Hvordan fungerer en magnet?

Hvad er magneter lavet af? Hvordan laver man en magnet eller et magnetisk felt?

Med venlig hilsen Nanna Villadsen, København

Newton har talt med lektor Peter Ditlevsen fra Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet.

»For at svare på de tre spørgsmål er det bedst at tage dem i omvendt rækkefølge. Et magnetisk felt opstår, når der løber en elektrisk strøm. Det var en meget vigtig opdagelse, som den danske fysiker H.C. Ørsted gjorde i 1820’erne, hvor han viste, at en magnetnål drejede sig, når der løb en strøm igennem en ledning tæt ved magnetnålen. Han viste dermed, at elektricitet og magnetisme er to sider af samme fænomen, som derfor kaldes elektromagnetisme.

For at forstærke skabelsen af et magnetfelt fra effekten af strømmen i en ledning ruller man ledningen op i en spole, således at hver vinding i spolen giver et bidrag til magnetfeltet. Magnetfeltet er kraftigt inden i spolen, hvor det peger i retning af spolens akse.

En strøm er udtryk for elektroners bevægelse i elektriske felter. Så omskabelse af strøm til magnetisme og omvendt er udtryk for en vekselvirkning mellem elektriske og magnetiske felter. Dette kan også optræde uden tilstedeværelsen af ladninger i form af elektromagnetiske bølger, som udbreder sig igennem rummet.

Men hvordan laver man en magnet? Som sagt skabes et magnetfelt af strøm. Dette kan være strømme i et materiale, hvor nogle af elektronerne kan bevæge sig frit. Det gælder for metaller, som er ledende materialer. Hver elektron kan opfattes som en lille strøm, der inducerer et lille magnetfelt. For at være nøjagtig er det elektronens såkaldte spin, der skaber magnetfeltet. Spin er en kvantemekanisk effekt, der kan opfattes som, at elektronen snurrer om sig selv. Dette er dog kun et billede; der findes ingen hverdags-agtig analogi til elektronens spin. Hver elektron i materialet skaber et lille magnetfelt i en tilfældig retning.

Når det er tilfældet, vil det samlede magnetfelt, som er summen af alle de små magnetfelter, være nul, da de peger i alle retninger. Hvis nu det magnetiske materiale bringes ind i et magnetfelt (for eksempel fra en spole), så vil det generere strøm i materialet, altså bevægelse af elektronerne. Disse vil rette deres spin efter det påtrykte magnetfelt og dermed forstærke dette. Alle de små magnetfelter fra elektronerne i materialet peger nu i samme retning, som de bibeholder, efter at det påtrykte magnetfelt er fjernet. Vi har dermed magnetiseret materialet og skabt en permanent magnet.

Jern er et godt materiale til magneter. Alle materialer består af atomer. Krystallinske materialer, som metaller, holdes sammen af en tiltrækning imellem naboatomerne. Disse vekselvirkninger med naboatomerne gør også, at de elektroner, der bærer det spin, som er ansvarligt for magnetfeltet, påvirkes af spindet fra nabo-elektronerne. I nogle materialer er det mest gunstigt, at elektronernes spin alle peger i samme retning. Det er den tilstand, der kan skabes med mindst mulig energi. Dette er en nødvendighed, for at materialet kan være en permanent magnet. Det gælder for jern, hvorfor disse materialer kaldes ferro-magnetiske (ferrum er latin for jern).«