Magnetismen — en kraftfull tjänare åt människan

MAGNETISMEN — vad skulle livet i denna moderna tidsålder vara utan den? Den förser oss ju med elektricitet, som värmer upp våra hem, lyser upp våra vägar, hjälper till att laga vår mat och dagligen utför många mödosamma sysslor för oss! Vi skulle inte kunna njuta av fin musik i radio, se ett TV-program eller ens ta en telefon och ringa en vän, om det inte vore för magnetismen.

Någonting som förknippas med denna speciella kraft är det som kineserna kallade ”stenen som slickar upp järn”. Sjömännen gav den namnet ledsten, vilket betyder ”stenen som visar vägen”. Vi kallar den magnet, ett namn som kommer från malmen magnetit, som förekom rikligt i Magnesia, ett område i Mindre Asien. Oberoende av namnet var det emellertid den mystiska kraften i stenen som gjorde den lika värdefull som guld. Kungar fascinerades av den. Sjömän brukade ta ut kursen över haven med hjälp av ett litet stycke av den. Hedningar trodde att gudarna skickat stenen för att ge dem vägledning. Trots all den uppmärksamhet den fick, skulle dock ingen i den forntida världen ha kunnat förutse de oerhörda möjligheterna i den kraft som vi kallar magnetism.

Nu för tiden är det lätt att få tag på en magnet. Fastän magnetmalm inte är allmänt tillgänglig, kan man köpa mycket starka människogjorda magneter till ett lågt pris. Många barn har roat sig i timmar genom att leka med ett par små magneter. Magneter är faktiskt så vanliga numera att man ofta inte lägger märke till dem.

Men vad är då magnetism? Hur påverkar den oss? Vad är orsaken till dess mystiska kraft? Låt oss ta en närmare titt på denne kraftfulle tjänare åt människan.

Magnetismens egenskaper

Några experiment med två stavformade magneter kommer att hjälpa oss att urskilja några grundläggande drag hos magnetismen. Lägg en bit papper över den första magneten och strö några järnfilspån (sådana man får av en spik) på papperet. Om du knackar litet lätt med fingret några gånger på papperet, kommer det att få till resultat att dessa spån bildar ett egendomligt mönster. Lägg märke till att alla de små järnbitarna samlar sig i linjer som tycks löpa ut från magnetens ena ända mot den andra. Här iakttar vi bara en liten del av det magnetiska fältet. Dessa osynliga linjer av magnetisk kraft omger i själva verket magneten helt och hållet, åt alla håll. De områden på magnetens båda ändar där alla dessa linjer går ihop kallas poler. Varje magnet har två poler, som inte kan skiljas från varandra. Om vi skulle dela vår magnet på mitten, skulle resultatet inte bli två halvmagneter med var sin pol. Vi skulle i stället få två fullständiga magneter, som båda skulle ha två poler, precis som den ursprungliga magneten.

När vi nu påvisat det magnetiska fältet och identifierat magnetens två poler, kan vi studera en annan mycket intressant egenskap hos magnetismen. Bind en tråd runt mitten av magneten och häng upp den i luften. Du kommer att lägga märke till att magnetens ena ända vrider sig tills den pekar mot norr. Om du vänder bort den, kommer den alltid att vrida sig tillbaka mot norr. Den pol på magneten som pekar mot norr kallas nordpol och den som pekar mot söder sydpol. Denna egenskap hos magnetismen ligger till grund för kompassen. Men vad är det som orsakar detta fenomen?

För att få reda på det måste vi använda den andra magneten. På varje magnet märker vi ut den pol som pekar mot norr med ett N och den som pekar mot söder med ett S. Ta sedan en magnet i varje hand och för den N-märkta delen av ena magneten i närheten av den S-märkta på den andra. Vad händer nu? Det tycks finnas en osynlig kraft som drar dem mot varandra. Men ändra läget på den ena magneten och för de N-märkta eller S-märkta delarna tillsamman — kraften tycks nu stöta dem bort från varandra. Detta påvisar en oföränderlig lag när det gäller magnetismen: Oliknämnda poler attraherar alltid varandra, liknämnda poler stöter alltid bort varandra.

Det är därför som den ena ändan av magneten alltid dras mot norr. Jorden har själv ett magnetiskt fält, precis som stavmagneten har. Detta fält sträcker sig långt ut i rymden och går ihop vid var och en av jordens poler. En magnets nordpol attraheras alltid av ett område nära den geografiska nordpolen (som alltså är magnetisk sydpol) på ”magneten jorden”, medan den stöts bort av ett område nära den geografiska sydpolen.

Den egenskap som förmodligen är mest välkänd hos magnetismen är dess förmåga att attrahera metaller. Inte alla metaller dras emellertid till en magnet. Mässing, aluminium, guld och silver attraheras inte till en magnet, medan järn, stål, nickel, kobolt, krom och andra metaller däremot attraheras, fastän i olika grad. Något som är intressant är att dragningskraften hos en magnet är lika vid båda poler. Därför attraheras till exempel en järnspik lika starkt vid båda ändar av vår stavmagnet.

Vår granskning av dessa grundläggande egenskaper hos magnetismen innebär ändå att vi har många viktiga frågor obesvarade. Vad är källan till denna kraft? Ja, vad är det i själva verket som orsakar magnetismen? Och varför är inte alla metaller magnetiska?

Orsaken till magnetismen

För att besvara de föregående frågorna måste vi undersöka materiens grundläggande byggkloss, atomen. Den består av en tätt packad kärna, som utgörs av protoner och neutroner, med ett varierande antal elektroner som cirklar runt den, i stort sett på samma sätt som planeterna i vårt solsystem kretsar runt solen. Denna elektronrörelse ger faktiskt upphov till en mycket svag magnetisk kraft inuti atomen. De flesta elektroner uppträder parvis på ett sådant sätt att deras magnetiska fält upphäver varandra. När alla elektroner i en atom uppträder parvis, befinner sig magnetfältet i nolläge. Metaller som är sammansatta av sådana atomer är omagnetiska.

Men om atomen har oparade elektroner, har den ett nettovärde när det gäller det magnetiska momentet, som vetenskapsmännen kallar det. Styrkan på detta magnetiska moment avgör det läge atomerna intar i fast metall. I de flesta metaller är rörelserna hos atomerna vid normala temperaturer tillräckligt stora för att övervinna de magnetiska krafterna, och de atomstora magneterna inriktas åt olika håll utan någon särskild ordning. Nettoprodukten av magnetiska fält i ett stort antal atomer uppgår i genomsnitt till noll.

Magnetism kan emellertid induceras i sådana metaller, när de placeras i ett annat magnetiskt fält. Krom är en sådan metall. Styrkan på magnetfältet får atomerna att inta parallella inriktningar. Så snart denna metall avlägsnas från fältet, tar emellertid den termiska aktiviteten (atomernas rörelser som ökar med temperaturen) överhanden igen, och detta förstör inriktningarna. Krommetallen förlorar sin magnetism. Sådana metaller, som inte behåller sin magnetism, kallas paramagnetiska.

I motsats härtill har de individuella atomerna mycket starkare magnetiskt moment i somliga metaller, bland andra järn, kobolt och nickel. Dessa är så starka att när atomerna kristalliserar från ett flytande tillstånd, påverkas atomen av sin granne, och klungor av atomer riktar in sig med sina magnetiska axlar parallella. Varje sådan grupp blir i själva verket en liten magnet. Dessa klungor är emellertid av mikroskopisk storlek och är inriktade åt olika håll i nygjutet gods. En vanlig spik, till exempel, är därför inte en magnet.

Men om ett järnstycke placeras i ett magnetiskt fält, visar de grupper som råkar ha fältets inriktning en tendens att växa på bekostnad av intilliggande grupper genom att dra intilliggande atomer med i samma inriktning som de själva. Denna process förstärks om metallen upphettas eller utsätts för belastning, exempelvis genom dragning. Den inriktning som uppstår på detta sätt består när järnet avlägsnas från fältet. På så sätt har metallen blivit en permanent magnet. Sådana metaller som kan magnetiseras för beständigt kallas ferromagnetiska. Järnatomerna i magnetit fick denna inriktning, tydligen genom jordens magnetfält, när malmen kristalliserade.

Ju större grupperna är som har samma inriktning som fältet och ju färre som är inriktade åt olika håll, desto kraftigare kommer den uppkomna permanenta magneten att vara. Vetenskapsmännen har funnit att flertalet atomgrupper kan inriktas åt samma håll för beständigt genom att metallen utsätts för hetta eller påfrestning, medan den befinner sig i ett starkt magnetiskt fält. På detta sätt kan man framställa permanenta magneter av stor styrka på ett ekonomiskt sätt.

Magnetism i rymden

Som tidigare nämnts är jorden själv en stor magnet. Vad är det som orsakar detta jordklots magnetiska fält? Somliga har ansett att det uppstod på grund av de naturliga magnetiska malmerna inuti jorden. Man har med andra ord betraktat jorden som en jättelik permanent magnet. Men på senare tid har man funnit att den mycket höga inre temperaturen i jorden utesluter den möjligheten.

Den vanligaste godtagna förklaringen i dag är att vårt jordklots magnetiska fält är resultatet av elektriska strömmar i jordens kärna, vilket på något sätt är förbundet med jordens rotation runt sin axel. Det finns bevis för att också andra planeter är magnetiska. Framför allt Jupiter har ett fält som är mycket starkare än jordens. Solen själv har också ett oerhört starkt magnetiskt fält. Till och med Vintergatan, den galax som omfattar vår sol och några hundra millioner andra stjärnor, företer bevis på att den har ett magnetiskt fält.

Den roll som jordens magnetfält spelar i att bevara liv håller just på att uppdagas av vetenskapsmännen. Ett exempel på detta kan ses i samband med de häftiga magnetstormarna på ytan av vår sol (kända som ”solfläckar”). De jättelika områdena med koncentrerade magnetfält i den heta solatmosfären täcker faktiskt ytor som är större än jorden och har magnetfält som är mer än tusen gånger så starka som vårt jordklots. Solen sänder oupphörligt ut strömmar i rymden med elektriskt laddade partiklar, vilka kallas ”solvind”. Denna vind skulle vara förödande för livet på jorden, men vårt magnetfält fångar solpartiklarna ute i rymden, innan de ens når atmosfären. Den böjer deras bana i spiraler runt linjerna i magnetkraften och slussar dem ner i atmosfären i de norra och södra polartrakterna. Trots detta kan vi, när det inträffar en svår magnetstorm på solen, kort efteråt vänta oss en geomagnetisk storm, som avbryter radioutsändningar, radar och även elkraftdistributionen. Den frambringar också de stora ”fyrverkeriuppvisningarna” som kallas aurora borealis och aurora australis, ”norrskenet” och ”söderskenet”.

Jordens magnetfält bidrar också till att skydda oss mot de skadligaste kosmiska strålarna genom att avleda dem till polarbreddgraderna. Förmodligen inser vi inte ännu till fullo hur många sätt det finns på vilka denna magnetiska ”kudde” är till nytta för oss. Det blir emellertid allt tydligare att vår planets magnetism spelar en nyckelroll i bevarandet av liv.

Elektricitet och magnetism

Magnetismens förmåga att tjäna mänskligheten har framför allt att göra med dess samband med elektriciteten. Kom ihåg att den mycket svaga elektriska strömmen inuti atomen ger magnetism i första hand. Det är faktiskt så att magnetism och elektricitet är så närbesläktade att det ena ger upphov åt det andra. Hur kan det komma sig?

Elektricitet som flyter genom en tråd får denna tråd att bli magnetisk. Nej, tråden attraherar inte andra metaller, därför att magnetfältet omger tråden i ett cirkelmönster, som inte har några bestämda poler. Men om tråden lindas upp som sytråd på en spole, förstärker magnetfältet runt varje lindning det intilliggande och ger upphov till ett stort magnetfält. Ju större antal varv eller lindningar med tråd, desto starkare blir magneten. Denna magnet kan kopplas på och av helt enkelt genom att man kopplar på och av den elektricitet som flyter genom den. Om det inte finns någon elektrisk ström, finns det inte något magnetfält. Denna typ av magnet kallas elektromagnet.

Ett enkelt exempel på en elektromagnet i funktion är den vanliga dörrklockan. När man trycker på knappen, flyter elektricitet genom en elektromagnet och attraherar ett svängbart metallstycke. I sin rörelse mot elektromagneten träffar metallen en klocka. När man släpper knappen, släpper elektromagneten metallen, och när den fjädrar tillbaka till sitt ursprungliga läge, träffar den en annan klocka och ger upphov till det välbekanta ”ding-dong”. På detta sätt och ibland på mera invecklade sätt utgör magneter och elektromagneter hjärtat på de flesta elektriska apparater.

Elektriska motorer grundar sig på elektromagneten. För att förklara det enkelt är det så att elektromagneter som är ordnade i en cirkel kopplas på och av med exakt tidsinställda intervaller, och de attraherande/bortdrivande egenskaperna i magneten får ett ankare att snurra inuti cirkeln. På så sätt utför elektriska motorer av varierande styrka många mödosamma sysslor för oss, från det att driva visarna på våra klockor till att få tunga pendeltåg att rusa fram mot sina mål.

Strömbrytare, reläer, solenoider (trådspolar), mätare och många andra instrument i den elektriska industrin är baserade på detta enkla förhållande mellan elektricitet och magnetism. Tänk på hur magnetismen tillåter ljudet av din röst att överföras via telefontrådar till dem som du älskar och sedan gör det möjligt för dig att höra deras röster till svar! Elektromagneter inuti högtalarna på din radio, televisionsapparat eller stereoanläggning förvandlar elektriska impulser till ljud och återger originalet med förvånansvärd trohet. Ja, magnetismen gör det möjligt för dig att göra en bandinspelning av din sons första ord eller din dotters första violinsolo och att återuppleva dessa dyrbara ögonblick åratal senare.

Det är en elektronstråle, som fokuseras med exakthet av magnetiska fält, som frambringar bilden på din televisionsapparat. Just denna fokusering av elektronstrålar genom magnetism tillåter vetenskapsmännen att med hjälp av elektronmikroskop blicka in i en värld med oerhört små mått.

Elektricitetens förhållande till magnetismen verkar även i motsatt riktning. Generatorerna som alstrar elektricitet är beroende av magnetismen. Kraftfulla elektromagneter är ordnade i en cirkel, och turbiner, som drivs av ånga eller vatten, får upplindad tråd att rotera genom dessa kraftfulla magnetiska fält. Denna rörelse hos tråden får en elektrisk ström att flyta fram i den. Sedan transformeras denna ström till en passande spänning och leds vidare till våra hem.

Det skulle inte vara en överdrift att säga att hela den elektriska industrin inte skulle existera i dag, om det inte vore för denne kraftfulle tjänare åt människan, som vi kallar magnetism.

Stora möjligheter

Det finns ännu mycket att lära om magnetismen, och ju mer vetenskapsmännen lär sig om denna kraft, desto fler användningsområden finner de för den. Det finns till exempel en ny teknologi som kallas magnetohydrodynamik (MHD), som lovar att göra produktionen av elektricitet ännu mera ekonomisk än den är i dag. De flesta större städer använder nu ångturbiner till att driva sina generatorer, och fossila bränslen såsom kol förbränns för att frambringa ångan. Med hjälp av MHD skulle det dock vara möjligt att producera elektricitet inte bara i generatorn utan också i skorstenen. Hur då? Jo, när heta gaser, som uppstår vid förbränningen av kolet, fås att passera genom ett magnetiskt fält, alstras en elektrisk ström. Detta revolutionerande nya system kan omvandla energin från kol till elektricitet och göra detta med större effektivitet än det är möjligt genom något annat system. Somliga forskare säger att man med hjälp av MHD kan få ut ända till 50 procent mer elkraft av ett ton kol. MHD har också föreslagits som en metod att utvinna kraft från vissa typer av kärnreaktorer.

Inom transportområdet gör man framsteg genom att utveckla tåg som ”flyger” ovanför speciella spår med hjälp av ”magnetiskt svävande”. Elektromagneter, som placerats i tåget och i spårbädden, får tåget att sväva tre decimeter ovanför ledbanorna, och det kan sedan framdrivas i avsevärda hastigheter. Prov i Tyskland och Japan visar att sådana tåg kan förflytta passagerare i hastigheter på ända upp till 300 kilometer i timmen. Transportsystem för höga hastigheter baserade på magnetiskt svävande har både ekonomiska och miljömässiga fördelar framför andra system. Det finns till exempel inga rörliga delar som kan slitas ut, mindre kvantiteter energi förbrukas, och de är renliga och tystgående, när de är i drift.

Människan har bara börjat att ”skrapa på ytan” i sitt sökande efter flera användningsområden för magnetismen. Ökad kunskap om denna dynamiska kraft inom vårt universum kan också få oss att begrunda den styrka och makt som Jehova Gud äger, Skaparen av sådana krafter. Han är ”stor och väldig i kraft” och har gett upphov till magnetismen — denne kraftfulle tjänare åt människan! — Ps. 147:5; Jes. 40:26.

[Bild på sidan 19]

I omagnetiserade metaller är små atomgrupper ordnade med sina magnetiska poler riktade åt olika håll

När atomgrupper magnetiseras, riktar de in sig så att de ligger parallellt med varandra

[Bilder på sidan 20]

Det magnetiska fältet runt en tråd med elektricitet som flyter igenom den har formen av koncentriska cirklar och har inga bestämda poler

När tråden är upplindad, kommer elektrisk ström i den att få den att bli en elektromagnet med bestämda magnetiska poler

[Bild på sidan 21]

Tåg med höga hastigheter, som ”flyger” ovanför speciella spår med hjälp av ”magnetiskt svävande”, håller på att utvecklas