneter og alnico-magneter.
En elektromagnet er derimot en midlertidig magnet som bare utviser magnetiske egenskaper når det går elektrisk strøm gjennom den. Elektromagneter lages ved å vikle en trådspole rundt en ferromagnetisk kjerne, for eksempel en myk jernstang. Styrken på magnetfeltet kan kontrolleres ved å variere strømmen som flyter gjennom spolen.
2. Hvordan fungerer magneter i motorer og generatorer?
I elektriske motorer flyter en elektrisk strøm gjennom en trådspole som er viklet rundt en ferromagnetisk kjerne, noe som skaper et magnetfelt. Dette magnetfeltet samvirker med magnetfeltet til en permanentmagnet (statoren), noe som får rotoren til å rotere. Rotasjonsretningen kan reverseres ved å snu retningen på strømmen som flyter gjennom spolen.
I generatorer er prinsippet det samme, men energiomformingen foregår i motsatt retning. I en generator vekselvirker et roterende magnetfelt (skapt av en roterende permanentmagnet eller en elektromagnet) med en stasjonær trådspole (statoren), noe som induserer en elektrisk strøm i spolen. Retningen på strømmen som produseres, kan styres ved å snu retningen på det roterende magnetfeltet.
3. Er det noen sikkerhetsproblemer ved håndtering av magneter?
Ja, det er noen sikkerhetshensyn du må være oppmerksom på når du håndterer magneter:
* Magnetiske felt kan forstyrre følsomme elektroniske enheter, som pacemakere, implanterbare kardioverterdefibrillatorer (ICD-er) og implanterbare sløyfeopptakere (ILR-er). Det er viktig å holde sterke magneter borte fra personer med slike apparater.
* Sterke magneter kan tiltrekke seg ferromagnetiske gjenstander, noe som kan utgjøre en fare hvis gjenstandene er store eller tunge.
* Magneter skal holdes borte fra barn som kan svelge dem, da dette kan forårsake alvorlige indre skader eller blokkeringer.
* Spesielt neodymmagneter kan bli ekstremt varme hvis de kommer i nærkontakt eller kolliderer med hverandre, noe som kan føre til forbrenning eller brann. Det er viktig å håndtere disse magnetene med forsiktighet og bruke vernehansker når det er nødvendig.
* Ved håndtering av store eller kraftige magneter er det viktig å bruke riktig løfteteknikk og unngå plutselige bevegelser, da de kan utøve betydelige krefter som kan føre til skader.
4. Kan magneter virkelig lagre energi for senere bruk, som i magnetbatterier?
Selv om det er sant at magneter kan lagre energi i form av magnetfelt, er begrepet "magnetbatteri" eller "magnetisk batteri" ikke teknisk korrekt. En magnets magnetfelt er et statisk felt, noe som betyr at det ikke uten videre kan konverteres tilbake til brukbar elektrisk energi uten at det skjer noe utenfra, for eksempel ved å flytte magneten i forhold til en trådspole (som i en generator) eller endre magnetfeltets styrke (som i en elektromagnet).
Det finnes imidlertid noen energilagringsteknologier som utnytter magnetfelt, for eksempel superkondensatorer og superledende magnetiske energilagringssystemer (SMES). Disse teknologiene lagrer energi i form av henholdsvis elektriske eller magnetiske felt, og kan frigjøre den i form av elektrisk energi når det er behov for det. Disse teknologiene regnes imidlertid ikke som "magnetbatterier" i tradisjonell forstand, ettersom de baserer seg på mer komplekse prinsipper og materialer for å lagre og frigjøre energi.