^2000 EM1 EM2 EM3 EM4 Aktiviteter Oppgaver  00UV  01UV 02UV  03UV 04UV 05UV

Elektrisitet og magnetisme 2:

Magnetisme

Erling Skaar (17.1.01)

Innhold:

Innledning om magnetisme

Historikk
Navnet magnet kommer sannsynligvis fra gresk magnetos lithos som betyr stein fra Magnesia i Lilleasia hvor det forekom magnetiske mineraler. Magnetitt (Fe₃O₄) er et magnetisk mineral som finnes i naturen. Magnetstein ble brukt i en form for kompass fra ca 700 f. Kr. W Gilberts skrev i 1600 den første vitenskapelige boka om magnetisme hvor det ble slått fast at jorda var en stor magnet og alle magneter hadde to poler som ble kalt nordpol og sørpol. Charles Coulomb (1736-1806) målte magnetiske krefter og fant at kreftene avtok som 1/r² nær polene. (Siden magneter alltid opptrer som dipoler, betyr det at de magnetiske kreftene avtar som 1/r³ lenger unna) Det var den danske læreren Hans Christian Ørsted (1777-1851) som i 1819 først oppdaget at elektrisk strøm var årsaken til magnetisme. Siden elektrisk strøm gjør at en spole blir magnetisk foreslo André Ampère (1775-1836) at magnetismen i ulike stoff skyldes elektriske strømmer i atomene.

Magnetisme i samfunnet
Små magneter er relativt vanlige i hverdagen i forbindelse med festing av ting til metaller og lukking av dører. Videre er magnetiske medier (kassett, diskett oa.) vanlige medier for å lagre informasjon. Magneter brukes også i kompass selv om elektroniske navigasjonssystem (GPS) har gjort kompasset overflødig i mange sammenhenger. Videre inngår magnetismen i såkalte elektromagnetiske system som vi da vil komme tilbake til. Så langt vil vi bare understreke at magnetismen er grunnleggende i mange sammenhenger.

Magnetisme i skolen
I læreplanverket for grunnskolen har magnetiske krefter fått mer plass enn elektriske krefter. Dette har nok sammenheng med at det finnes små rimelige permanente magneter som er enkle å bruke relativt langt nede i skoleverket. Men dette betyr ikke nødvendigvis at det er enkelt å undervise om magnetisme? Hovedmålet for grunnskolens virksomhet er at elevenes forståelse og ferdigheter skal øke i løpet av undervisningsperioden. Mange mener at magnetisme er det fysikktemaet som er vanskeligst å forstå. Litteraturen som beskriver magnetismen er da vanskelig, forvirrende og ofte selvmotsigende. Problemet er at vitenskapen tilsynelatende ikke er enig om hva magnetisme er og hvordan den skal beskrives. Dette skaper da problemer for lærerne som skal lære elevene om magnetisme. Selv om magnetene er stabile og forutsigbare slik at det sannsynligvis vil oppstå få problemer i demonstrasjoner og elevforsøk, så kan det være uheldig å presentere magneter i skolen om man ikke samtidig gir elevene tilfredsstillende forklaringer på de spørsmålene som naturlig dukker opp. Når det gjelder magneter finnes det endel vanlige feilforestillinger som kan skape problemer om de blir videreført til elevene. Et undervisningsopplegg som etterlater feiloppfatningen eller mange ubesvarte spørsmål kan gjøre at elever blir mindre motivert og mindre mottakelig for ny lærdom ved en senere anledning.

Hva skal så en usikker lærer gjøre for å unngå at elevene blir mer forvirret etter at undervisningsperioden om magnetisme er gjennomført. Generelt er det viktig å være ærlig i forhold til egne ferdigheter og i forhold til fagstoffet. Man bør da si at magnetismen er et vanskelig tema og elevene må derfor ikke forvente å forstå alt. I utgangspunktet så kan en slik opplysning virke demotiverende, men om vi samtidig sier at selv ekspertene har problemer med å forstå magnetismen, så kan det kanskje virke motiverende på noen. Vi har altså et fenomen som alle kan observere og som vår moderne vitenskap fortsatt ikke har forstått fullt ut. Vi skal ikke se bort fra at dette i seg selv kan fremme det vi kaller "vitenskapelig tenkemåte" blant elevene. I denne sammenhengen bør det nevnes at man kan treffe såkalte "eksperter" som vil hevde at det finnes gode kvantemekaniske forklaringer på magnetismen og det er derfor feil at moderne vitenskap ikke har forstått magnetismen full ut. Hvis man så spør vedkommende om hva magnetismen er ifølge disse forklaringene så vil han sannsynligvis si noe om at man må beherske en avansert matematikk for å forstå forklaringene. Min kommentar er da bare at det er litt rart at ekspertene kan slippe å bevise deres påståtte kompetanse ved å henvise til manglende kunnskap hos tilhøreren, mens andre må levere skriftlige eller praktiske dokumentasjoner på egne kunnskaper og ferdigheter. Erfaringer som lærer tilsier videre at det er først når vi kan formidle et fagstoff videre til andre at vi virkelig har forstått fagstoffet. Derfor er jeg skeptisk til dem som sier at de kan fagstoffet, men ikke kan formidle det videre til andre mennesker med vanlig allmennfaglig bakgrunn.

Hvorfor er magnetisme vanskelig?
Før den faglige presentasjonen av emnet magnetismen vil vi her gjøre oppmerksom på en problematisk side ved tradisjonell undervisning om magnetisme. På lavere trinn er det vanlig å presentere magnetisme som krefter som virker mellom nordpoler og sørpoler. Dette vil automatisk føre til at elevene anser at nordpol og sørpol er et viktig kjennetegn på magnetisme. Videre er det da naturlig å tenke at senere undervisning om magnetisme vil følge opp med å definere disse begrepene nærmere. I stedet opplever man at man slutter å bruke begrepene nordpol og sørpol ofte uten å kommentere det. De som trodde de forstod hva magnetisme var opplever da at polbegrepet har gått over fra å være et hjelpebegrep til å bli et forvirrende hinder for en dypere forståelse for magnetismen. Hva er så kjernen i dette problemet? Det vil vi kanskje best forstå om vi prøver å forstå hva en pol egentlig er. Om vi studerer nordpolene og sørpolene nærmere vil vi ikke finne noe spesielt som kan karakteriseres som "en pol som forårsaker magnetiske krefter". Dette er tydeligst om vi studerer en elektromagnet (strømførende spole) uten kjerne. Polene på en slik magnet er da steder i rommet hvor vi ikke finne noe som kan forårsake de magnetiske kreftene. Om vi videre studerer de magnetiske kreftene omkring en strømførende rett leder, så vil vi heller ikke kunne peke på et sted i rommet hvor vi har nordpol og sørpol. De kjente og kjære polene man strevde med å lære i grunnskolen løser seg på en måte opp til "ingenting". Problemet er da at disse magnetpolene ofte vil fortsette å oppføre seg som spøkelser som forvirrer oss hver gang vi seinere prøver å forstå hva magnetismen egentlig er.

Vi vil komme tilbake til alternative forklaringer på hva som kjennetegner magnetiske krefter. Her vil vi bare understreke at nordpol og sørpol egentlig er to "fremmedlegemer" eller "krykker" som kan hindre en god og rett utvikling av magnetismeforståelsen.

Konklusjonen så langt er da at det er naturlig om elevene har problemer med å forstå hva magnetisme er. Sannsynligvis er det de elevene som har forstått mest som vil gi de sterkeste tilbakemeldingene om at magnetisme er vanskelig å forstå. Om noen hevder at det er enkelt å forstå det fenomenet vi kaller magnetisme, så er det et tegn på at vedkommende ikke har forstått så mye av hva det handler om.

Finnes det en forståelig magnetismeforklaring?
Mens jeg har undervist om magnetisme i lærerutdanninga har jeg flere ganger fått spørsmål av typen: Hva er egentlig magnetisme? Selv syntes jeg det var rart at et slikt nært og kjent fenomen som magneter kunne fremstå som så vanskelig å få grep på rent tankemessig. Hver gang jeg følte at jeg var i ferd med å "bygge" ferdig en helhetlig tankebygning om magnetisme ramlet det hele sammen fordi byggesteinene likevel ikke passet sammen. Det samme skjedde da innen beslektede fysikkemner. Etter mange slike mislykkede forsøk på å forstå magnetismen ble det mer og mer klart for meg at magnetismebegrepet var grunnleggende innenfor fysikken, og om jeg kunne få dette på rett plass så ville sannsynligvis også andre brikker falle på plass. Høsten 1995 opplevde jeg da at jeg "så lyset i magnetismetunellen" og jeg vil her si at dette var det mest velkomne som var skjedd i hele min søking etter å forstå naturen. Jeg skrev om denne hendelsen i den 1995-utgaven av dette heftet, og resultatet ble at alt jeg hadde skrevet og ville komme til å skrive ble definert som uegnet som pensum i lærerutdanninga ved HVO. Årsaken til det tilhørende medieoppstyret var at jeg skrev at jeg opplevde at Gud hadde hjulpet meg til å forstå magnetismen, men dette var da ikke årsaken til det offisielle vedtaket i avdelingsstyret ifølge de offisielle papirene. Nå skal man være forsiktig med å spekulere i hva slags grunner man hadde for å stoppe alle heftene mine, men selv klarer jeg ikke å tolke det som skjedde på noen annen måte enn at det etablerte maktsystemet mislikte å høre om alternativer til det de selv representerer. Den sterkt overdrevne reaksjonen tyder videre på at noen innerst inne frykter at moderne fysikk (relativitetsteori og kvanteteori) vil få problemer i møte med alternative forklaringsmodeller i en faglig og saklig debatt. Det enkleste er da å stoppe alle alternativer med makt. De følgende magnetismeforklaringene er da ikke godkjent av det etablerte fysikere, men her vil jeg da bare oppfordre leseren til å selv vurdere om de er fornuftige og forståelig.

Fakta om magnetisme

Her begynner vi med en generell beskrivelse av hva magnetisme er:

Magnetiske krefter er noe annet enn elektriske krefter. De virker da tilsynelatende bare på noen stoff. Elektriske krefter virker derimot på alle stoff. Det at magnetiske krefter bare virker på noen bestemt stoff kan på den ene siden brukes for å sorterer ut magnetiske stoff fra en blanding av ulike stoff. Dessuten kan det brukes som en test på om de kreftene vi observerer er magnetiske eller om det er andre typer krefter. Merk ellers at det kan være vanskelig å skille mellom magneter og magnetiske stoff. Vanligvis sier vi at rent bløtt jern mister magnetismen når vi fjerner det fra en magnet, men ofte vil det henge igjen litt magnetisme en liten tid. Videre er det mulig å oppleve at stålmagneter som en gang har vært magneter har mistet all magnetismen og det blir da feil å kalle dem magneter. Det som skiller magneter fra magnetiske stoff er da hvor gode de er til å bevare en magnetismen som de en gang er blitt pådyttet, vanligvis fra en strømspole/elektromagnet. Når man lager en magnet plasserer man vanligvis et magnetisk stoff i en spole med svært stor strøm. Alle magnetiske stoff vil da bli magnetiske når de slik pådyttes et ytre magnetfelt. Noen legeringer (blandinger av ulike grunnstoffer) vil da kunne bevare en sterk magnetisme også etter at strømmen er slått av, og det er da disse vi kaller magneter eller faste magneter. Vi vil komme tilbake til elektromagneter seinere, og derfor får de liten plass i dette kapitlet.
Som nevnt tidligere er krefter såkalte vektorer som har både verdi og retning og om vi skal undervise om magnetiske krefter så kommer vi ikke utenom å snakke om retning til de magnetiske kreftene. Her følger så to måter å beskrive retningen til de magnetisk kreftene:

Dette er den vanlige måten som man forklarer magnetisme i de laveste klassene i grunnskolen. Tidligere har vi nevnt at det kan være uheldig å basere forståelsen av magnetismen på begrepene nordpol og sørpol slik som man tilsynelatende gjør her. Det er da et faktum at det ikke er de omtalte polene som er årsaken til de observerte magnetiske kreftene. Begrepene nordpol og sørpol har imidlertid sine fortrinn i endel praktiske situasjoner og det er derfor ingen grunn til å forby å bruke dem i fysikkundervisningen. Læreren bør imidlertid være klar over hvilke begrensninger som ligger i disse begrepene. Her vil vi også nevne et annet problem som dukker opp om vi bruker definisjonen ovenfor. I definisjonen ovenfor har vi føyet til ordene 'utenfor magnetene' for å sikre at definisjonen blir rett. Det er nemlig magnetiske krefter også inni en magnet, og om vi f.eks. putter en liten magnet inn i en elektromagnet eller i et hull i en større permanent magnet, så vil vi observere at det er like poler som tiltrekker hverandre, det motsatte av det som er nevnt ovenfor. En regel med mange unntak er en dårlig regel og det er derfor naturlig å se seg om etter en bedre regel som gjelder alltid.

Det finnes da en slik regel, men denne forutsetter da at man antar som Ampère gjorde, at all magnetisme har sin årsak i strøm eller ladningstransport. Det betyr da at vi tenker oss at det er en elektrisk strøm også i permanente magneter. Vi skal komme tilbake til hvordan vi kan forklare dette. Her vil vi da bare formulere den alternative lovmessigheten som gjelder for alle magnetiske krefter uten unntak:

Det enklest tenkelige demostrasjonsforsøket som viser denne lovmessigheten er vist skjematisk til høyre. Om to nære strømledere fører strøm samme vei vil de oppleve en tiltrekning, men om de fører strøm i motsatte retninger vil de oppleve frastøting slik som bøyingen av lederne antyder. Dette kan man enkelt demonstrere ved f.eks. å sende litt store strømmer gjennom strimler av aluminiumsfolie eller andre lett bøyelige ledere som henger fritt i nærheten av hverandre. Det er videre lett å overbevise seg at dette prinsippet også gjelder i de tilfellene vi har to elektromagneter hvor det går strøm gjennom begge spolene. Her er det viktig å være klar over at det virker krefter mellom alle delene av den ene spolen og alle delene av den andre spolen. Vi kan derfor betrakte de magnetiske kreftene som en kraftsum. I praksis er det imidlertid nok å konsentrere seg om de delene av de to spolene som ligger nærmest hverandre, for det er da mellom disse at kreftene er sterkest og disse vil da "overskygge" de andre kreftene.  

Hvis vi så ønsker å bruke denne lovmessigheten på permanente magneter så må vi erstatte rødmalingen som vanligvis viser nordpolen, med ei "strømpil" som viser den tenkte strømretningen inni magneten. Dette er illustrert til høyre og strømretningen finnes da ved hjelp av den såkalte høyrehåndsregelen. Hvis vi så har tegnet "strømpiler" på to magneter vil vi kunne plassere dem i alle mulige posisjoner i forhold til hverandre og i alle tilfellene vil vi se at regelen ovenfor gjelder. Hvorfor bruke da ikke denne regelen i lærebøker? Selv har jeg ikke sett den i noen bøker og en mulig forklaring kan da være at man rett og slett ikke har vært klar over at det er mulig å beskrive de magnetiske kreften på en slik enkel måte.

Eksempler på bruk av denne alternative modellen
Siden nordpoler og sørpoler er så innarbeidet i samfunnet vårt vil vi også bruke disse begrepene i dette heftet. Vi tar altså hensyn til tradisjonene. Erfaring har vist at det ikke er lurt å gå fort fram om man ønsker å gjøre endringer i samfunnet. Her vil vi likevel beskrive noen flere vanlige tilfeller ved hjelp av denne alternative modellen for å vise at den kan brukes i ulike situasjoner. Hvis vi prøver å anvende denne modellen på ei kompassnål som da er en permanent magnet så er det viktig å tenke på kompasset som en spole med strømretning i stedet for en stav med to poler. I en kompassnål vil det være en overvekt av ladninger som spinner i en retning, men i stedet for å tegne mange små sirkelstrømmer så erstatter vi disse med en større tenkt sirkelstrøm rundt midten av kompassnåla. Retningen av strømmen i forhold til nordpolen finner vi ved hjelp av høyrehåndsregelen. Hvis vi så plassere denne kompassnåla i nærheten av en vertikal strømførende leder, så får vi at kompassnåla vil innstille seg 90° i forhold til retningen til lederen fordi like strømretninger tiltrekker hverandre.

I videregående skole er det vanlig å tenke seg homogene magnetfelt i forbindelse med kvantitative oppgaver. Her vil vi da først nevne at det er inni spoler (og mellom poler med store overflater) man oppnår slike tilnærmet homogene magnetfelt. Siden det i prinsippet er det samme magnetfeltet det er snakk om i begge disse tilfellene, så vil vi her tenke oss at et homogent magnetfelt skyldes ladninger som går i sirkelbane rundt magnetfeltet (ikke over og under elektronbaneplanet). Om vi så sette et elektron som har negativ ladning, i bevegelse inni en slik sttrømspole så viser erfaringen at elektronet begynne å gå i en sirkelbane. Denne banen vil da alltid bli slik at de nærmeste elektronene i spolen og det løse elektronet har motsatt retning. Følgelig vil elektronet føle fraskyving fra hele strømspolen, noe som gir en sirkelbevegelse om startbetingelsene er ok. Merk at de magnetiske kreftene alltid virker på tvers av strømretningen. Det betyr at det ikke virker magnetiske krefter mellom ladninger som beveger seg 90° i forhold til hverandre.

Problemer med magnetfeltbegrepet
Så langt har vi vist at det finnes en alternativ forklaring som kan forklare magnetfenomen på en enkel og mer konsekvent måte. Generelt bør vi vurdere om denne forklaringen kan inngå som en tilleggsforklaring i skoleverket siden den er mer grunnleggende en de forklaringene som inkluderer poler og magnetfeltet B, men her vil vi altså ikke anbefale å kutte ut de tradisjonelle forklaringene "over natta".

Hovedgrunnen til at det tok lang tid før jeg oppdaget denne enkle regelen var nok at jeg tenkte at det såkalte magnetfeltet (B) som man bruker i matematiske beregninger av magnetisme var et virkelig felt på linje med det elektriske feltet (E). B-feltet fungerte da som et slags veiskilt som førte tankene inn på feil spor hver gang jeg prøvde å forstå magnetismen. Nå er magnetfeltet B sentralt i alle beskrivelser av magnetismen, og det er da grunnen til at vi her gi en kort kvalitativ og en kvantitativ definisjon av dette feltet:

Bakgrunnen for at man tenkte at magnetfeltet hadde en retning normalt på både kraften og fartsretningen var nok at jernfilspon og annet magnetisk stoff lager et mønster som følger B-feltet når det kommer nær en magnet. Man laget så en matematikk som definerte magnetfeltet slik som jernfilsponet "tegnet det". Det er da ikke noen tvil om at denne matematikken fungerer, men problemet er at den blir så komplisert i konkrete beregninger at det bare er et mindretall av fysikerne som behersker slike magnetiske beregninger. De magnetiske beregningene man f.eks. gjør i 3FY-kurs er f.eks. så overforenklet at de har liten praktisk nytteverdi. Det er derfor naturlig å spørre om det ikke er mulig å definere magnetfeltet på en annen måte som da gir enklere matematikk og som da ligger nærmere opp til de kreftene man i virkeligheten observerer. Siden det er lite aktuelt å gjøre matematiske beregninger av magnetfelt i grunnskolen, er det ikke pensum for lærerskolestudenter å kunne gjøre kvantitative beregninger av magnetfelt etter formelen som er vist ovenfor. Det er derimot viktig å være klar over at det finnes noe som vi kaller magnetfelt, som kan være mer eller mindre sterkt. Det er da styrken på dette feltet som bestemmer hvor sterke de magnetiske kreftene er. I fortsettelsen vil vi bruke B-feltet i ulike eksempel siden man bruker det i alle lærebøker, men her vil vi kort hevde at det burde være mulig å definere et annet magnetfelt som vi f.eks. kan gi betegnelsen M-felt. Dette må da ha en tilsvarende rommelig fordeling som B-feltet, men retninger skal da være mer i pakt med de magnetiske kreftene som vi virkelig observerer.

Det viktigste i forhold til undervisningen i grunnskolen er da at vi trenger å henvise til et magnetisk felt som er årsaken til de magnetiske kreftene vi observerer. Det er derimot ikke så viktig å tegne det "rett", bare man på en eller annen måte får fram at feltet er sterkest inni og i endene av en magnet. I svært mange figurer stopper B-feltet ved polene, men det er da egentlig feil. Magnetfeltlinjene har ikke endepunkt, men de er derimot sirkulære ("biter seg selv i halen").

Noen sentrale magnetiske begrep
Her følger en liste over noen sentrale begrep som brukes når man skal beskrive og forklare magnetiske stoff. I skolesammenheng er det viktig at læreren kjenner til disse begrepene og forstår hva de handler om.

Ferromagnetisk (magnetisk) kalles stoff som sterkt bidrar til å øke et magnetfelt som kommer utenfra. Eksempler er jern, kobolt og nikkel.

Domene er små område i ferromagnetiske stoff som fremstår som små magnet. Når slike domener vries samme veg blir hele stoffet en magnet. Den totale feltsummen blir da større enn 0. Når domener er tilfeldig orientert blir det magnetiske feltet utlignet og den feltsummen blir 0.

Curie-temperatur Alle ferromagnetiske stoff mister den permanente magnetismen når temperaturen overstiger en grense og denne kalles curie-temperaturen. For jern er den 760° C.

Paramagnetisk er et fellesnavn på alle stoff som øker et pådyttet ytre magnetfelt og dermed blir tiltrukket av en magnet (Ferromagnetisk stoff er da sterkt paramagnetiske). Forklaringen på paramagnetisme kan være at stoffene består av mange små magneter som snues mer eller mindre i forhold til det ytre magnetfeltet.

Diamagnetisk er et fellesnavn på alle stoff som minker et pådyttet ytre magnetfelt og dermed alltid blir fraskjøvet fra en magnet. Dette siste kan forklares som følge av induksjon og en svært liten resistans. Supraledning er da i praksis et annet ord for diamagnetisme.

Litt kvalitativt om magnetisme

Hva er magnetisk?
I skolen er det vanlig å introdusere magnetisme ved å dele ut magneter og be elevene finne ut hva i omgivelsene som er magnetisk. I vitenskapelige sammenheng bruker man ordet ferromagnetisk i stedet for magnetisk, men det er da snakk om det samme. Siden Kobolt og Nikkel er relativt sjeldne metall er det rimelig å anta at det er jern i det elevene finner som tiltrekkes av en magnet. Sterke magneter brukes f.eks. for å skille jern fra annet søppel.

Magnetiske stoff forekommer også naturlig i naturen. Ved å feste et tau til en magnet og dra denne gjennom tørr grus eller sand er det mulig å samle opp magnetiske stoff. (Om grusen er for fuktig vil alt feste seg til den på grunn av elektriske krefter og oppsamlingen blir da mindre vellykket.) Nå kan det være ulike ting som fester seg til magneten når vi f.eks. drar den langs en grusvei, men magnetitt (Fe₃O₄) er et relativt vanlig stoff i jordskorpa og det er derfor rimelig å si til elevene at de relativt mørke partiklene som fester seg til magneten sannsynligvis er magnetitt som da er et stoff som inneholder jern. I skolesammenheng er det ofte anbefalt å kjøpe såkalt jernfilspon til å strø det over et papirark med en magnet på undersiden for å vise magnetfeltet rundt en magnet. Nå kan det være litt vanskelig å få tak i jernfilspon noen steder og her vil vi heller anbefale å samle opp magnetitt slik som skissert ovenfor. Dette er da billigere og de praktiske problemene som oppstår (hvordan fjerne magnetitten fra magneten, hvordan få passende kornstørrelse ol.) er da nettopp hva man trenger for at elevene skal oppleve at de er med i et realistisk prosjektarbeid.

Hvordan magnetisere og avmagnetisere?
Generelt er det uheldig om elevene skiller for sterkt mellom magneter og magnetiske stoff. Her vil vi derfor skissere et annet prosjekt hvor elevene skal prøve å magnetisere og avmagnetisere f.eks. spiker. Skrujern og andre gjenstander av stål/jern kan også brukes. Alle magnetiske stoff blir magnetisk i nærheten av en magnet, men det vi til vanlig kaller en magnet er da de stoffene som beholder mye magnetisme i lang tid etter at den ytre magneten er fjernet. Hvis vi holder en magnet inntil ende enden av en spiker vil en binders eller andre magnetisk stoff feste seg til den andre enden. Hvis vi fjerner magneten vil kanskje bindersen falle av, men det kan også tenkes at den blir hengende fordi spikeren og bindersen er blitt selvstendige magneter. Magnetismen i disse er likevel så svak og så kortvarig at vi ikke kaller dem for magneter, men de er da i prinsippet hjemmelagede magneter. Såkalt rent bløtt jern mister mest av den tilførte magnetismen mens herdet jern og stål vil bevare magnetismen i større grad. Det meste vi omgir oss med er en mellomting mellom disse ytterlighetene. En mulig prosjektoppgave er da å finne ut hva slags ting som bevarer magnetismen best.

En kanskje mer utfordrende prosjektoppgave er å utvikle teknikker for å magnetisere og avmagnetisere spiker og andre ting. Uten å ta stilling til hva som er best vil vi her bare nevne noen metoder som kan brukes for å magnetisere eller avmagnetisere. Elevenes oppgave blir da å sortere ut de metodene som virker best.

Magnetisering kan skje ved:
-Gni spiker med en magnet (merk at det kan gjøres på ulike måter)
-La spiker ligge inntil magneten en tid (finnes ulike stillinger)

Avmagnetisering kan skje ved:
-Gni spiker med magnet som holdes "i motsatt retning"
-La spikeren ligge "motsatt veg" inntil magneten en kort tid
-Slå på spikeren med f.eks. en hammer
-Varme opp spikeren

Vi kan oppdage magnetkraftlovene selv!
Det var W Gilberts som først gav en systematisk beskrivelse av magneter i 1600 og deriblant formulerte han loven om at like poler frastøter og ulike poler tiltrekker. Hvis man har tre magneter hvor nordpolene ikke er merket, kan elevene selv gjøre forsøk hvor de kan kommer fram til denne regelen. For at de skal komme i gang kan vi da gi dem følgende problemstilling: Er det like eller ulike poler som tiltrekkes? En typisk vitenskapelig metode i slike sammenhenger er da å anta noe. Her kan vi da anta at det er like poler som tiltrekker hverandre. Dette er da det alternativet som vi vet er feil. Vi kan da be elevene merke en pol på hver magnet som da skal være den samme ifølge antakelsen ovenfor. Dette viser seg da å være umulig, konklusjonen blir da at det må være ulike poler som tiltrekker hverandre. Dette kan man da også teste og vi vil da se at det fungerer for alle magnetene.

Hvor langt virker magnetiske krefter?
Et kompass er et relativt følsomt instrument. Om man mangler kompass er det mulig å lage seg kompass med god følsomhet ved å henge en magnet i en tynn sytråd eller å plassere en magnet på en isoporbit i en skål med vann. Magneten vil da innstille seg i nord-sør-retningen og det er da nordpolen som peker nordover. Merk ellers at jordas magnetfelt har en vinkel i forhold til jordoverflata som er ca 70° i Sør-Norge. Det vil altså si at det er naturlig at hengemagnetens nordpol vil peke på skrå nedover. Om vi så har en annen magnet, kan vi undersøke hvor langt unna denne kan være og samtidig påvirke kompasset vårt. Mange elever vil vel i dette tilfelle bli litt overrasket over hvor langt unna man kan observere påvirkning mellom en magnet som dreies langsomt fra side til side og ei kompassnål. Magnetene må til vanlig være relativt nær hverandre for at vi skal "kjenne" de magnetiske kreftene.

Likheter og ulikheter mellom elektriske og magnetiske krefter
Skal vi beskrive noe nytt, så er det vanlig å referere til ting som er kjent fra før og påpeke likheter og forskjeller. Vi trekker altså fram ting som likner på det nye vi skal informere om, og så understreker vi hva som er likt og ulikt. Dette er et godt pedagogisk prinsipp som mange bruker selv om de ikke har pedagogisk utdanning. Siden vi tidligere har gitt en relativt grunnleggende beskrivelse av elektriske krefter som da er enklere å forstå enn de magnetiske kreftene, er det naturlig å sammenlikne magnetiske krefter med de elektriske kreftene for om mulig å øke forståelsen for begge. Her følger da en systematisk sammenlikning av magnetisk krefter med elektriske krefter og gravitasjonskrefter som man kan bruke i en undervisningssammenheng, gjerne ledsaget av demonstrasjonsforsøk.

1 Til vanlig snakker vi om tre typer fjernkrefter i naturen. Disse er gravitasjonskrefter, elektriske krefter og magnetiske krefter. Alle disse kan vi med letthet demonstrere i klasserommet. Fjernkrefter er da kjennetegnet ved at det virker krefter over avstand uten berøring. Mange vil synes at det er rart at f.eks. to magneter kan trekke eller skyve på hverandre uten at de berører hverandre. I den sammenhengen kan man spørre elevene om de tror at det finnes et usynlig felt mellom magnetene som forårsaker denne kraften (slik em-modellen sier) eller om kreftene også kan virke gjennom totalt vakuum (slik som fysikere vanligvis tenker). Ellers er det mulig å vise at alle kreftene virker gjennom ting (papirark, bordplate ol).

2 Både elektriske og magnetiske krefter kan gi fraskyving og tiltrekning mens gravitasjonskreftene bare gir tiltrekning. For å forklare tiltrekning og fraskyving må vi innføre to typer poler eller ladninger. For å språklig skille mellom elektriske og magnetiske krefter sier vi at de elektriske kreftene virker mellom positive og negative poler/ladninger mens de magnetiske kreftene virker mellom nordpoler og sørpoler. Vi kan da observere eller måle krefter mellom positive og negative poler, men ikke mellom f.eks. en positiv pol og en nordpol. Her vil vi imidlertid nevne at det er mulig å observere krefter mellom en ladet glasstav og en magnet som henger i en tråd, men det er da snakk om elektriske krefter fordi magneten blir en elektrisk dipol i nærheten av en elektrisk ladning.

3 En forskjell på magnetiske og elektriske krefter er at magnetiske poler alltid opptrer parvis slik at en nordpol alltid vil befinne seg i nærheten av en sørpol og omvendt. Det er altså ikke mulig å isolere en sørpol fra en nordpol slik som det er mulig å isolere en positiv ladning fra en negativ ladning. Om vi f.eks. kutter en magnet i to, vil de to nye bitene fortsatt ha en nordpol og en sørpol. I litteraturen kan man finne ordet monopol, og regelen er da at vi kan ha elektriske monopoler, men ikke magnetiske monopoler.

4 For det tredje finner vi følgende regel for både elektriske og magnetiske krefter: Like poler frastøter og ulike poler tiltrekker hverandre. En huskeregel i denne sammenhengen er at resultatet av dette blir et mer "nøytralt" univers både når det gjelder elektriske og magnetiske krefter. Naturen prøver på en måte å nøytralisere eller utligne forskjeller. Når to motsatte ladninger kommer sammen vil vi utad oppleve at de blir elektrisk nøytrale. Når to motsatte poler kommer sammen vil vi tilsvarende blir magnetisk nøytralisert utad.

Magnetiske felt
I figurer til høyre har vi vist både elektriske feltlinjer (E) og magnetiske feltlinjer (B). Merk at de elektriske feltlinjene forteller hvilke veg en liten positiv ladning vil forflytte seg om den slippes i det aktuelle feltet. Retningen til dette feltet er da fra positiv ladning til negativ ladning. Videre forteller tettheten av feltlinjene noe om hvor sterke de elektriske kreftene er. De magnetiske feltlinjene forteller da på sin side noe om de magnetiske kreftene, men som nevnt tidligere er det knyttet endel problemer til B-feltet. Generelt er det viktig å være klar over at vi observerer krefter og det vi kaller felt er da noe som vi ikke observerer direkte, men som vi antar ligger bak kreftene. Hensikten med å innføre et felt er da å bedre forståelsen, men det kan da også skape forvirring. Den mest nyttige siden ved elektriske og magnetiske feltlinjene er vel at de forteller noe om styrken til de elektriske og magnetiske kreftene. Jo tettere feltlinjene er jo sterkere er kreftene.

En karakteristisk side ved alle magnetfelt er at de er sirkulære. Det betyr at feltlinjene alltid vil "bite seg selv i halen" eller danne en lukket kurve. Det betyr at det også er feltlinjer inni en permanent magnet, selv om mange figurer ikke viser disse. Mens elektriske feltlinjer ender i en ladning, så vil altså de magnetiske feltlinjene ikke ha noen ender. På mange figurer i lærebøker ser det ut som magnetfeltlinjene ender i polene på magneten og dette er uheldig. Merk at polen ikke er årsaken til de magnetiske kreftene selv om feltet tilsynelatende er på sitt sterkeste her. Sannheten er da at det er i midten av magneten at feltet er sterkest, ikke ved polene.

Om vi videre konsentrerer oss om retningen til feltlinjene så er regelen den at nordpolen på et kompass vil peker den vegen som feltpilene peker. Men dette gjelder da bare i det tilfelle at vi befinner oss utenfor magneten. Hvis vi befinner oss inni f.eks. en spolemagnet så blir det omvendt. Her har vi da et annet eksempel på at feltlinjene er problematiske å definere og det betyr igjen forvirring for de som prøver å forstå magnetismen. Det mest forvirrende eksemplet får vi kanskje om vi sjekker magnetfeltet omkring en vertikal strømleder ved hjelp av et kompass. I det tilfellet vil vi se at nordpolen hele tiden vil peke samme vegen rundt lederen. I praksis vil det bety at den peker i alle himmelretningene, og om vi i dette tilfeller spør etter hvor vi finner den sørpolen som tiltrekker seg kompassets nordpol, så har vi et problem. Sørpolen må da være et sted, og ikke alle steder, eller har vi misforstått noe? Dette viser da at begrepene nordpol og sørpol er uheldige begrep som skaper forvirring i stedet for forståelse. Generelt er det ok å bruke disse begrepene i forbindelse med kompass og andre faste magneter, men om vi ønsker å forstå hva magnetisme er så forårsaker de "misvising" eller henleder oppmerksomheten i feil "retning".

Litt kvantitativt om magnetisme

Magnetisme er noe som har verdi og derfor er det også mulig å måle magnetisme med ulike typer instrument. Generelt er det mulig å måle/beregne styrken i et magnetiske feltet (B), styrken til en magnet (magnetisk moment), og energien i et magnetfelt (E_M) og annet. De instrumentene som brukes i denne sammenhengen er dyre og de har heller ikke så stor nytteverdi for folk flest. Derfor vil vi ikke gå inn på bruken av slike instrument og de matematiske beregningene som følger med. Her vil vi da bare kort gjenta at følgende definisjonsformel for det magnetiske feltet er sentral når det gjelder å beregne ulike kvantitative verdiene:

B=F/qv (eller F=qv´ B).

Matematikken er imidlertid så komplisert at vi unngår den her. (B er magnetfeltet, q er størrelsen på en ladning som beveger seg med en fart v og som så blir utsatt for en magnetisk kraft F. Det spesielle gangetegnet (´ ) i denne formelen forteller videre at størrelsene B, F og v, som alle har en retning i rommet (er vektorer), skal stå normalt på hverandre ifølge den såkalte høyrehåndsregelen.) Konklusjonen så langt er at ovennevnte formel er grunnleggende for å beregne magnetiske verdier, men det er da lite aktuelt å gjøre slike beregninger i grunnskolen. Men det kan derimot være nyttig å se noen magnetverdier som gjelder i ulike kjente tilfeller slik at man har et sammenlikningsgrunnlag for å vurdere og anslå andre ukjente verdier.

Noen kvantitative verdier for B
Magnetfeltet B er knyttet til hvor store magnetiske krefter man kan måle i ulike sammenhenger. Magnetfeltet fra jorda som er grunnlaget for at vi kan bruke kompass har f.eks. en verdi omkring 0,06mT. Benevninga er T (tesla) og siden 1 T er en svært stor verdi bruker vi ofte mT (m=1/10³). Vanlige magneter har til sammenlikning en feltstyrke fra 50mT til 500mT ved polene. Nå er ikke disse verdiene så viktige at man bør pugge dem, men her vil vi kort vise hvordan verdien til jordmagnetfeltet kan brukes for å anslå verdien til en tilfeldig magnet. Magneter er alltid en såkalt dipol. Matematisk er det da mulig å vise at feltstyrker omkring en slik dipol vil avta som 1/d³ når man er befinner seg et stykke fra magneten. Det betyr igjen at når vi dobler avstanden (d) fra f.eks. 5cm til 10cm fra en magnet så vil feltet avta til 1/9. Om vi uttrykker dette matematisk får vi følgende grunnformel:

B*d³=konstant (eller B=konstant/d³)

Dette gjelder da for alle verdier av d og vi kan da lage en ny formel hvor indeksene ₁ og ₂ markerer to ulike avstander fra en magnet:

B₁*d₁³=B₂*d₂³

Beregning av magnetfeltet i en bestemt avstand fra en magnet
Ved prøve oss fram finner vi f.eks. at en magnet påvirker et kompass like sterkt som jorda påvirker kompasset når avstanden mellom kompasset og magneten er 14. Kompasspila står da midt mellom det den ville ha gjort om enten jorda eller magneten var fraværende. Det betyr da at vi kan velge B₂=0,06mT og d₂=14cm. Hvis vi så f.eks. lurer på hvor sterkt feltet fra magneten er i en avstand på 2cm så kan vi velge d₁=2cm og vi finner da den tilhørende B-verdien av overnevnte likning:

B₁ = 0,06mT*14³ / 2³ = 21mT

Noen kvantitative verdier for magneter
Det finnes ulike magneter på markede som er mer eller mindre "sterke" og det kan da være greit å kunne sammenlikne styrken til de ulike magnetene før man kjøper inn et parti til skolen. Nå er det ikke bare styrken, men også holdbarheten som har betydning siden magneter er laget for å beholde magnetismen. Erfaring har vist at de gamle stålmagnetene mistet mye av magnetismen i løpet av noen år, og også de populære AlNiCo-magnetene mister litt av magnetismen etter som årene går. Nyere typer magneter holder imidlertid mye bedre på magnetismen og dessuten er de også mye sterkere enn de man brukte tidligere. Nå er det mulig å oppgi magnetstyrken på ulike måter, men her vil vi hente data fra en brosjyre fra IBSMagnet som er et tysk firma som selger magneter. De har da valgt å bruke energiinnholdet i magnetene for å angi styrken og da er det generelt slik at store magneter er sterkere enn små magneter. Derfor angir de styrken som en slags energitetthet med benevning kJ/m³. Dette betyr da at en magnet med dobbelt så stort volum (eller masse) vil ha dobbelt så stor magnetisk energi.

En hovedhensikt med å produsere stadig sterkere magnetiske stoff er da å produsere mindre elektromotorer ol. som gir samme styrke. I skoleverket er det en grense for hvor små magneter det er hensiktsmessig å arbeide med, men det er en fordel å ha mange magneter og de minste magnetene er da billigst. Siden en magnet gjør tilstøtende jern magnetisk så er det mulig å lage skolemagneter som er sammensatt av små magneter og større jernbiter.

Oppgaver

1.1 (9.12.91) Gi en kort beskrivelse av forsøk som klart viser at elektriske og magnetiske krefter må være to ulike typer krefter, og ikke to navn på en og samme kraft.

1.2 (16.12.93) Gi en generell beskrivelse av elektriske og magnetiske krefter. Hva er årsaken til disse og hvilke virkninger har de på omgivelser.

1.3 (16.12.93) Tegn en kuleformet magnet med B-felt og en positivt ladet kule med E-felt.

1.5 (12.94) Hva er forskjellen på elektriske og magnetiske krefter? Hvordan oppstår de, hva virker de på osv. (svareksempler)1.14 (5.12.95) Tegn magnetiske feltlinjer fra en u-formed magnet. Tegn også elektriske feltlinjer fra en u-formed ledende negativ ladning (bøyd metalltråd). (svareksempler)

5.2 Flervalgspørsmål med tilknytning til elektrisitet
a) Merk alle årsakane som gjer at ein ballong kan hengje i taket.
  [ ] Nokon har gnidd han mot genseren sin.   [ ] Han er full av luft.
  [ ] Malinga i taket er ikkje tørr.   [ ] Det er ei magnet inni taket.
  [ ] Han er full av Helium.   [ ] Eit hol i taket bles luft.   [ ] Eit hol i taket sug luft.
b) Merk alle årsakane som gjer at ein magnet kan hengje i taket.
  [ ] Det er ein spiker i taket.   [ ] Malinga i taket er ikkje tørr.
  [ ] Eit hol i taket sug luft.   [ ] Eit hol i taket bles luft.
  [ ] Det er ein messingskrue i taket.   [ ] Det er ein magnet inni taket.
  [ ] Taket er av aluminium.
c) Merk dei setningane som er rette:
  [ ] Det er alltid krefter som får ting til å røre på seg.
  [ ] Kraft er det motsette av veik.
  [ ] Alt vert påverka av krefter, også det som ligg i ro.
  [ ] Det er noko mat som inneheld meir krefter enn anna mat.
  [ ] Nokre tau tålar meir kraft enn andre.
d) Merk dei setningane som er rette:
  [ ] Det er krefter som får ein stein til å falle.
  [ ] Det er krefter som får ein ballong til å stige opp i lufta.
  [ ] Ein magnet lager krefter.
  [ ] En magnet trekkjer på alle metall.
  [ ] Det er magnetiske krefter som gjer at støv fester seg til eit TV.
e) Merk dei setningane som er rette:
  [ ] Alle magnetar vil peke mot nord om dei de får dreie fritt.
  [ ] Kompass verkar ikkje inne i hus.
  [ ] Det er farleg å ta på begge polene på et lommelykt-batteri samtidig.
  [ ] Ei høgspentleidning kan ikkje gjenbrukast til andre ting fordi den kan innhalde høg spenning.
f) Merk dei setningane som er rette:
  [ ] Det er elektriske krefter som får ein gnidd ballong til å hengje i taket.
  [ ] Når vi kjemmar håret vert det elektrisitet som gjer at håret kan reise seg.
  [ ] Elektriske krefter kan halde ein mann fast til ei leidning i taket.
  [ ] Det er elektriske krefter som trekkjer vannet opp til skyene.
  [ ] Elektrisitet kan ikkje gå gjennom plast. (løsningsforslag og svareksempler)

1.8 I skolen er det aktuelt å tegne elektriske og magnetiske feltlinjer. Skriv E når figuren viser et elektrisk felt og B når figuren viser magnetfelt.

1.15 (23.1.96) a) Forklar hva som kjennetegner elektriske og magnetiske krefter.
b) Beskriv forsøk som vi kan gjøre i klassen som viser at dette er forskjellige krefter.

1.16 (23.1.96) Forklar virkemåten til bandgeneratoren (Van de Graf generatoren).

1.17 (23.1.96) Forklar hva vi mener med felt. Gi eksempler.

Løsningsforslag

1.1 Om vi henger opp en binders og en papirbit og fører en magnet og en ladd glasstav mot dem, vil glasstaven tiltrekke begge, mens magneten bare tiltrekker bindersen. Om vi lader ut glasstaven (og papirbiten) vil glasstaven ikke påvirke noe.

1.2 Elektriske krefter virker mellom ladede gjenstander og alle typer stoff. Om det andre stoffet er nøytralt vil det bli til en dipol i nærheten av en ladet gjenstand og derfor blir det tiltrekning. Årsaken til elektriske krefter er at alle stoff består av ladninger og like ladninger vil frastøte mens ulike ladninger vil tiltrekke hverandre.
Magnetiske krefter oppstår når ladninger beveger seg i ledere (elektromagnet) eller dreier/spinner (i permanente magneter). Disse kreftene virker bare mellom magneter, andre magneter og noen metaller/legeringer.
Svareksempler:"Elektriske krefter - krefter som vert laga av at det går strøm frå eit punkt til eit anna. Magnetiske krefter - krefter som vert danna ved at det er ting som er magnetiske".
"Elektriske krefter er elektroner som beveger seg"
"Elektriske krefter: positive og negative lada partiklar (ion) som er i bevegelse og dermed skapar energi"
"Magnetiske krefter: Konstante krefter med positive og negative ende"
"Elektriske krefter er et resultat av elektronstrømmer"
"Magnetiske krefter frå månen til å virker på tidevannet"

1.3  

1.5 (12.94) Svareksempler:'Elektriske krefter oppstår først når vi har ein elektrisk straum. Så snart ein bryt ein straumkrets vil dei elektriske kreftene slutte å virke. Magnetiske krefter forsvinn ikkje så lett. Når ein lekam som skal magnetiserast (t.d. jern) er han magnetisk heilt til han blir påverka av ein annan lekam slik at den blir avmagnetisert. Vi har ein jernstav som vi magnetiserer med ein magnet. Dei forholdsvis lause elektrona vil samle seg i eine enden. (tegnet)...Både elektriske og magnetiske krefter virker på alle negative, positive eller nøytrale partiklar'
'Elektriske krefter tiltrekker ikke jern, slik som magnetiske krefter gjør. Elektriske krefter oppstår fra dynamoer/generatorer.'
'Elektriske krefter oppstår som følge av bevegelse mens magnetiske krefter fører til bevegelse (tiltrekking, frastøting)'
'Elektriske krefter oppstår altså når elektroner beveger seg. For at de skal gjøre det, må de drives av en kraft. Denne kraften kaller vi spenning... Når jeg tenker på magnetiske krefter, tenker jeg straks på + og -. på magneter, på nordpol og sørpol og på felt'
'Elektriske krefter: At de er elektriske, vil si at de må ha noe som driver kreftene. Kopler vi en lyspære til et batteri får vi elektriske krefter. Elektronene som er negativt ladet strømmer fra positiv pol(+) til negativ pol(-). Elektronene blir dratt rundt og rundt'
'Eks: Kaninpels leder godt, mens plastikk leder dårlig. Gnir vi en ebonittstang mot kaninpels vil atomene i kaninpelsen settes i bevegelse (de "fyker" rundt). Fører vi kaninpels mot eks. en isoporkule vil den tiltrekkes av kaninpelsen. Men tiltrekningen er ikke evigvarende. Negative og positive elekktron går sammen og danner et elektronpar som slites løs, energien i paret til sammen er ikke nok til at det kan holdes sammen lenge. Når "para" er oppbrukt vil pelsen vere utladet og tiltrekning opphøre.'
'Elektriske krefter: elektroner i bevegelse. Magnetiske krefter: "vekselvirkning" mellom positive og negative ioner.'
'Elektrisitet er ladninger som bevegar på seg, når me gnir to stoff mot kvarandre kan me lage elektrisitet. Det oppstår då elektriske krefter, desse kreftene virkar til ladninagane har nøytralisert kvarandre. Magnetiske krefter oppstår når du har eit magnetisk stoff der positive og negative ladningar er samla på motsatt side. Magnetiske krefter virkar på legem som er positivt el. negativt ladde.'
'Vi kan magnetisere f.eks. glass- eller plaststav og påvise at etter gnidning er staven ladd. (f.eks. med elektroskop)'

1.8 a:E b:E c:E d:M e:E f:E(M) g:E h:E i:M j:E

1.14 Svareksempler:
"Dersom dei negativt ladde elektrona går frå den negative polen til den positive polen vil dei elektriske feltlinjene gå sirkulært rundt lederen"
"Elektriske feltlinjer frå ein u-forma leiande negativ ladning. Feltlinjene går her uendeleg rett fram. Sidan leiaren er bøygd vil fleire feltlinjer kryssa kvarandre inni 'u-en'. Me får danna magnetiske felt der det går ladningar. Dermed vert dette magnetisek feltet forsterka midt i 'u-en' sidan her kryssar feltlinjene seg."

5.2 Resultat fra en sjetteklasse:
1010111 1110010 10101 11100 1000 11001-fasit
1030567 1000060 10305 12300 1000 12000-1
1000000 0000060 10305 10305 1004 02005-2
1000507 1000060 00045 12305 0004 12005-3
1004500 1000507 10345 12345 0004 12040-4
1200500 1000007 10305 10340 1230 02305-5
1030500 1000067 00305 00305 1004 02005-6
1004007 0000507 10345 02300 0230 12305-7
1030507 1200007 10345 00305 1200 02000-8
1030000 0000007 10045 02340 0004 02045-9
1000000 0000007 00300 00305 0004 02005-10
1000507 1030067 10340 12305 1004 12000-11
1000000 1000007 12045 10345 1200 12000-12
1000000 1000567 12340 00305 0030 12340-13
1000507 1000567 00045 00045 0034 00045-14
1000000 0000007 10345 12345 0200 00005-15
1000000 0000007 12000 12345 0230 02000-16
1000500 1000507 10305 02345 1030 12300-17
1030507 0000067 10305 12305 1004 12005-18
1000000 1000000 10345 12305 1000 12000-19
1034507 1000507 12340 12305 1200 12300-20
1000507 1000567 10005 00305 0000 10300-21
1030507 1000067 12345 10345 1000 02000-22
1000000 0000007 12045 02045 0034 10300-23
1000007 1030500 10305 12305 0034 02300-24
1000000 0000007 10300 12340 1204 12040-25
1000000 0000007 10045 00305 0000 00000-26