8. Magneetti


Magneetti on jo kaikille tuttu peruskoulusta ja kotona on yleensä monenlaisia magneetteja kuten saksissa, ruuvimeisseleissä, jääkaapin magneettiset lukitukset, jääkaapin oviin kiinnitettävät koriste-esineet ym. Magneetissa on aina N- (north-) ja S- (south-) napa. N- eli pohjoisnapa on määritelty siten, että se on se napa, joka vapaasi ripustettuna kääntyy kohti pohjoista.

Tehtävä
Tutki missä kotonasi on magneetteja. Kokeile pienillä rautanauloilla tai teräsneuloilla. Varo tuomasta magneetteja tietokoneen levykkeiden läheisyyteen, koska magneettikenttä sekoittaa levykkeen magneettisesti tallennetut tiedot.

Magneettikenttä

Magneettista voimaa kuvataan samalla tavalla kentillä kuin sähkökenttääkin. Sähköinen dipoli, jossa on positiivinen ja negatiivinen varaus, tuottaa saman näköisen kentän kuin magneettisauva. Katso kuvaa yllä. Magneettikenttä muodostaa aina jatkuvan magneettisen piirin. Se kulkee magneetin ulkopuiolella N-navasta S-napaan ja jatkaa magneetin sisällä S-navasta N-napaan.

Sähköinen varaus voi olla yksinään, mutta magneetin N- ja S-navat ovat aina samassa magneetissa. Sähkövoimakin edellyttää toista erimerkkistä varausta. Positiivisen varauksen lähellä kenttä muistuttaa kenttää, jonka saamme magneettisauvan N-päästä ja negatiivisen varauksen kenttä muistuttaa S-pään kenttää.

Kestomagneetit ovat käyttötarkoituksestaan riippuen eri mallisia, esimerkiksi sauvamaisia, U-muotoisia, nappimaisia ja rengasmaisia.

Monet käyttöesineet ovat magneettisia kuten sakset ja ruuvimeisselit.

Maan magneettikenttä

Koska N-napa vetää S napaa on määritelmän mukaan maapallon pohjoinen magneettinen napa itse asiassa etelänapa. Magneettikenttä kulkee maapallon ulkopuolella etelästä pohjoiseen. Siinä on jatkuvasti pieniä vaihteluja..Maapallon navat eivät yhdy tarkasti mantieteellisiin napohin. Poikkeamaa kutsutaan deklinaatioksi. Maan magneettikenttä ei ole yleensä aivan vakasuora. Tätä poikkeamaa kutsutaan inklinaatioksi.

Harjoitus
Eräällä itäsuomalaisella paikkakunnalla on maan magneettikentän tiheys 52 mT, inklinaatiokulma 74° ja deklinaatio 8°. Laskettava

  1. maan magneettikentän tiheyden vaakasuora komponentti,
  2. pystykomponentti,
  3. yhden metrin mittaiseen vaakasuoraan itä-länsisuunnassa kulkevaan virtajohtimeen kohdistuva voima, kun johtimessa kulkee 100 A virta,
  4. edellinen kohta, kun johdin on pystyssä.

Linkkejä
Maan magneettikentän horisontaalikomponentti Suomessa (1998)
Maan magneettikentän inklinaatio Suomessa (1998)
Deklinaatio (eranto) Suomessa (1998)
Suomen magneettiset kartat
Geomagnetismi
Geofysiikan tutkimus
IMAGE-uutislehti (edellyttää Acrobat Readeria, jonka saat ilmaiseksi osoitteesta http://www.adobe.com/prodindex/acrobat/readstep.html ).
Geomagnetic data and models at NGDC

Liikkuva sähkövaraus

Paikallaan pysyvä sähkövaraus synnyttää ympärilleen sähkökentän. Liikkuva varaus saa lisäksi ympärilleen magneettikentän.

Kun positiivinen sähkövaraus liikkuu tasaisella nopeudella, syntyy sen ympärille myötäpäivää kiertävä magneettikenttä. Kun liike on kohtisuorasti pinnan sisään, kuvataan nopeutta ristillä ja ulostuloa pisteellä.

Sähkövirran suunta määriteltiin positiivisen varauksen kulkusuunnaksi. Virtajohtimen ympärille muodostuu myös magneettikenttä samoin kuin yksittäisen liikkuvan varauksen ympärille.

Sähkön ja magnetismin yhteys

Kun elektroni liikkuu atomin ympäri, indusoi sen elektronin varaus vastapäivään kiertävän magneettikentän. Näin koko atomista muodostuu magneetti, jossa on pohjois- ja etelänapa.

Tehtävä
Merkitse oheiseen kuvaan magneettikentän suunta ja nimeä navat.

Ferromagnetismi

Raudassa, nikkelissä ja koboltissa sekä monissa metalliseoksissa nämä atomaariset magneetit järjestyvät alueiksi, joissa alkeismagneeteilla on sama suunta. Näitä alueita kutsutaan ferromagneettisiksi domeeneiksi tai Blochhin alueiksi. Kun aine joutuu magneettikenttään, kentän suuntaisesti magnetoituneet alueet kasvavat ja vastakkaissuuntaisesti magnetoituneet alueet pienenevät. Näin aineen sisäinen magneettikenttä kasvaa herkästi ulkoisen kentän mukana. Kun ulkoinen kenttä kasvaa riittävästi, pyörähtävät lopulta kaikki alkeismagneetit kentän suuntaisiksi. Näin käyttäytyviä aineita kutsutaan ferromagneettisiksi aineiksi. Muilla aineilla lämpöliike sekoittaa alkeismagneetit niin, että yhtenäisiä alueita ei pääse syntymään. Niissä aineissa magneettikenttä kasvaa vain heikosti. Näitä aineita kutsutaan paramagneettisiksi aineiksi. On myös aineita, joissa ulkoinen magneettikenttä pienenee. Niitä kutsutaan diamagneettisiksi aineiksi.

Yhtenäisissä kiteissä ovat ferromagneettiset alueet selkeitä, mutta tavallisessa monirakeisessa metallissa alueet näyttävät melko mielivaltaisilta.

Kun lisäämme alkuaan magnetoitumattoman kappaleen ulkoista magneettikentän tiheyttä Bu kasvaa sisäinen magneettikentän tiheys Bs aluksi hitaasti, sillä pienet rakennevirheet estelevät alueiden seinämien siirtymistä. Suuremmilla kentillä seinämien siirtyminen on suhteellisen nopeaa, kunnes ne taas lukkiutuvat. Lopullinen magnetoituminen tapahtuu suuntien yhtäkkisinä pyörähdyksinä kunnes kenttä saavuttaa kyllästystilan.

Kun pienennämme jälleen ulkoista kenttää pienenee sisäinen kenttä, mutta se ei seuraa alkuperäistä käyrää. Sisäinen kenttä pienenee hitaasti. Kun ulkoinen kenttä on nolla, on sisäinen kenttä usein huomattava (remanenssi). Aineita, joilla remanenssi on suuri, kutsutaan magneettisesti koviksi aineiksi. Niistä saadaa hyviä kestomagneetteja. Magneettisesti pehmeiksi kutsutaan vastaavasti aineita, joiden remanenssi on pieni (meltorauta). Pehmeät aineet sopivat parhaiten releitten magneeteiksi, joiden pitää tulla magneetittomaksi heti, kun sähkövirta katkeaa.

Riittävän suuri vastakkaissuuntainen kenttä (koersitiivikenttä) saa sisäisen kentän nollaksi. Ulkoista kenttää, joka vie aineen takaisin magnetoitumattomaan tilaan, kutsutaan koersitiivikentäksi Hc.

Voimme jatkaa suurentamalla vastakkaissuuntaista kenttää kyllästystilaan asti ja taas takaisin. Vieläkään ei sisäinen kenttä jää nollaksi vaan tarvitaan lisäkenttä Hc.

Vaikka toistaisimme tätä kuinka monta kertaa kappale ei jää magnetoitumattomaan tilaan. Syntyvää silmukkaa kutsutaan hysteresiskäyräksi. Ensimmäinen piirretty käyrä on nimeltään neitseellinen käyrä.

Magneettikenttää kuvaavia suureita ovat magneettikentän voimakkuus H, magneettivuo sekä magneettivuon tiheys B. Palaamme niihin tarkemmin myöhemmin.

Kun ulkoisen magneettikentän voimakkuus on H, on aineen sisäinen magneettivuon tiheys B = µH, missä µ on kyseisen aineen permeabiliteetti. Ferromagneettisissa aineissa permeabiliteetti on suuri. Se merkitsee, että ferrromagneettisen aineen tuominen magneettikenttään voimistaa kenttään moninkertaiseksi. Paramagneettisissa aineissa permeabiliteetti on vähän suurempi kuin yksi eli kenttä vahvistuu vain vähän. Diamagneettisissa aineissa µ on vähän alle yksi eli kenttä pienenee vähän, kun siihen tuodaan diamagneettinen aine.

magneettikentän voimakkuus
magnetic field strength
magnetisk fältstyrka
magnetische Feldstärke, magnetische Erregung
champ magnétique

magneettivuon tiheys
magnetic flux density, magnetic induction
magnetisk flödestäthet
magnetische Flussdichte, magnetische Induktion
induction magnétique, densité de flux magnétique

magneettivuo
magnetic flux
magnetisk flöde
magnetischer Fluss
flux magnétique, flux d'induction magnétique

permeabiliteetti
(absolute) permeability
permeabilitet
Permeabilität
perméabilité