Magnetiske felt har fascinert både forskere og lekfolk i århundrer. Fra de tidligste observasjonene av loddesteiner som tiltrakk seg jerngjenstander til de nyeste fremskrittene innen magnetiske materialer og teknologier, har studiet av magnetfelt ført til en dypere forståelse av de grunnleggende naturlovene og utviklingen av utallige moderne bekvemmeligheter.
Denne artikkelen tar deg med på en reise gjennom vitenskapen om magnetiske felt, fra de grunnleggende prinsippene til den banebrytende forskningen som flytter grensene for dette spennende feltet. Vi skal se nærmere på grunnleggende magnetisme, egenskapene til magnetiske materialer og de ulike måtene magnetiske felt kan genereres og utnyttes på i praktiske anvendelser. Vi vil også fordype oss i de mer eksotiske delene av magnetiske fenomener, som supraledning, kvantemagnetisme og jakten på nye materialer med ekstraordinære magnetiske egenskaper.
Grunnleggende om magnetisme
Magnetisme er en grunnleggende egenskap ved materie som oppstår som følge av bevegelsen til elektriske ladninger. De mest kjente eksemplene på magnetisme er tiltrekningen mellom magneters motsatte poler og frastøtningen mellom like poler. Magneter er objekter som har et magnetisk nettomoment, noe som betyr at de magnetiske momentene til atomene eller molekylene de består av, er rettet inn i en bestemt retning.
Det magnetiske momentet til en magnet er en vektorstørrelse, med både størrelse og retning. Retningen til et magnetisk moment angis vanligvis ved hjelp av vektoren for magnetisk moment, som peker fra magnetens sørpol til nordpol. Størrelsen på det magnetiske momentet er proporsjonalt med styrken på magnetens magnetfelt.
Magnetfeltet er et usynlig kraftfelt som omgir magnetiserte objekter og magnetiske materialer. Det er ansvarlig for de tiltrekkende og frastøtende kreftene som andre magneter eller ferromagnetiske materialer i nærheten opplever. Retningen på de magnetiske feltlinjene kan visualiseres ved hjelp av høyrehåndsregelen: Hvis du krøller fingrene rundt magneten i retning av dens magnetiske moment, vil tommelen peke i retning av feltlinjene.
Ligningen for det magnetiske feltet
Magnetfeltet som genereres av en magnet eller en strømførende ledning, kan beskrives matematisk ved hjelp av Biot-Savart-loven, som relaterer magnetfeltstyrken i et punkt i rommet til strømtettheten og avstanden fra kilden. Biot-Savart-loven kan uttrykkes som:
B = μ0/4π \* ∫ Idl × r/r^3
Hvor?
* B er den magnetiske feltstyrken i et punkt i retning av enhetsvektoren r
* μ0 er vakuumpermeabiliteten (ca. 4π × 10^-7 H/m)
* I er strømtettheten (strøm per arealenhet)
* dl er det uendelige elementet i den strømførende ledningen
* r er posisjonsvektoren fra interessepunktet til det infinitesimale elementet i ledningen
Biot-Savart-loven er en grunnleggende ligning innen elektromagnetisme, og den danner grunnlaget for å forstå hvordan magnetiske felt oppfører seg i ulike situasjoner.
Magnetiske materialer
Magnetiske materialer er stoffer som kan magnetiseres, det vil si at de kan bli magnetisert i nærvær av et eksternt magnetfelt og beholde en viss grad av magnetisering når det eksterne feltet fjernes. Den vanligste typen magnetisk materiale er ferromagnetisk materiale, som omfatter metaller som jern, nikkel og kobolt.
Ferromagnetisme oppstår ved at de magnetiske momentene til de enkelte atomene i materialet er på linje. I ferromagnetiske materialer har de magnetiske momentene til naboatomene en tendens til å rette seg inn i samme retning, noe som skaper områder med jevn magnetisering som kalles domener. Når et eksternt magnetfelt tilføres, justerer domenene seg for å minimere energien som kreves for å opprettholde magnetfeltet, noe som fører til at materialet blir magnetisert.
Magnetisk hysterese
Når et ferromagnetisk materiale utsettes for et varierende ytre magnetfelt, følger magnetiseringen en karakteristisk kurve som kalles hysteresesløyfen. Hysteresesløyfen karakteriseres av to viktige parametere: metningsmagnetiseringen (Ms) og den remanente magnetiseringen (Mr).
Metningsmagnetiseringen er den maksimale magnetiseringen et materiale kan oppnå i nærvær av et sterkt ytre magnetfelt. Den remanente magnetiseringen er den magnetiseringen som forblir i materialet etter at det ytre feltet er fjernet. Forskjellen mellom Ms og Mr er kjent som det magnetiske hysteresetapet, som er proporsjonalt med arealet som omsluttes av hysteresesløyfen.
Andre typer magnetisme
Selv om ferromagnetisme er den vanligste og mest kjente formen for magnetisme, finnes det andre typer magnetisme som oppstår på grunn av ulike mekanismer. Noen av disse er blant annet
* Paramagnetisme: Paramagnetisme er en svak form for magnetisme som utvises av materialer som har uparede elektroner i atom- eller molekylbanene sine. I nærvær av et eksternt magnetfelt retter de uparede elektronene seg inn etter feltet, noe som fører til at materialet blir svakt magnetisert. Vanlige paramagnetiske materialer omfatter aluminium, oksygen og enkelte overgangsmetallkomplekser.
* Diamagnetisme: Diamagnetisme er en enda svakere form for magnetisme som finnes i alle materialer i en eller annen grad. Den oppstår som følge av elektronenes bevegelse i atombanene i nærvær av et ytre magnetfelt. Det resulterende magnetiske momentet er motsatt av det påførte feltet, noe som fører til at materialet blir svakt frastøtt av feltet. Vanlige diamagnetiske materialer er kobber, gull og de fleste ikke-metaller.
* Antiferromagnetisme: Antiferromagnetisme er en type magnetisme som oppstår i materialer der tilstøtende magnetiske momenter er rettet i motsatt retning, noe som resulterer i et magnetisk nettomoment på null. Antiferromagnetiske materialer er vanligvis ikke magnetisk ordnet ved høye temperaturer, men kan gjennomgå en faseovergang til en ordnet tilstand ved lavere temperaturer. Eksempler på antiferromagnetiske materialer er manganoksid (MnO) og krom(III)oksid (Cr2O3).
Genererer magnetiske felt
Magnetfelt kan genereres på en rekke ulike måter, avhengig av bruksområde og ønsket feltstyrke og -retning. Noen vanlige metoder for å generere magnetfelt inkluderer:
1. Permanente magneter
Permanente magneter er materialer som har et magnetisk nettomoment på grunn av sine iboende magnetiske egenskaper. De kan være laget av ferromagnetiske materialer som neodym, samarium eller ferritt, som magnetiseres under produksjonsprosessen og beholder magnetiseringen sin på ubestemt tid. Permanente magneter brukes i en lang rekke bruksområder, fra enkle magneter som brukes til å holde lapper på kjøleskapet, til mer sofistikerte bruksområder som elektriske motorer, generatorer og høyttalere.
2. Elektromagneter
Elektromagneter er enheter som bruker elektrisk strøm til å generere et magnetfelt. De består av en trådspole (solenoiden) som er viklet rundt en ferromagnetisk kjerne, som kan være laget av materialer som jern eller stål. Når en elektrisk strøm sendes gjennom solenoiden, genereres det et magnetfelt rundt spolen. Feltets retning kan reverseres ved å snu strømretningen.
Elektromagneter er mye brukt i applikasjoner der det er behov for justerbare eller omskiftbare magnetfelt, for eksempel i elektriske motorer, solenoider, reléer og magnetiske levitasjonssystemer (Maglev).
3. Superledende magneter
Superledende magneter er en spesiell type elektromagneter som utnytter de unike egenskapene til superledere til å generere ekstremt sterke magnetfelt. Supraledere er materialer som har null elektrisk motstand og perfekt diamagnetisme under en kritisk temperatur som kalles den supraledende overgangstemperaturen (Tc). Når en strøm føres gjennom en supraledende sløyfe eller spole (en supraledende solenoide), blir magnetfeltet som genereres av strømmen, utvist fra det indre av sløyfen på grunn av den diamagnetiske effekten. Dette fenomenet, kjent som Meissner-effekten, fører til at det dannes et svært sterkt magnetfelt rundt den supraledende spolen.
Superledende magneter brukes i en rekke bruksområder som krever ekstremt sterke og stabile magnetfelt, for eksempel i partikkelakseleratorer som Large Hadron Collider (LHC), maskiner for magnetisk resonansavbildning (MRI) og forskning på fusjonsenergi.
Bruksområder for magnetiske felt
Magnetiske felt har et bredt spekter av bruksområder, fra hverdagsbruk til banebrytende forskning. Noen av de vanligste bruksområdene er blant annet
1. Elektriske motorer og generatorer
Elektriske motorer og generatorer baserer seg på samspillet mellom magnetfelt og elektrisk strøm for å omdanne mekanisk og elektrisk energi. I en elektrisk motor opplever en strømførende spole (ankeret) et dreiemoment når den plasseres i et magnetfelt, noe som får den til å rotere. Denne rotasjonen brukes deretter til å drive mekaniske belastninger som vifter, pumper eller maskiner.
I en generator er prosessen omvendt. En roterende magnet (rotoren) plasseres i en stasjonær spole (statoren), noe som induserer en vekselstrøm i spolen når magnetfeltet skjærer gjennom lederne. Denne induserte strømmen kan deretter utnyttes til å generere elektrisitet.
2. Magnetiske lagringsmedier
Magnetiske lagringsmedier, som harddisker, disketter og magnetbånd, baserer seg på magnetiske materialers evne til å lagre magnetisk informasjon. Data lagres på disse mediene ved å magnetisere eller avmagnetisere små områder (bits) på overflaten av et ferromagnetisk materiale. Magnetiseringen av hver bit kan detekteres ved å sende en liten strøm gjennom et lesehode i nærheten av mediet, som utsettes for en kraft på grunn av magnetfeltet til bitene.
Magnetiske lagringsmedier har vært mye brukt i flere tiår, men i mange bruksområder blir de gradvis erstattet av solid state-lagringsteknologier som flashminne og solid state-disker (SSD-er) på grunn av høyere dataoverføringshastigheter, lavere strømforbruk og motstand mot mekaniske støt.
3. Magnetisk levitasjon
Magnetisk levitasjon, eller Maglev, er en teknologi som bruker magnetfelt til å holde gjenstander oppe og drive dem frem uten direkte mekanisk kontakt. Maglev-systemer bruker vanligvis superledende magneter for å generere sterke og stabile magnetfelt.
Maglev-teknologien har blitt foreslått for en rekke bruksområder, blant annet høyhastighetstransport, der den gir mulighet for redusert friksjon og slitasje, noe som resulterer i høyere hastigheter, lavere energiforbruk og mer stillegående drift sammenlignet med tradisjonelle hjultog. De høye kostnadene ved å utvikle og vedlikeholde den nødvendige infrastrukturen har imidlertid begrenset utbredelsen av Maglev-teknologien til kommersiell transport.
4. Magnetiske materialer i medisin
Magnetiske materialer og teknologier spiller en viktig rolle i en rekke medisinske anvendelser, blant annet innen bildediagnostikk, terapeutisk utstyr og medisinering.
* Magnetisk resonansavbildning (MR): MR er en ikke-invasiv medisinsk avbildningsteknikk som bruker sterke superledende magneter til å generere et kraftig magnetfelt som justerer protonene i kroppens vev. Deretter brukes radiofrekvenspulser til å forstyrre de justerte protonene, noe som får dem til å sende ut signaler som kan detekteres og behandles for å skape detaljerte bilder av indre organer og vev.
* Magnetiske nanopartikler: Magnetiske nanopartikler (MNP) er partikler i nanometerskala laget av ferromagnetiske eller paramagnetiske materialer. De har blitt undersøkt for en rekke biomedisinske bruksområder, blant annet målrettet tilførsel av legemidler, magnetisk hypertermibehandling av kreft og som kontrastmidler for MR.
* Magnetiske proteser: Magnetiske materialer brukes også i utviklingen av proteser og annet medisinsk utstyr, der de kan brukes til å gi kontrollert kraft og dreiemoment for bevegelse og manipulering.
Grensene for magnetisk forskning
Til tross for vår omfattende forståelse av magnetiske felt og deres bruksområder, er det fortsatt mange ubesvarte spørsmål og områder for aktiv forskning på dette feltet. Noen av de mest spennende grensene innen magnetisk forskning inkluderer:
1. Høytemperatur-superledningsevne
Supraledning er et fenomen der visse materialer viser null elektrisk motstand og perfekt diamagnetisme når de kjøles ned til under en kritisk temperatur. Mens tradisjonelle superledere krever ekstremt lave temperaturer (nær det absolutte nullpunkt) for å oppnå superledningsevne, åpnet oppdagelsen av høytemperatursuperledere på 1980-tallet nye muligheter for praktiske anvendelser.
Høytemperatursupraledere (HTS) er materialer som kan utvise supraledning ved temperaturer over kokepunktet for flytende nitrogen (77 K eller -196 °C), noe som gjør dem lettere å kjøle ned og opprettholde i en supraledende tilstand. Mekanismen bak høytemperatursupraledning er imidlertid fortsatt dårlig forstått, og mye av forskningen fokuserer på å utvikle nye HTS-materialer med enda høyere kritiske temperaturer og bedre egenskaper.
2. Spintronikk
Spinntronikk, eller spinnelektronikk, er et fremvoksende felt som tar sikte på å utnytte ikke bare elektronenes ladning, men også deres iboende spinnegenskaper for å utvikle neste generasjons elektroniske enheter og datalagringsteknologier. Spinntroniske enheter utnytter den spinnmagnetiske interaksjonen til å manipulere og kontrollere elektronenes spinntilstander, noe som kan brukes til å kode og behandle informasjon.
Noen lovende spinntroniske enheter og fenomener omfatter spinntransistorer, spinnventiler, spinnmomentminne og spinntroniske logiske porter. Spinntroniske enheter har potensial til å oppnå høyere datalagringstetthet, raskere dataoverføringshastigheter og lavere strømforbruk sammenlignet med konvensjonelle halvlederbaserte enheter.
3. Kvante-magnetisme
Kvantemagnetisme er et felt i rask utvikling som undersøker hvordan magnetiske materialer og systemer oppfører seg på kvantenivå. Dette forskningsområdet kombinerer konsepter fra kondenserte stoffers fysikk, kvantemekanikk og materialvitenskap for å forstå og manipulere de unike egenskapene til magnetiske materialer på atom- og subatomært nivå.
Et av de mest spennende fenomenene innen kvantemagnetisme er kvantefaseovergangen, som oppstår når et magnetisk materiale plutselig endrer sine magnetiske egenskaper som følge av små endringer i ytre parametere som temperatur, trykk eller magnetfelt. Å forstå og kontrollere disse kvantefaseovergangene kan føre til utvikling av nye materialer og innretninger med helt nye magnetiske egenskaper.
4. Nye magnetiske materialer
Jakten på nye magnetiske materialer med eksepsjonelle egenskaper er et pågående forskningsområde innen magnetisme. Noen av de ønskede egenskapene i disse materialene er høy magnetisering, høy koercivitet, høye Curie-temperaturer og sterk magnetokrystallinsk anisotropi. Disse egenskapene kan føre til forbedret ytelse i eksisterende applikasjoner og muliggjøre utvikling av ny teknologi.
Noen lovende klasser av magnetiske materialer som er under utforskning, er blant annet
* Permanente magneter uten sjeldne jordarter: Sjeldne jordartsmetaller som neodym og samarium er viktige komponenter i mange høytytende permanentmagneter, men den begrensede tilgjengeligheten og de høye kostnadene har motivert forskere til å lete etter alternative magnetmaterialer uten sjeldne jordarter.