Lektion 4 – Magnetiska material - bjornjonsson.se

Fysik B bjorn.jonsson@vgy.se
Värmdö Gymnasium www.bjornjonsson.se
Lektion 4 – Magnetiska material
Vad orsakar magnetiska egenskaper?
Vi har konstaterat att järnoxiden magnetit är permanent magnetisk. Dessutom vet vi att järnföremål
genom magnetisk influens kan göras (tillfälligtvis) magnetiska. Vad är det då i järnets
materialegenskaper som orsakar magnetismen?
Tänk på hur en atom är uppbyggd, med en positiv kärna och negativa elektroner som
roterar kring kärnan. Elektroner i rörelse är samma sak som en ström, så vi har alltså en
ström som rör sig runt, runt atomkärnan och därmed orsakar ett magnetfält enligt Ørstedt.
Detta magnetfält visar sig vara väldigt likt det fält som vi får från en stavmagnet, vilket gör
att vi kan se varje atom som en liten stavmagnet som alltså kan ställa in sig med nordänden
åt något håll. Förutom detta finns det även vissa magnetiska konsekvenser av
elektronspinnet som också bidrar till att atomerna fungerar som små magneter.
I järn, som har starka atombindningar, påverkar atomerna sina närmaste grannar magnetiskt så att
man får stora områden i järnbiten där ”atommagneterna” är likriktade. Sådana områden kallas ibland
för domäner. Om man placerar järn i ett yttre (gärna starkt) magnetfält kommer atomerna att rikta in
sig i fältets riktning och därigenom förstärka det.
Om man vill förstöra en magnet kan man värma upp den till Curietemperaturen 770º C, vilket ger
atomerna så stor inre värmeenergi att de ”kränger loss” från magnetfältet och blir oordnade igen.
Järnmagneter kan också förstöras genom hårda slag, där stöten ruckar på atomstrukturen så att den
magnetiska ordningen saboteras.
Magnetiska material
Vilka material är magnetiska? Det skulle vara lätt att svara metaller, eftersom vi
vet att alla metaller leder ström och vi gång efter annan hittat samband mellan
elektricitet och magnetism. Men det är fel! Det finns tre magnetiska metaller;
järn, nickel och kobolt. Därför är det t.ex. bara vissa av våra svenska mynt som
är magnetiska. Kolla gärna vilka och försök motivera varför!
Spolar
Om man lindar en elektrisk ledare runt t.ex. en toarulle så bildar
ledningsvarven man lindat tillsammans en spiralliknande elektrisk
komponent som kallas för en spole. En spole är intressant ur magnetisk
synpunkt därför att varje varv i spolen bildar ett magnetfält i mitten av
spolen när det går en ström i ledaren.
Fältet är format som om det låg en stavmagnet inuti ledningsvarvet som bilden visar. Hur magneten
ligger får du lätt fram med högerhandsregeln. ”Grabba tag” i ledningsslingan med högerhanden och
lägg tummen i strömmens riktning så visar resten av fingrarna vilket håll fältet går genom och
utanför slingan.
I spolen sitter ju flera ledningsvarv bredvid varandra, och varje varv
bidrar med ett likadant magnetfält. Varvens magnetfält bildar då
tillsammans ett starkt magnetfält genom och runtom spolen.
/BJ
1 (2)
I

Fysik B bjorn.jonsson@vgy.se
Värmdö Gymnasium www.bjornjonsson.se
Elektromagneter
Om man sätter in en järnkärna i en strömsatt spole märker man att järnets magnetiska egenskaper
och spolens magnetfält förstärker varandra, och man får en kraftig s.k. elektromagnet. Beroende
på strömstyrka kan man reglera hur starkt elektromagnetens fält ska vara, och det går att tillverka
mycket starkare elektromagneter än de ”naturliga” magneter som finns. Du har säkert sett
magnetiska lyftkranar på bilskroten som lyfter flera tusen kilo, något som en vanlig magnet inte
skulle klara.
Fördelen med en elektromagnet är att magnetfältet upphör i samma ögonblick som strömmen
bryts. Det är alltså avstängningsbara magneter vi pratar om!
Magnetiska krafter på laddade partiklar
En elektrisk ström är laddade partiklar i rörelse. Vi vet att elektriska strömmar påverkas av en
magnetisk kraft när de rör sig genom ett magnetfält. På samma sätt påverkas även enskilda laddade
partiklar av magnetiska krafter då de rör sig genom ett magnetfält.
Den magnetiska kraften F på en laddning Q som rör sig med farten v i ett magnetfält B ges av
F = QvB
Kraftens riktning bestäms av högerhandsregeln för magnetisk kraft, där strömmens riktning räknas
/BJ
• åt samma håll som laddningen rör sig om den är positiv
• åt motsatt håll som laddningen rör sig om den är negativ
Ex. En elektron rör sig i ett magnetfält som figuren visar. Den påverkas då av
en kraft med storleken 7,0 aN.
a. Åt vilket håll är den magnetiska kraften riktad?
b. Hur stor är elektronens hastighet om flödestätheten är 500 μT?
a. Eftersom elektronen är en negativ laddning ska vi räkna strömmens
riktning som motsatt elektronens riktning, d.v.s. åt vänster. Med fältlinjerna ut ur
pappret ger då högerhandsregeln att den magnetiska kraften på elektronen kommer att
vara riktad uppåt.
b. Ur sambandet för magnetisk kraft på elektriska laddningar löser vi ut:
−18
F F
7 ⋅10
F = QvB ⇒ v = = =
= 87391 = 87 km/s
−19
−6
QB eB 1,
602 ⋅ 10 ⋅ 500 ⋅ 10
2 (2)
v
e