Magnetismi – ihmisen voimakas palvelija
MILLAISTA nykyajan elämä olisikaan ilman magnetismia? Sen ansiosta meillä on sähköä, joka lämmittää kotimme, valaisee liikenneväylämme, keittää ruokamme ja suorittaa puolestamme monia jokapäiväisiä askareita! Jollei magnetismia olisi, emme voisi kuunnella radiosta hienoa musiikkia, katsella televisiosta ohjelmaa tai edes nostaa kuuloketta ja soittaa ystävälle.
Puhuessaan tästä tavattomasta voimasta kiinalaiset käyttivät ilmaisua ”kivi, joka latkii raudan suuhunsa”. Merenkävijät kutsuivat sitä ”johtokiveksi”, ”kiveksi, joka johtaa”. Nimi magneetti, jota me käytämme, johtuu magnetiittimalmista, jota oli runsaasti Magnesian alueella Vähässä-Aasiassa. Nimestään huolimatta tämä magneettikivi oli yhtä arvokasta kuin kulta, koska siinä piili salaperäinen voima. Se lumosi kuninkaita. Merenkulkijoilla oli tapana suunnistaa merillä siitä lohkaistun pienen sirun avulla. Pakanat uskoivat jumalien lähettäneen kiven opastamaan heitä. Mutta vaikka tämä voima, jota me kutsumme magnetismiksi, herätti jo muinoin kovasti huomiota, ei kukaan kyennyt silloin ennustamaan, mihin kaikkeen sitä tultaisiin vielä käyttämään.
Magneetin hankkiminen on nykyään helppoa. Vaikka magnetiittimalmia ei ole yleisesti saatavana, voimakkaita keinotekoisia magneetteja voidaan ostaa halvalla. Moni lapsi on löytänyt parista pienestä magneetista huvia tuntikausiksi. Oikeastaan magneetteja on nykyään niin paljon, että ne jäävät usein huomaamatta.
Mutta mitä magnetismi oikeastaan on? Miten se vaikuttaa meihin? Mikä on sen salaperäisen voiman lähde? Tutustukaamme lähemmin tähän ihmisen voimakkaaseen palvelijaan.
Magnetismin ominaispiirteet
Kun teemme kahdella tankomagneetilla muutamia kokeita, se auttaa meitä ymmärtämään joitakin magnetismin perusperiaatteita. Pane toinen magneetti pöydälle, aseta paperinpalanen magneetin päälle ja sirottele hiukan rautaviilajauhetta paperille. Jos naputtelet paperia kevyesti sormella, jauho järjestyy erikoiseen muotoon. Pane merkille, että kaikki rautajauhohiukkaset asettuvat viivoiksi, jotka näyttävät kiertyvän ulospäin magneetin toisesta päästä kohti sen toista päätä. Se, mitä nyt näemme, muodostaa vain pienen osan magneettikentästä. Magneettikentän näkymättömät voimaviivat todellisuudessa ympäröivät magneettia täysin joka puolelta. Niitä magneetin molemmissa päissä olevia alueita, joissa kaikki nämä viivat kaartuvat yhteen, kutsutaan navoiksi. Jokaisessa magneetissa on kaksi napaa, joita ei voida erottaa toisistaan. Jos sahaisimme tankomagneettimme kahtia, siitä ei tule kahta magneetin puolikasta, joissa kummassakin olisi yksi napa. Sen sijaan me saisimme kaksi täydellistä magneettia, joissa kummassakin on kaksi napaa kuten alkuperäisessä magneetissa.
Kun nyt olemme havainneet magneettikentän olemassaolon ja todenneet magneetilla olevan kaksi napaa, pankaamme merkille vielä yksi hyvin mielenkiintoinen magnetismin ominaisuus. Sido lanka magneetin keskelle ja ripusta se ilmaan. Huomaat magneetin toisen pään heilahtelevan, kunnes se pysähtyy osoittamaan pohjoista. Jos siirrät sitä, se kiepsahtaa aina takaisin pohjoissuuntaan. Sitä magneetin napaa, joka osoittaa pohjoista, sanotaan pohjoishakuiseksi navaksi ja sitä, joka osoittaa etelään, sanotaan etelähakuiseksi navaksi. Kompassi perustuu tälle magnetismin ominaisuudelle. Mutta mikä aiheuttaa tämän ilmiön?
Sen selville saamiseksi tarvitsemme toista magneettia. Merkitsemme kummankin magneetin pohjoiseen kääntyvän navan N-navaksi ja toisen S-navaksi. Ota nyt yksi magneetti kumpaankin käteesi ja siirrä ne lähelle toisiaan siten, että N-napa ja S-napa tulevat toisiaan kohti. Mitä tapahtuu? Näkymätön voima näyttää vetävän niitä yhteen. Mutta jos käännät toisen magneetin niin, että N-navat tai S-navat joutuvat vastakkain, ne näyttävät hylkivän toisiaan saman voiman vaikutuksesta. Tämä valaisee sitä magnetismin muuttumatonta lakia, että erinimiset navat aina vetävät toisiaan puoleensa, kun taas samannimiset navat aina hylkivät toisiaan.
Sen takia magneetin toinen pää aina kääntyy pohjoista kohden. Maapallolla on aivan samanlainen magneettikenttä kuin tankomagneetilla. Tämä kenttä ulottuu kauas avaruuteen ja kiertyy maan molemmille navoille. ’’Maapallomagneetin” pohjoisnapa vetää siis aina puoleensa magneetin pohjoishakuista napaa, kun taas etelänapa hylkii sitä.
Luultavasti magnetismista tunnetaan parhaiten se, että se kykenee vetämään puoleensa metalleja. Magneetti ei kuitenkaan tartu kaikkiin metalleihin. Se ei vedä puoleensa messinkiä, alumiinia, kultaa ja hopeaa, kun taas rauta, teräs, nikkeli, koboltti, kromi ja muut metallit ovat sellaisia, joihin magneetti vaikuttaa, vaikkakaan ei kaikkiin samalla voimalla. On mielenkiintoista, että magneetin molemmat navat vetävät samanlaisella voimalla. Siksi esimerkiksi rautanaula tarttuu yhtä voimakkaasti tankomagneettimme kumpaankin päähän.
Kun olemme nyt tarkastelleet magnetismin perusominaisuuksia, eräät hyvin tärkeät kysymykset ovat vielä vastausta vailla. Mikä on tämän voiman lähde? Niin, mikä aiheuttaa magnetismin? Ja miksi kaikki metallit eivät ole magneettisia?
Magnetismin aiheuttajaa etsimässä
Vastataksemme edellä oleviin kysymyksiin meidän täytyy tutkia atomia, josta kaikki aine rakentuu. Siinä on protoneista ja neutroneista koostuva tiivis ydin, jota kiertää vaihteleva määrä elektroneja melkein samaan tapaan kuin aurinkokuntamme planeetat kiertävät aurinkoa. Tämä elektronien liike synnyttää atomin sisään erittäin pienen magneettisen voiman. Useimmat elektronit ovat parillisia siten, että niiden magneettikentät kumoavat toisensa. Kun kaikki atomin elektronit ovat parillisia, on sen kokonaismagneettikenttä nolla. Sellaisista atomeista muodostuvat metallit eivät ole magneettisia.
Mutta jos atomissa on parittomia elektroneja, tiedemiehet sanovat, että siihen jää magneettinen momentti. Atomit järjestyvät jähmeässä metallissa magneettisen momentin voimakkuuden perusteella. Useimmissa metalleissa tavallisissa lämpötiloissa tapahtuva atomien liike on tarpeeksi voimakasta kumoamaan magneettiset voimat, ja atomimagneetit ovat epäjärjestyksessä, sattumanvaraisesti suuntautuneina. Suurten atomimäärien magneettikenttien yhteisvaikutus on keskimäärin lähellä nollaa.
Sellaiset metallit voidaan kuitenkin saada magneettisiksi asettamalla ne toiseen magneettikenttään. Kromi on sellainen metalli. Magneettikentän voimasta atomit kääntyvät samaan suuntaan. Mutta heti kun se otetaan pois tästä kentästä, atomit joutuvat epäjärjestykseen, kun niiden oma lämpöliike pääsee jälleen vapaasti vaikuttamaan. Kromi menettää magnetisminsa. Tällaisia metalleja, jotka eivät pysy magneettisina, sanotaan paramagneettisiksi.
Toisaalta joidenkin metallien, kuten raudan, koboltin ja nikkelin, yksittäisillä atomeilla on paljon voimakkaammat magneettiset momentit. Ne ovat niin voimakkaita, että kun sulatetun metallin atomit kiteytyvät, yksittäinen atomi tuntee viereisen atomin vaikutuksen ja atomiryhmät asettuvat riviin siten, että niiden magneettiset akselit osoittavat samaan suuntaan. Jokaisesta tällaisesta ryhmästä tulee oikeastaan pieni magneetti. Nämä ryhmät ovat kuitenkin mikroskooppisen pieniä, ja vastavaletussa metallissa ne ovat sijoittuneet sattumanvaraisesti. Sen tähden esimerkiksi tavallinen rautanaula ei ole magneetti.
Mutta jos raudankappale asetetaan magneettikenttään, niillä ryhmillä, jotka sattuvat olemaan yhdensuuntaisia kentän kanssa, on taipumus kasvaa viereisten ryhmien kustannuksella ja vetää viereisiä atomeja kentän suuntaisiksi. Tämä toiminta kiihtyy, jos metallia kuumennetaan tai sitä rasitetaan esimerkiksi venyttämällä. Näin aikaansaatu samansuuntaisuus säilyy, kun raudankappale poistetaan kentästä. Täten metallista on tullut kestomagneetti. Sellaisia metalleja, jotka voidaan magnetoida pysyvästi, sanotaan ferromagneettisiksi. Ilmeisesti maan magneettikenttä asetti magnetiitin rauta-atomit sellaiseen järjestykseen jo silloin, kun magnetiittimalmi kiteytyi.
Mitä suurempia ovat magneettikentän suuntaiset ryhmät ja mitä pienempiä sattumanvaraisesti suuntautuneet ryhmät, sitä voimakkaampi pysyvä magneetti saadaan. Tiedemiehet ovat oppineet, että kuumentamalla tai rasittamalla voimakkaassa magneettikentässä olevaa metallia saadaan atomien ryhmät parhaiten pysyvästi kentän suuntaisiksi. Tällä menetelmällä voidaan taloudellisesti valmistaa voimakkaita pysyviä magneetteja.
Taivaankappaleitten magnetismi
Kuten edellä mainittiin, maapallo itse on suuri magneetti. Mikä aiheuttaa maan magneettikentän? Jotkut ovat ajatelleet, että se johtuu niistä maaperässä olevista malmeista, jotka ovat luonnostaan magneettisia. Toisin sanoen he ovat pitäneet maata valtavan suurena kestomagneettina. Mutta aivan äskettäin on havaittu, että maan sisässä vallitsevat erittäin korkeat lämpötilat sulkevat pois sen mahdollisuuden.
Nykyään yleisimmin hyväksytyn selityksen mukaan maapallomme magneettikenttä johtuu maan ytimessä kulkevista sähkövirroista, jotka ovat jollakin tavoin yhteydessä maan pyörimiseen akselinsa ympäri. On todisteita siitä, että muutkin planeetat ovat magneettisia. Erityisesti Jupiterilla on kenttä, joka on paljon maan kenttää voimakkaampi. Ja itse auringolla on äärettömän voimakas magneettikenttä. Jopa linnunradassamme, johon kuuluu noin sata miljardia tähteä, on todisteita magneettikentän olemassaolosta.
Tiedemiehet ovat aivan äsken tuoneet valoon sen, että maan magneettikentän tehtävänä on suojella elämää. Näin voidaan todeta tapahtuvan esimerkiksi aurinkomme pinnalla riehuvien ankarien magneettisten myrskyjen yhteydessä (jotka tunnetaan ”auringonpilkkuina”). Auringon kuumassa ilmakehässä olevat jättiläismäiset tiheiden magneettikenttien alueet ovat jopa suurempia kuin Maa, ja niiden magneettikentät ovat yli tuhat kertaa maapallomme magneettikenttää voimakkaampia. Aurinko syöksee jatkuvasti avaruuteen sähköisesti varautuneiden hiukkasten suihkuja, joita kutsutaan ”aurinkotuuleksi”. Tämä tuuli hävittäisi elämän maan päältä, jollei magneettikenttämme sieppaisi auringosta tulevia hiukkasia jo avaruudessa, ennen kuin ne edes saapuvat ilmakehään. Se muuttaa niiden reitit magneettisten voimaviivojen ympärillä oleviksi pyörteiksi ja johtaa ne kulkemaan ilmakehään pohjois- ja etelänapaseuduille. Siinä tapauksessa, että auringossa syntyy ankara magneettinen myrsky, voimme pian sen jälkeen odottaa ilmaantuvan maamagneettisia myrskyjä, jotka häiritsevät radiolähetyksiä, tutkaa ja jopa sähkövirran jakelua. Se aikaansaa myös revontulina tunnettuja mahtavia ”ilotulitusnäytelmiä”.
Maan magneettikenttä suojaa meitä myös kaikkein vaarallisimmilta kosmisilta säteiltä siten, että se ohjaa niiden reitit napaseuduille. Luultavasti emme vielä täysin käsitä, miten monilla tavoilla tämä magneettinen ”puskuri” hyödyttää meitä. Mutta on entistä ilmeisempää, että planeettamme magnetismi suojelee ratkaisevasti täällä vallitsevaa elämää.
Sähkö ja magnetismi
Magnetismin kyky palvella ihmiskuntaa johtuu erityisesti siitä, että se liittyy sähköön. Muista, että yksittäisessä atomissa oleva erittäin pieni sähkövirta on magnetismin ensisijainen aiheuttaja. Itse asiassa magnetismilla ja sähköllä on niin kiinteä vuorovaikutus, että ne aiheuttavat toinen toisensa. Kuinka se on mahdollista?
Johtimessa kulkeva sähkövirta saa johtimen magneettiseksi. Johdin ei kuitenkaan vedä puoleensa toisia metalleja, sillä magneettikenttä on rengasmaisesti johtimen ympärillä, eikä sillä ole selviä napoja. Mutta jos johdinta käämitään, niin jokaisen kierroksen ympärillä oleva magneettikenttä vahvistaa seuraavan kierroksen kenttää, ja lopulta niistä muodostuu yksi laaja magneettikenttä. Mitä useampia kierroksia johtimessa on, sitä voimakkaampi magneetti siitä syntyy. Tällaisen magneetin toiminta riippuu yksinkertaisesti siitä, kulkeeko siinä sähkövirta vai ei. Jos sähkövirta on poissa, ei ole magneettikenttääkään. Tällaista magneettia sanotaan sähkömagneetiksi.
Tavallinen ovikello on yksinkertainen esimerkki siitä, kuinka sähkömagneetti toimii. Kun painat nappia, sähkövirta kulkee sähkömagneetissa, joka vetää puoleensa saranoitua metallinpalaa. Kun metallinpala liikkuu sähkömagneettia kohti, se lyö mennessään kelloa. Kun hellität napista, pääsee metallinpalakin irti sähkömagneetista, ja kimmahtaessaan takaisin alkuasentoonsa se lyö vielä toista kelloa, ja niin syntyy tuttu ”ding-dong”-ääni. Useimpien sähkölaitteiden toiminta perustuu magneetteihin ja sähkömagneetteihin, jotka toimivat joko näin yksinkertaisella ja joskus paljon monimutkaisemmalla tavalla.
Sähkömoottoritkin perustuvat sähkömagneettiin. Niiden toimintaperiaate on yksinkertaistettuna seuraava: kehän muotoon asetetuissa sähkömagneeteissa virta on kytkettynä ja katkaistuna täsmällisesti ajoitettuina hetkinä, ja magneettien veto ja työntö pakottaa siten ankkurin pyörimään kehän sisällä. Näin erivahvuiset sähkömoottorit palvelevat meitä monin tavoin kellojemme osoittimien liikuttelemisesta aina raskaiden sähköjunien määräasemilleen kiidättämiseen saakka.
Kytkimet, releet, solenoidit, mittarit, mittavälineet sekä monet muut sähköteknisen teollisuuden valmistamat tarvikkeet perustuvat tälle samalle sähkön ja magnetismin yksinkertaiselle vuorovaikutukselle. Magnetismin avulla äänesi siirtyy puhelinlankoja pitkin niin, että sinulle läheiset ystävät kuulevat sen, ja samoin sinä voit kuulla heidän vastauksensa! Radiosi, televisiosi tai stereolaitteesi kaiuttimissa olevat sähkömagneetit muuttavat sähköimpulssit ääneksi, ja ne toistavat alkuperäisen äänen hämmästyttävän virheettömästi. Magnetismi sallii sinun nauhoittaa poikasi puhumat ensimmäiset sanat tai tyttäresi ensimmäisen viulunsoittoesityksen, ja voit elää uudelleen nuo kallisarvoiset tuokiot vielä vuosien perästä.
Magneettikenttien täsmällisesti säätämä elektronisuihku muodostaa televisiovastaanottimessasi näkyvän kuvan. Elektronimikroskoopeilla tiedemiehet voivat taas kurkistaa pienoismaailmaan, kun he käyttävät samoin magnetismin avulla säädettäviä elektronisuihkuja.
Sähkön ja magnetismin vuorovaikutus on mahdollista päinvastaisessakin järjestyksessä. Sähköä kehittävät generaattorit tarvitsevat magnetismia. Voimakkaat kestomagneetit asetetaan kehän muotoon, ja höyry- tai vesivoimalla käyvät turbiinit pyörittävät johdinkäämejä näissä voimakkaissa magneettikentissä. Kun johdin näin liikkuu, siihen syntyy sähkövirtaa. Sen jälkeen virran jännite muutetaan sopivaksi ja se jatkaa matkaansa koteihimme.
Liioittelematta voidaan sanoa, että ilman tätä ihmisen voimakasta palvelijaa, jota me kutsumme magnetismiksi, ei olisi koko nykyajan sähköteknistä teollisuuttakaan.
Suuret mahdollisuudet
Magnetismia ei vielä täysin tunneta, ja mitä paremmin tiedemiehet pääsevät perille tästä voimasta, sitä enemmän he löytävät sille käyttöä. Esimerkiksi magnetohydrodynamiikka (MHD), uusi teknologian haara, lupaa tehdä sähkön tuottamisen entistäkin taloudellisemmaksi. Nykyään höyryturbiinit pyörittävät generaattoreita useimmissa suurkaupungeissa, ja höyry kehitetään polttamalla fossiilipolttoaineita kuten kivihiiltä. Kuitenkin MHD:n avulla olisi mahdollista tuottaa sähköä ei vain generaattorissa vaan myös savupiipussa. Kuinka niin? Siten että kun kivihiilen palamisesta syntyvät kuumat kaasut johdetaan kulkemaan magneettikentän läpi, siinä syntyy sähkövirtaa. Tällä vallankumouksellisella uudella menetelmällä hiilestä saatava energia voidaan muuttaa sähköksi paljon tehokkaammin kuin millään muulla menetelmällä. Jotkut tutkijat sanovat, että kivihiilitonni tuottaa jopa 50 prosenttia enemmän sähköä MHD:n avulla. On myös ehdotettu, että tietynmallisten ydinreaktoreiden kehittämä energia otettaisiin talteen käyttämällä MHD-menetelmää.
Kuljetustekniikan alalla on tapahtunut edistystä, kun on kehitteillä junia, jotka liitävät erikoisvalmisteisten kiskojen päällä ”magneettisen levitaation” vaikutuksesta. Sekä junaan että kiskojen alustaan on asennettu sähkömagneetteja, joiden ansiosta juna kelluu ilmassa noin 30 senttimetrin korkeudella ohjaavien kiskojen yläpuolella ja liikkuu sitten eteenpäin huomattavan suurilla nopeuksilla. Saksassa ja Japanissa suoritetut kokeet osoittavat, että tällaiset junat voivat kiidättää matkustajia jopa 300 kilometrin tuntinopeudella. Magneettiseen levitaatioon perustuvat huippunopeat kuljetusjärjestelmät voittavat muut järjestelmät sekä taloudellisuudessa että ympäristön suojelun kannalta katsottuna. Esimerkiksi niissä ei ole liikkuvia osia, jotka kuluvat, ne kuluttavat vähemmän energiaa, eivät aiheuta saasteita ja liikkuvat äänettömästi.
Magnetismin uusien käyttötapojen etsinnässään ihminen ei ole vielä päässyt pintaa syvemmälle. Kun opimme paremmin tuntemaan tämän maailmankaikkeudessamme vallitsevan dynaamisen voiman, se voi hyvinkin saada meidät miettimään sitä, millainen mahti Jehova Jumalalla, tämän voiman Luojalla, on. Hänellä on ’runsaasti dynaamista energiaa ja väkevää voimaa’, ja hän on aikaansaanut magnetismin – ihmisen voimakkaan palvelijan! – Ps. 147:5; Jes. 40:26, UM.
[Kuvat s. 19]
Magnetoimattomissa metalleissa pienet atomeista muodostuvat ryhmät ovat asettuneet siten, että niiden magneettiset navat ovat sattumanvaraisesti suuntautuneita
Magnetoitaessa atomiryhmät järjestäytyvät samansuuntaisiksi riveiksi
[Kuvat s. 20]
Sähköjohtimen ympärillä oleva magneettikenttä muistuttaa munkkirinkilää, eikä sillä ole selviä napoja
Kun johdin käämitään, siinä kulkeva sähkövirta aikaansaa sähkömagneetin, jossa on selvät magneettiset navat
[Kuva s. 21]
Kehitteillä on huippunopeita junia, jotka liitävät erikoisvalmisteisten kiskojen päällä ”magneettisen levitaation” vaikutuksesta