Magnetiske materialer – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Magnetiske materialer

28. maj 2014

Magnetiske materialer

Hej Spørg om Fysik
Jeg vil gerne have belyst, hvad der forstærker magnetfeltet i en jernkerne.

Med venlig hilsen
JL

Alle materialer kan blive magnetiske. De tre vigtigste fænomener er diamagnetisme, paramagnetisme og ferromagnetisme. Spørgsmålet drejer sig om den iagttagelse, at feltet fra en strømspole bliver mange gange stærkere, når den ellers tomme spole bliver fyldt ud med en kerne af jern.

Elektromagnet til ca. 2 Tesla (500 kg)

I luft (eller i det tomme rum) kan et magnetisk felt fremkaldes af strøm i en ledning. Det var det, H.C. Ørsted opdagede (1820).

Ønsker man et veldefineret og koncentreret felt, skabes det ofte ved hjælp af en cylinderformig spole. Skal man have et stationært felt (dvs. ikke varierende med tiden), skal man bruge jævnstrøm.

I en spole er feltets styrke proportionalt med strømmen, men afhænger iøvrigt af spoleformen og af, hvor man måler det.

Flydende ilt er paramagnetisk

Felter i luft måles oftest i enheden Tesla (efter opfinderen). Et felt på én Tesla er ret stort: de kraftigste almindelige permanente magneter, man køber, ligger lige ved polskoenes overflade på 0,1 til 0,3 T. Man kan i laboratoriet lave felter på 10-20 T med superledende magneter. Med elektromagneter med jernkerne er det svært at lave felter større end ca. 2 Tesla.

Alle de stoffer, som vi normalt opfatter som umagnetiske, viser sig ved nærmere undersøgelse at kunne gøres ganske svagt magnetiske, enten diamagnetiske eller paramagnetiske. Kommer man et diamagnetisk stof ind i et magnetisk felt, bliver der et svagt felt i modsat retning inde i stoffet. Hænger man en kugle af diamagnetisk stof op i et divergerende magnetfelt, bliver kuglen frastødt ganske lidt; den bevæger sig altså imod det lavere felt.

Diamagnet, paramagnet og ferromagnet i et ydre felt

Paramagnetiske stoffer

magnetiseres i samme retning som feltet, og den tilsvarende kugle vil blive trukket imod det stærkere felt. For begge disse effekter gælder, at virkningen på stoffet er proportionalt med feltet man bruger, dvs. når der ingen felt er, måler man ikke nogen magnetisk effekt i stoffet.

Eksempler på paramagnetiske stoffer: Ferrochlorid, Mangan, Krom, Aluminium, Magnesium, Kalium, Natrium og Ilt (samt visse sjældne jordarter).

Svævende permanent magnet over superleder, ideel diamagnet

Eksempler på diamagnetiske stoffer: Vismut, Jod, Brom, Tellur, Selen, Grafit, Guld, Sølv, Kobber, Zink, Kviksølv, Vand og Alkohol. Tilbage er de stoffer, som udviser kraftige magnetisk effekter: de ferromagnetiske stoffer.

Her gælder det ikke, at magnetiseringen er proportionalt med feltet, magnetiseringen foregår i noget man kalder en hysteresekurve, og magnetiseringen er ikke nødvendigvis nul, når det ydre felt er nul. Man taler om ”remanent magnetisering”, og man kan altså lave permanente magneter. Effekten kan være millioner af gange større end effekterne ved dia- og paramagnetisme.

Hysteresekurve, når feltet varieres og og ned samt vendes følges kurven i pilens retning, første magneticering er den blå

Hysteresekurven for et bestemt materiale kan ændres ved hærdning og ved mekaniske processer. Effekten er temperaturafhængig, og ferromagnetismen forsvinder ved en høj temperatur, Curie temperaturen, som for nikkel er 370 °C, for jern 780 °C og for kobolt 1140 °C. Når stoffet igen køles ned, er det umagnetisk og bliver så først igen magnetisk, når det kommer i et magnetfelt. 

En udbygget teori er desværre ret omfattende, så den gives ikke her, men man kan søge på nøgleordene på nettet.

Paramagnetiske stoffer trækkes ind i magnetfelt, diamagnetiske skydes ud, det bruges til måling af effekterne

Diamagnetisme

Diamagnetisme er en atomar egenskab. Den kommer fra elektronernes evne til at blive påvirket af ydre felter på en måde, så de modsætter sig de ændringer i magnetfelt, som man søger at pålægge dem. Makroskopisk kaldes det Lenz’s lov (eller induktionsloven), som bevirker, at søger man at sætte et felt på f.eks. en metalplade, vil der i første omgang opstå strømme i pladen, som modvirker det nye felt (princippet anvendes i el-målere). Diamagnetisme optræder således i alle stoffer, men hos de paramagnetiske og ferromagnetiske materialer overdøves den af andre effekter.

Curie loven, M er magneticering og T temperaturen

Paramagnetisme

Her er tale om stoffer, som indeholder elektroner, ioner, atomer eller molekyler, der i sig selv virker som små permanente magneter. Fx vil elektronerne i et atom eller en ion parre sig i et mønster, så atomet udadtil virker umagnetisk, men det kan de jo ikke gøre, hvis antallet er ulige. Det kan også være frie atomer eller ioner med delvist fyldte indre elektronskaller, som de sjældne jordarter eller actiniderne (de tungeste grundstoffer). Desuden nogle få stoffer med et lige antal elektroner f.eks. ilt. Endeligt metaller, hvis de ikke er i den ferromagnetiske eller den superledende tilstand.

Ferromagnetiske stoffer

Her er selv den simple forklaring ganske indviklet. Effekten fremkommer, fordi de mikroskopiske magnetiske momenter (elektroner eller atomer/ioner) kan påvirke hinanden med kræfter ( kvantemekaniske), der er meget stærkere end påvirkningen fra et eventuelt ydre magnetfelt. Disse kræfter kan give tendens til fx at ensrette de mikroskopiske momenter indenfor større eller mindre områder inde i stoffet. Et sådant lille område kaldes et domæne.

Flytning af domæner med feltet.

Der kan være mange domæner i et jernstykke, med forskellig orientering, så jernstykket udadtil virker umagnetisk. Pålægges et magnetfelt udefra, kan man flytte grænserne imellem domænerne, og efterhånden gøre jernstykket til ét stort område med magnetfelt i en bestemt retning. Når feltet fjernes, vil der ske det, at en del områder ændrer retning i forholdsvis tilfældige retninger, men mange fastholdes i den retning, de fik under pålæggelsen af magnetfeltet (hvis det er energetisk fordelagtigt, da det kræver energi at flytte domænegrænserne), så jernstykket er fortsat magnetisk.

Permanent magnets virkninger.

Det blev ovenfor nævnt, at den effekt man fik af ferromagnetiske stoffer, kunne være meget større end de andre magnetiske effekter. Det betyder, at kommer man jern ind i en spole med jævnstrøm, altså i et stationært felt, kan feltet i et stykke jern blive meget stort i forhold til det oprindelige felt. Skal man have stærke elektromagneter, gøres det billigst ved at komme jern i. Yderligere spredes feltet ikke, men holdes samlet i jernkernen, og ved kernens ende koncentres derfor et meget stort felt. Er det en lukket ringkerne med en spole om, kommer der næsten intet felt udenfor jernet, det forbliver indenfor. Jernets ”modstand” imod feltet, er ca. 1000 gange mindre end luftens, derfor bliver feltet inde i jernet.

eLEKTROMAGNET TIL FLYTNING AF SKROT

De mikroskopiske magneter i et paramagnetisk stof påvirker også hinanden, men kræfterne er svage. Hvis man køler stoffet ned til en tilstrækkeligt lav temperatur, kan disse kræfter imidlertid frembringe et ordnet arrangement af de mikroskopiske magneter, fx en ferromagnetisk struktur, hvor alle peger i samme retning.

Selv om ferromagnetiske materialer har været kendt siden oldtiden, er det først efter kvantefysikkens fremkomst, at der er fundet en forklaring på deres eksistens. Niels Bohr påviste i sin doktordisputats (1911), at ifølge den traditionelle, ”klassiske” fysik var det umuligt, at noget som helst materiale overhovedet kunne have magnetiske egenskaber. De magnetiske stoffer har således spillet en vigtig rolle for udviklingen af vores naturforståelse.

Med venlig hilsen
Finn Berg Rasmussen
Malte Olsen