Magnetismen — menneskets stærke hjælper
MAGNETISMEN — hvordan ville vores tilværelse forme sig uden den? Den frembringer elektricitet som opvarmer vore hjem, oplyser vejene, giver varme til madlavning, og klarer mange andre opgaver for os hver dag! Vi kunne ikke høre god musik i radioen, se fjernsyn, eller tage telefonen og ringe til en ven hvis ikke vi havde magnetismen.
Denne særlige kraft har at gøre med det som kineserne kaldte „stenen som slikker jern op“. Sømænd gav den navnet ledesten. Vi kalder den magnet, et navn som kommer fra malmen magnetit eller magnetjernsten, der fandtes i rigelige mængder i Magnesia, et område i Lilleasien. Men uanset navnet, bevirkede denne mystiske kraft i ledestenen at den var sin vægt værd i guld. Konger fandt den fascinerende. Sømænd kunne navigere tværs over havene hvis blot de havde en lille stump af den. Hedninger troede at guderne havde sendt stenen for at lede dem. Men på trods af al den opmærksomhed den vakte, kunne ingen i oldtiden have forudset de storslåede muligheder magnetismen har vist sig at indebære.
I dag er det nemt at anskaffe en magnet. Selv om magnetit ikke sådan er til at købe, kan forarbejdede magneter af stor styrke fås billigt. Mangt et barn har beskæftiget sig selv i timevis ved at lege med et par små magneter. For den sags skyld er magneter i dag så almindelige at man tit ikke bemærker dem.
Men hvad er egentlig magnetisme? Hvilken gavn har vi af den? Hvorfra kommer denne gådefulde kraft? Lad os se nærmere på dette nyttige fænomen.
Magnetismens egenskaber
Nogle simple eksperimenter med to stangmagneter vil lære os de fundamentale egenskaber ved magnetismen at kende. Læg først et stykke papir hen over den ene magnet og drys jernfilspåner på papiret. Bank så let på papiret et par gange, og et karakteristisk mønster træder frem. Filspånerne lægger sig i linjer som synes at udgå fra den ene ende af magneten, gå rundt i en bue, og ramme den anden ende. Det vi ser, er et snit af magnetfeltet, som omgiver magneten hele vejen rundt. Enderne hvor linjerne samles, kaldes polerne. Enhver magnet har to poler som ikke kan adskilles. Hvis vi forsøgte at dele magneten på midten ville vi få, ikke to halve magneter med en pol hver, men derimod to små magneter med to poler hver, ligesom den oprindelige.
Nu da vi har set magnetfeltet og fundet polerne, lad os da se lidt på en anden interessant egenskab ved magnetismen. Bind en snor midt om magneten og hæng den op så den kan dreje sig frit. Læg mærke til at magneten svinger rundt indtil den ene ende peger mod nord. Skub den væk, og den vil igen svinge tilbage til nord, Den magnetpol der peger mod nord kaldes nordpolen, og den der peger mod syd kaldes sydpolen. Det er denne egenskab ved magnetismen der er grundideen i kompasset. Men hvad skyldes dette fænomen?
For at finde ud af det skal vi bruge begge magneter. På hver magnet skrives et N på nordpolen og et S på sydpolen. Derefter tager man en magnet i hver hånd og nærmer et N til et S. Hvad sker nu? Man mærker en usynlig kraft der trækker dem imod hinanden. Men vend den ene magnet om og bring de to N’er eller de to S’er sammen, og det er nu som om de bliver skubbet væk fra hinanden. Dette demonstrerer en lov vedrørende magnetisme som siger at „modsatte poler altid vil tiltrække hinanden, mens ens poler altid vil frastøde hinanden“.
Det er grunden til at den ene ende af en magnet altid vender sig mod nord. Jorden har nemlig et magnetfelt, ligesom stangmagneten. Dette magnetfelt strækker sig ud i verdensrummet og samles ved jordens poler. Derfor vil den ene ende af magneten altid søge mod nord, og den anden mod syd.
De fleste mennesker kender magnetens evne til at tiltrække metal. Det er dog ikke alle metaller som kan påvirkes. Messing, aluminium, guld og sølv lader sig ikke tiltrække, mens jern, stål, nikkel, kobolt, krom og andre metaller kan tiltrækkes i større eller mindre grad. Interessant nok er tiltrækningskraften altid den samme ved begge poler, hvilket betyder at et jernsøm altid vil tiltrækkes lige kraftigt af begge ender på magneten.
Vor demonstration af de grundlæggende egenskaber ved magnetisme har ladet nogle vigtige spørgsmål stå ubesvarede. Hvorfra kommer kraften? Ja, hvad er den egentlige grund til magnetismen? Og hvorfor er ikke alle metaller magnetiske?
Hvoraf kommer magnetismen?
For at finde svarene på disse spørgsmål må vi undersøge grundbyggestenen i alt stof, atomet. Det består af en tætpakket kerne af protoner og neutroner, med et antal elektroner kredsende omkring sig, meget lig planeterne der kredser omkring solen. Elektronernes bevægelse frembringer en meget lille magnetisk kraft i atomet. De fleste elektroner danner par således at deres magnetfelter ophæver hinanden. Når alle elektroner i et atom danner par, er det samlede magnetfelt derfor lig nul. Metaller som består af den slags atomer er umagnetiske.
Hvis atomet derimod har enlige elektroner, er det i besiddelse af et magnetisk moment, som det hedder i fagsproget. Styrken af dette magnetiske moment bestemmer hvordan atomerne lægger sig i det massive metal. I de fleste metaller er atomernes bevægelser ved normale temperaturer stor nok til at overvinde de magnetiske kræfter, og de magnetiske atomer vil pege i alle mulige retninger, med det resultat at magnetfelterne i et stort antal atomer ophæver hinanden.
I sådanne metaller, for eksempel krom, kan man imidlertid skabe magnetisme ved at anbringe dem i et andet magnetfelt. Kraften i magnetfeltet får metallets atomer til at indrette sig parallelt, men så snart metallet fjernes fra feltet får de termiske bevægelser igen overtaget, ensretningen ophæves og kromet mister sin magnetisme. Den slags metaller, som ikke bevarer deres magnetisme, kaldes paramagnetiske.
I modsætning hertil har atomerne i metaller som jern, kobolt og nikkel et meget kraftigt magnetisk moment, så kraftigt at atomer som antager fast form efter smeltning, vil rette sig ind efter hinanden, sådan at grupper eller domæner af atomer vil lægge sig i samme retning. Hver gruppe bliver så en lille magnet i sig selv, men de er uendeligt små og peger i hver sin retning. Derfor er for eksempel et almindeligt jernsøm ikke en magnet.
Men hvis man anbringer et stykke jern i et magnetfelt vil de grupper af atomer der kommer til at ligge på linje med magnetfeltet have en tendens til at vokse på bekostning af de nærliggende grupper, idet de nærmeste atomer tvinges til at lægge sig parallelt med dem. Denne virkning forstærkes hvis metallet opvarmes eller strækkes. Den ensretning som således opnås vil bestå også efter at metallet er fjernet fra magnetfeltet, og metallet vil bevare sin magnetisme. Metaller som er i stand til at bevare deres magnetisme kaldes ferromagnetiske. På denne måde blev jernatomerne i magnetit sandsynligvis ensrettet af jordens magnetfelt dengang malmen antog fast form.
Jo større atomgrupper der rettes ind efter magnetfeltet, og jo mindre der orienteres tilfældigt, jo kraftigere en permanent magnet vil man få. Forskere har fundet at hvis man opvarmer metallet eller strækker det mens det befinder sig i et kraftigt magnetfelt, kan det maksimale antal atomgrupper fastholdes i magnetfeltets retning. På denne måde fremstilles kraftige, permanente magneter billigt.
Magnetisme i verdensrummet
Som tidligere nævnt er jorden selv en stor magnet. Hvad er årsagen til jordens magnetfelt? Nogle har ment at årsagen skulle findes i forekomster af magnetisk jernmalm i jorden. De har med andre ord betragtet jorden som en stor permanent magnet. Men senere er man kommet til det resultat at de høje temperaturer i jordens indre udelukker denne mulighed.
I dag er den almindeligt accepterede forklaring at vor klodes magnetfelt skyldes elektriske strømme i jordens kerne, i nogen grad i sammenhæng med jordens omdrejninger. Det har vist sig at andre planeter også er magnetiske. Det gælder især Jupiter, som har et magnetfelt der er langt kraftigere end vor jords. Også solen har et overordentlig kraftigt magnetfelt. Selv Mælkevejen, den galakse som indbefatter vor sol og i hundredvis af milliarder af andre stjerner, har vist sig at have et magnetfelt.
Den rolle som jordens magnetfelt spiller for livet på jorden, er netop ved at blive klarlagt af videnskaben. Et eksempel herpå ses i forbindelse med de voldsomme magnetiske storme på solens overflade, kaldet „solpletter“. Disse gigantiske områder med koncentrerede magnetfelter i den hede solatmosfære dækker områder som er større end jorden, og deres magnetfelter er over tusind gange kraftigere end jordens. Solen sender en stadig strøm af elektrisk ladede partikler ud i rummet, et fænomen der kaldes „solvinden“. Denne „vind“ ville have ødelæggende virkning på livet her på jorden hvis ikke vort magnetfelt opfangede solpartiklerne ude i rummet før de kom i nærheden af atmosfæren. Feltet tvinger partiklernes bane ind i spiraler langs med de magnetiske kraftlinjer og leder dem ind i atmosfæren i de nordlige og sydlige polarområder. Alligevel kan vi kort efter en kraftig magnetisk storm på solen forvente en geomagnetisk storm der forstyrrer vor radiotransmission, radar og endda vor kraftforsyning. Den frembringer også det „himmelske fyrværkeri“ som kaldes aurora borealis og aurora australis, eller „nordlys“ og „sydlys“.
Jordens magnetfelt beskytter os også mod en del af den ødelæggende kosmiske stråling ved at lede den mod polerne. Endnu forstår vi sandsynligvis ikke fuldt ud på hvor mange måder denne magnetiske „pude“ er til gavn for os, men det bliver efterhånden tydeligere at jordens magnetisme spiller en stor rolle for livet på jorden.
Elektricitet og magnetisme
Grunden til magnetismens store anvendelighed skal findes i dens slægtskab med elektriciteten. Det er en meget svag elektrisk strøm inden i atomet der fremkalder magnetismen. Ja, faktisk er magnetisme og elektricitet så nært beslægtede at den ene skaber den anden. Hvordan kan det forklares?
Elektricitet som strømmer gennem en ledning gør denne magnetisk. Ganske vist kan ledningen ikke tiltrække andre metaller, for magnetfeltet omkring den er cirkelformet og uden poler; men hvis ledningen spoles op i en rulle vil magnetfeltet omkring hver vinding forstærke sin nabo, og det vil resultere i ét kraftigt magnetfelt. Jo flere vindinger der er, jo stærkere bliver magneten. Denne magnet kan tændes og slukkes, simpelt hen ved at man tænder og slukker for elektriciteten som strømmer igennem den. Hvis der ingen elektrisk strøm er, er der intet magnetfelt. Denne type magnet kaldes en elektromagnet.
Et simpelt eksempel på en elektromagnet i brug er en „ding-dong“-dørklokke. Når man trykker på knappen, strømmer der elektricitet igennem elektromagneten, som tiltrækker et stykke metal ophængt i en fjeder. På sin vej mod elektromagneten rammer metallet en klokke. Når man slipper knappen, slipper elektromagneten også metallet, som fjedrer tilbage og rammer en anden klokke på vejen. Med denne funktion, dog ofte med en mere kompliceret mekanik, er magneter og elektromagneter blevet kernen i de fleste elektriske apparater.
Elektromotorer arbejder ved hjælp af elektromagneter. For at forklare det kort, så sættes elektromagneter sammen i en cirkel, og ved at der tændes og slukkes for de enkelte magneter med bestemte mellemrum, vil magneternes tiltræknings- og frastødningskraft få et anker som er anbragt midt i cirkelen, til at spinde rundt. Sådanne elektromotorer, både store og små, kan bruges til mange ting, lige fra at dreje viserne på et el-ur til at trække et S-tog.
Kontakter, relæer, solenoider, måleinstrumenter og mange andre apparater fra el-industrien bygger på dette simple forhold mellem elektricitet og magnetisme. Elektromagneter i højttalerne til radioen, fjernsynet eller stereoforstærkeren omformer elektriske impulser til lyd med helt utrolig præcision. Ja, magnetisme gør det muligt for dig at lave en båndoptagelse af din søns første ord, eller din datters første violinsolo, og at genopleve disse uforglemmelige stunder flere år efter.
En elektronstråle som er præcist styret af magnetfelter frembringer billedet på fjernsynsskærmen. Den samme metode anvendes når forskere betragter uendeligt små ting gennem et elektronmikroskop.
Elektricitetens slægtskab med magnetisme anvendes også den modsatte vej. De generatorer der frembringer elektricitet bygger på magnetisme. Man anbringer kraftige permanente magneter i en cirkel, og ved hjælp af en turbine drevet af damp eller vand får man en spole metaltråd til at rotere i de kraftige magnetfelter. Denne bevægelse frembringer en elektrisk strøm i metaltråden, en strøm som derefter omformes til en anvendelig styrke og sendes ud til forbrugerne.
Det er ingen overdrivelse at påstå at hele el-industrien skylder denne vidunderlige kraft vi kalder magnetisme, sin eksistens.
Store fremtidsmuligheder
Der er stadig meget at lære om magnetisme, og jo mere forskerne lærer om denne kraft, jo flere anvendelser finder de for den. Til eksempel kan nævnes en ny teknik som kaldes magnetohydrodynamik (MHD), hvorved man vil kunne fremstille elektricitet billigere end i dag. De fleste større byer bruger dampturbiner til drift af deres el-generatorer, og fossilt brændstof som for eksempel kul afbrændes for at frembringe damp. Ved at anvende MHD vil man nu kunne fremstille elektricitet, ikke alene i generatoren men også i skorstenen. Hvordan? Det sker ved at de hede luftarter fra det brændende kul ledes gennem et magnetfelt så der frembringes en elektrisk strøm. Ved denne revolutionerende nye teknik kan man omforme energien i kul til elektricitet langt mere effektivt end ved nogen anden kendt teknik. Nogle forskere mener at mængden af elektricitet som frembringes ved hjælp af et ton kul vil stige 50 procent ved anvendelse af MHD. MHD overvejes også i forbindelse med visse typer atomkraftværker.
Også inden for samfærdsel gøres der fremskridt, idet man er ved at udvikle tog som „svæver“ over specielle skinner ved hjælp af magnetisme. Elektromagneter anbragt i toget og i skinnelegemet fastholder toget cirka 30 centimeter over styreskinnerne og kan føre toget frem med meget høje hastigheder. Forsøg i Tyskland og Japan godtgør at sådanne tog kan transportere passagerer med en hastighed på 300 kilometer i timen. Hurtige transportsystemer som på denne måde anvender magnetisme har både økonomiske og miljømæssige fordele. For eksempel er der ingen bevægelige dele som slides, der bruges mindre energi, og de hverken støjer eller forurener.
Efterhånden som vor kundskab om denne dynamiske kraft i vort univers øges, kan det meget vel få os til at grunde mere over Skaberens storhed. — Sl. 147:5; Es. 40:26.
[Illustration på side 17]
(Tekstens opstilling ses i den trykte publikation)
I umagnetiseret metal peger atomgruppernes magnetiske poler i alle retninger
Når metallet magnetiseres ordner atomgrupperne sig parallelt med hinanden
[Illustration på side 18]
(Tekstens opstilling ses i den trykte publikation)
Magnetfeltet omkring en strømførende ledning er cirkelformet, og uden poler
I en ledningsspole vil den elektriske strøm skabe en elektromagnet med to magnetiske poler
[Illustration på side 19]
(Tekstens opstilling ses i den trykte publikation)
Hurtigtog som „svæver“ over specielle skinner ved hjælp af magnetisme er på udviklingsstadiet