Elektriske og magnetiske krefter

20.1.04 Erling Skaar

   F02Bakgrunn (eget dokument)
1 Elektriske krefter
2 Magnetiske krefter
3 En alternativ magnetismeforklaring
4 Flere magnetiske begrep

Elektriske krefter

Målet med dette kapitlet er en forståelse for det vi kaller elektriske krefter. En lærer bør kunne påpeke hvor det finnes elektriske krefter i ulike sammen og kunne forklare hvordan de virker. Disse kreftene er i neste omgang grunnleggende for å forstå elektrisk strøm og store deler av den teknologien vi bruker til daglig. Her bruker vi et rødt lyn som symbol på disse kreftene. Deter da vanlig i forbindelse med advarsler om høyspenning som da handler om det samme. Rødfargen knyttes ofte som faresignal i slike sammenhenger, men her vil vi da konsentrere oss om ufarlige tilfeller og knytte rødfargen opp mot ladningsbegrepet som er grunnlaget for all elektrisitet og magnetisme. Merk ellers at lyn/gnister oppstår når de elektriske kreftene blir store. Det vanlige er at de elektriske kreftene ikke er så store og i slike tilfeller vil vi kunne "se" de elektriske kreftene som krefter mellom ulike gjenstander.

Benjamin Franklins forsøk



Coulombs vekt

Historikk
Bakgrunnen for navnet elektrisitet er at navnet elektron betyr rav på gresk. Så tidlig som 600 f.Kr. observerte grekerne at rav som ble gnidd kunne trekke til seg lette ting som fjær og strå. William Gilbert (1544-1603) påviste at elektrisitet var en generell egenskap som gjaldt mange stoff og han hevdet at det måtte finne to slags ladninger. Benjamin Franklin (1706-1790) gjorde systematiske forsøk med å gni ulike stoff mot hverandre og det var da han som innførte begrepene positiv og negativ ladning. Charles Couloumb (1736-1806) utviklet en elektrisk vekt som kunne måle elektriske krefter og han påviste da at de elektriske kreftene avtar som 1/r² omkring en ladning.

Historiske oversikter viser at elektrisiteten først ble oppdaget fordi man observerte krefter. Krefter er derfor et grunnleggende begrep i forbindelse med elektrisitet, og det er ved å studere krefter at vi forstår virkemåten til elektrisiteten. Elektrisitet medfører krefter, men alle krefter vi observerer er da ikke forårsaket av elektrisitet. I første omgang er det viktig å gjenkjenne elektriske krefter ved å finne ut hva som skiller disse fra andre typer krefter. I neste omgang er det så aktuelt å si noe mer om årsaken til de elektriske kreftene. Hvordan oppstår de og hva er de egentlig? Dette er da ikke tema her.

Hva er en kraft?
Forståelse for kraftbegrepet er grunnleggende for å forstå ulike vanlige fenomen. Nå finnes det et ordtak som heter at man "ikke ser skogen for bare trær", og i det kan det ligge at man er så vant til å se ting at man egentlig oppdager det. Når mennesker ""ser" krefter i hverdagen, så er det mange som likevel ikke "ser" dem. De konstatere hva som skjer og vanligvis vil de også husker det til senere anledninger, men de er ikke bevisst at det er snakk om krefter. Grunnen er kanskje at begrepet kraft ikke er en del av det aktive ordforrådet. De har da sett ulike krefter i funksjon, men de har ikke noe bevisst forståelse av hva som ligger i dette begrepet. Kraftbegrepet er grunnleggende når vi skal forklare det som skjer i ulike sammenhenger og i skolen er det viktig at lærerene bevisstgjør elevene på hva som ligger i dette begrepet. Her følger noen generelle kjennetegn på krefter:

- de virker alltid mellom gjenstander/ting (minst 2 ting)
- de kan virke over avstand (fjernkrefter) eller ved berøring (berøringskrefter)
- de kan enten frastøte eller tiltrekke
- de kan være sterke eller svake (kan kvantifiseres)
- de har da alltid en retning (kalles vektor i fysikken)

I læringsituasjoner er det viktig å sikre at elevene behersker kraftbegrepet og øvinger hvor elevene skal bruker kraftbegrepet for å beskrive ulike fenomen er da nyttige.

Grunnbegrep og sentrale lovmessigheter

Innholdet i rammene ovenfor er et slags resymé av hva som menes med elektriske krefter og gir samtidig en oversikt over hvordan de virker. Hensikten med å samle dette i en slik faktarute, er da å vise hva man bør konsentrere seg om når man skal lære om elektriske krefter. Det som følger videre er da i prinsippet en utdyping av det som er nevnt her. Denne uttdypingen gjennom eksempler og anvendelser i ulike sammenhenger må da betraktes som noe som er nyttig i forbindelse med en "fordøying" av faktastoffet som er nevnt i rutene ovenfor. Merk ellers at det vanligvis er de negative elektronene som forflytter seg når gjenstander endrer ladning.  

Konkrete eksempler på elektriske krefter

Når man skal lærer om noe nytt, er det viktig at man har noe kjent og konkret å koble den nye lærdommen til. Ellers blir den lett "hengende i lufta" og den nye lærdommen får sannsynligvis få praktiske konsekvenser. Her er det snakk om elektriske krefter, og vil vi derfor innledningsvis gi noen eksempler hvor vi har elektriske krefter.

Gnidning vil ofte føre til ladningsoverføring og statisk elektrisitet

* Gnidning mellom ulike stoff medføre elektriske krefter. I noen tilfeller får vi også gnister om de aktuelle stoffene kommer i nærheten av ledende materialer. En såkalt triboelektrisk serie forteller da hvilke stoff som gir størst ladning og hva slags ladning det er snakk om (+ eller -). Dette kalles da statisk elektrisitet. Eksempler hvor vi bruker dette bevisst er når vi henger ballonger i taket og når vi bruker bandgenerator for å skape høy/stor spenning. Vanligvis er statisk elektrisitet uønsket siden gnister kan skape brann og ødelegge elektronikk/datamaskiner.

Vanndråper under taket holdes oppe av elektriske krefter.

* Vann og andre stoff fester seg til tak og vegger på grunn av elektriske krefter. Alle stoff består av ladninger og når disse danner dipoler vil stoffene lett feste seg til hverandre. Vann er f.eks. et nyttig stoff for å vaske vekk skit, og grunnen er nettopp at vannmolekylene er små dipoler som kan trenge inn "under" skiten og hjelpe til å løse den fra overflata. Når fuktige klær kleber seg til kroppen kan også dette forklares med elektriske krefter.

Insekter, nåler ol. kan flyte på vann på grunn av elektriske krefter

* Den såkalte overflatehinna som gjør at små dyr kan gå på vann er også et resultat av elektriske krefter. Rent vann som består av små likeformede dipoler vil fungere som en masse mennesker som holder hverandre i hendene. Det er da vanskelig for utenforstående å trenge seg inn i en slik enhetlig struktur. Vannmolekylene foretrekker altså å holde hverandre i "hendene" framfor å ta imot "inntrengere". Spesielt fettholdige gjenstander vil ha problemer med å få kontakt med vannmolekylene og derfor vil det bli et klart skille mellom vann og fett.

* Elektriske krefter brukes i elektrostatiske luftrensere, TV, kopieringsmaskiner og mye annet. Om vi inkluderer de elektriske kreftene som driver strømmen gjennom ledningene så kan vi vel si at alt elektrisk utstyr inneholder elektriske krefter.

* Elektriske krefter er også viktige i forbindelse med kjemiske bindinger

Hensikten med denne listen er på den ene siden å gi praktiske eksempler som vi kan tenke på når det er snakk om elektriske krefter. Dernest kan den vel også fungere som en motiveringsfaktor som da viser at elektriske krefter er relevant i mange ulike sammenhenger, og det er sannsynligvis ikke bortkastet å prøve å studere disse kreftene litt nærmere.

Når en nøytral kule har like mange positive og negative ladninger burde den vel ikke bli tiltrukket av en positiv ladning?
(Forklaring: Elektroner vil forflytte seg litt og den nøytrale kula blir da en dipol)

Alt nøytralt blir tiltrukket av en ladet gjenstand

Om vi vil sjekke om det er noe som ikke blir påvirket av de elektriske kreftene som dannes når vi gnir en penn, så kan vi henge ulike gjenstander i en sytråd og holde en gnidd penn i nærheten. Vi kan også holde en gnidd penn i nærheten av en tynn metalltråd, vannstråle ol. I slike forsøk vil detnesten alltid blir elektrisk tiltrekning. Det betyr at det skjer en forflytning av ladninger i stoffene som da innebærer at det blir en positiv ende (nærmest pennen) og en negativ ende (lengst fra pennen). En gjenstand som har en positiv og negativ ende kalles en dipol. Siden alle stoff inneholder positive protoner og negative elektroner vil vi oppleve at alle stoff blir dipoler i nærheten av en ladet gjenstand.

Spørsmål: Vil det alltid være slik at elektroner flytter seg mellom to ender når vi har en dipol?

Svar: Når vi har gjenstand av metall eller andre gode ledere så er det mulig at elektroner forflytter seg mellom ytterkantene. Det er ikke nødvendigvis slik at bestemte elektron forflyttet seg hele veien, men resultatet er likevel at det er et elektronunderskudd i den positive enden og så vil det vanligvis også finnes ett tilsvarende elektronoverskudd i den andre enden. Når det derimot gjelder vann og ulike isolerende stoff, så er det vanlig å anta at molekylene i disse stoffene er små dipoler som dreies på en systematisk måte. Resultatet blir da en positiv og negativ ende uten at elektroner har forlatt de molekylene de tilhørte. Molekylene har bare dreiet litt slik at det er en overvekt av molekyler som har den positive polen mot den positive enden.

Lette ting henger sammen på grunn av elektriske krefter.



Øverst har vi en nøytral kule som heller ikke er dipol fordi interne dipoler er tilfeldig orientert i alle retninger og vil derfor nøytralisere hverandre.
Nederst har de interne dipolene i den nøytrale kula orientert seg i forhold til en ytre ladning og kula er totalt sett blitt en dipol.

Også nøytrale gjenstander tiltrekker hverandre
De fleste vet at en gnidd ballong vil bli tiltrukket av et nøytralt tak. Men om vi tenker oss om er det egentlig mange ting som kan feste seg til taket. Støv, vann og andre ting som vi med et fellesnavn kan kalle skit, vil kunne henge seg fast i taket. Det betyr altså at det her finnes tiltrekningskrefter som er sterkere enn gravitasjonskraften som trekker nedover. Generelt kan vi si at det er elektriske krefter som er årsaken til at ting fester seg i taket , og forklaringen er da at det finnes små dipoler i alle stoff. Når ulike stoff kommer i svært nær hverandre vil dipolene i det ene stoffet snu litt på dipolene i det andre stoffet som så igjen snur på dipolene i det første stoffet, og jo mer de har tilpasset seg til hverandre med + overfor -, jo sterkere vil tiltrekkningskreftene være. De fleste har vel erfart at ting fester seg med tida og generelt er det enklest å fjerne ny skit. Når vann har vist seg å være et effektivt middel for å vaske bort skit, så har det sammenheng med at vannmolekyelen er små dipoler som kan gå inn mellom andre dipoler og dermed gjøre bindingene svakere slik at skiten kan skylles bort.

Ved berøring oppstår elektriske tiltrekningskrefter mellom alle stoff, og disse vil da ofte øke med tiden fordi dipolene i de ulike stoffene gradvis vil tilpasse seg. Nå er det f.eks. mulig å få tynne papirark til å feste seg til vegger eller tak. Om papirarket blir for tungt kan vi gi det en ladning ved å gni det eller fukte det med vann for å få det til å feste seg. I mange tilfeller kan vi så oppleve at slike papirark fortsatt henger fast etter at ladningen er forsvunnet eller vannet er fordampet. Forklaringen på dette er da molekylene i de to stoffene har tilpasset seg til hverandre og at kreftene trenger tid til å utvikle stabile strukturer.

Kjøpte elektroskop

Hjemmelaget elektroskop

Bestemme størrelsen og fortegn til en ladning ved hjelp av elektroskop

Figuren til høyre viser to vanlige typer elektroskop som brukes i skolesammenheng. Om man mangler slike er det lett å lage et elektroskop ved hjelp av en glasskolbe en metalltråd og en bit av en aluminiumsfolie. Et elektroskop består av to deler som kan bevege seg i forhold til hverandre samtidig som de er koblet sammen elektrisk. Når den ene delen blir ladet opp vil den andre delen få samme ladning og det oppstår fraskyvningskrefter mellom de to delene. Jo større ladning jo større blir kreftene og jo mer spriker de to delene. Elektroskopet viser oss hvor stor ladningen er i det som berøres og den forteller også om en senere gjenstand har samme eller motsatt ladning i forhold til den som berørte elektroskopet forrige gang. Det forteller derimot ikke om en ladning er positiv eller negativ. For at vi skal bruke elektroskopet til å bestemme hva som er positivt og negativt, så må vi kjenne fortegnet på en testladning. Vi vet f.eks. at glass alltid blir positivt om det gnies med plast, men det betyr ikke at glass får en positiv ladning uansett hva vi gnir det med.

1 Oppladet elektroskop
2a Spriker mer fordi staven har samme ladning
2b Spriker mindre fordi staven har motsatt ladning

Eksempel: Om vi gnir et reagensrør med en plastpose flere ganger og lar reagensrøret berøre elektroskopet flere ganger ser vi at elektroskopet lades opp litt mer hver gang. Når vi så neste gang holder reagensrøret i nærheten av elektroskopet ser vi at elektroskopet spriker ytterligere som følge av en slags dipolvirkning. Det er da et tegn på at glasstaven og elektroskopet har samme ladning (+). Om vi så gnir reagensrøret med bomull eller ull, vil vi sannsynligvis fortsatt observere at vi har samme spenning (+). Men om vi derimot gnir reagensrøret med menneskehår eller en kaninpels vil vi kunne oppleve at elektroskopet går sammen når reagensrøret nærmer seg. Det betyr da reagensrøret nå har fått tilført elektroner og er blitt negativt.

Den triboelektriske serien

Benjamin Franklin (1706-1790) var den første som gjorde systematiske studier av elektostatiske krefter, og det var han som innførte begrepene positiv og negativ ladning. I vår moderne tid har ellers Franklins statiske elektrisitet fått en ny aktualitet. ESD (ElectroStatic Discharge) er et problem for moderne elektronikk. Et kjennetegn på moderne elektronikk er at komponentene er blitt mindre. Det betyr mindre strømforbruk og mer regnekapasitet på et lite område. Samtidig betyr det også at relativt små elektrostatiske spenninger kan få strømmen til å hoppe over på feil steder og ødelegge elektronikken. Vi mennesker vil f.eks. føle ubehag ved elektrostatiske spenninger på noen hundre volt. Enkelte komponenter i en datamaskin kan bli ødelagt ved spenninger på ca 100V. Det betyr at vi kan ødelegge et kretskort bare ved å ta på det uten at vi kjenner noe spenning selv. Nedenfor følger en såkalt triboelektriske serie med endel vanlige stoff. I en slik serie er det ladningen de får når de gnies, som bestemmer hvor de skal plasseres i forhold til de andre stoffene. Jo lenger fra hverandre to stoffer befinner seg på denne serien, jo større ladningsforskjell får de ved gnidning. Et råd fra et datablad: "Bruk ikke kaninpels når du håndterer elektronikk!" Merk at det finnes ulike typer glass, plast osv (med ulik kjemisk sammensetning) og om man gjør praktiske forsøk vil man ofte oppleve at man får andre rekkefølger enn det denne serien tilsier. Man bør altså ikke oppfatte denne serien som fasiten, men som et eksempel på en generell tendens.

Merk at reagensrøret vi har nevnt tidligere ble negativt når vi gned det mot menneskehår. Det betyr da at dette spesielle glasset får en plassering til høyre for menneskehåret og til venstre slik serien ovenfor viser . Om vi ønsker store elektrostatiske spenninger må vi velge stoff som befinner seg langt fra hverandre i serien ovenfor og gni disse mot hverandre. Om vi derimot ønsker å unngå statisk elektrisitet og tilhørende gnister kan vi bruke stoff i hansker og klær som i serien befinner seg nær det vi arbeider med. Videre er det mulig å koble ulike gjenstander til jord for å unngå statisk elektrisitet.

Elektriske felt

De elektriske kreftene som er nevnt ovenfor kan relativt lett observeres gjennom de virkningene de har. I vitenskapelige sammenhenger er det vanlig å tenker seg at de elektriske kreftene er forårsaket av et usynlig bakenforliggende elektrisk felt. Dette er som sagt usynlig, men man finner da ofte figurer som tegner dette og eksemplet til høyre viser da en slik figur. De stiplede linjene er da elektriske feltet mens kulene med + og - er ladningene som lager det aktuelle feltet.

Magnetiske krefter

I dagligtale har ofte magnetisk fått en slags utvidet betydning hvor det knyttes til alle typer krefter som dra ting sammen ("magnetisk tiltrekning"). Målet her er da gjenkjenning av de originale magnetiske kreftene og en forståelse for hvordan de virker. Her har vi brukt en hesteskomagnet som symbol på magnetisme. Slike magneter er egentlig sjeldne, men av en eller annen grunn er denne formen blitt knyttet til magnetisme, og et poeng her er da at magnetisme er noe som er knyttet til enkelte stoff. Den vanligste måten å marker magnetisme er vel ved å tegne et magnetfelt rundt og den metoden er da også brukt her da magneten har noen streker mellom polene.

Ulike magneter

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 alt elektromagnetisk utstyr, men det er da ikke tema her. Her vil vi bare understreke at magnetismen er grunnleggende i mange sammenhenger.

Magnetisme i skolen
I læreplanverket for grunnskolen har magnetiske krefter (det vi vanligvis tenker på når vi snakker om magneter) fått mer omtale enn elektriske krefter (ofte betegnet med statisk elektrisitet for å skille det ut fra vanlige elektriske fenomen hvor elektrisk strøm er sentralt). 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. Magnetisme er kanskje et av de fysikktemaene som er vanskeligst å forstå. Litteraturen som beskriver magnetismen er da ofte forvirrende og i mange tilfeller 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. En kommentar til dette er da bare at det vel ikke er rettferdig 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 for å bli tilkjent et vitnemål. Erfaringer som lærer tilsier videre at det er først når vi kan formidle et fagstoff videre til andre at vi oppdager om vi virkelig har forstått fagstoffet. Dette er da en grunn til å være skeptisk til dem som sier at de kan fagstoffet, men ikke kan formidle det videre til andre mennesker med vanlig allmennfaglig bakgrunn.

Fakta om magnetisme

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

Magnet: om magnetismen henger igjen (stål..)
Magnetisk: om det bare er magnetisk nær en annen magnet (bløtt jern..) 

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 opplever 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 i en annen sammenheng.

Det som er sagt foran er uproblematisk fordi det er kun er snakk om en begrepsoppklaring og de fleste er enige om denne begrepsbruken. Problemet oppstår når vi videre skal prøve å si noe generelt om de magnetiske kreftene som vi observere og som er de som er årsaken til at vi har innført begrepet magnetisme. 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 en måter å beskrive retningen til de magnetisk kreftene:

Tiltrekning når ulike poler er nær hverandre
Frastøting når like poler er nær hverandre



Like poler frastøter hverandre, motsatte poler tiltrekker hverandre
 


Figuren viser en permanent magnet og en elektromagnet omgitt av små testmagneter/kompass

Her vil vi kort nevne at dette er en av flere måter å beskrive de magnetiske kreftene på. Dette er da den mest vanlige i skoleverket og her vil vi bruke den selv om den har åpenbare svakheter som vi skal komme tilbake til etterhvert. Figuren til venstre viser da hvordan ei gymnasbok beskriver retningen til de magnetiske kreftene. (Ergo 3 FY grunnbok (Asch. 1998 s134)). Det som kjennetegner denne måten er da at man konsentrerer seg om de tilfellene hvor to poler er nær hverandre og så vil man enten få frastøting eller tiltrekking etter en bestemt lovmessighet. Forutsetninger er da at man har to magneter slik som f.eks. i leketog(Brio) ol. Hvis man derimot har en magnet og jern slik som man har i f.eks. magneten som brukes til å feste beskjeder på kjøleskapsdøra, så vil vi alltid få tiltrekning. Men også i dette tilfelle kan man anvende regelen her fordi jernet i kjøleskapsdøra blir en magnet så lenge den andre magneten er i nærheten. Til høyre vises en mer popularisert måte å illustrere den aktuelle lovmessigheten som er hentet fra ei grunnskolebok (Yggdrasil Natur og miljøfag 5 (Asch 1997 s122))

 Dette er den vanlige måten som man forklarer magnetisme i de laveste klassene i grunnskolen. Her vil vi kort prøve å få fram begrensningen eller problemene med denne måten å beskrive de mangnetiske kreftene.

Problem 1: Nordpoler og sørpoler er "ingenting" og kan derfor ikke være årsaken til kreftene!
Nordpol og sørpol er nyttige begrep i mange sammenheng og det er ikke noe galt med dem i og for seg. Problemet er at slike forklaringer som er gitt ovenfor etterlater et inntrykk av at kreftene virker mellom polene og dermed er det naturlig å tenke at det er polene som er årsaken til kreftene. Dette er da ikke tilfelle. Her vil vi ikke gå i detalj, men bare nevne at en elektromagnet (en spole som det går strøm i ) også er en magnet, selv om den ikke har en jernkjerne, og i slike tilfeller får vi da problemer med å si hva som konkret er polene. Det er med andre ord bare luft der som polene skulle være og det er da ikke denne luften som er årsaken til de magnetiske kreftene. I forbindelse med permanente magneter kan vi tenke oss at det er selve enden som er polen, men her vil vi da understreke at det ikke er disse endene alene som er årsaken til de elektriske kreftene, men hele magneten. I en elektromagnet er det tilsvarende hele den strømførende spolen som er årsaken til de magnetiske kreftene. Problemet er da at en elev som tenker at det må være en årsak til en virkning (et godt vitenskapelig prinsipp) vil da få problemer om han prøver å tenke på magnetiske krefter som noe som virker mellom magnetiske poler. Sjansene er da store for at han gir opp å forstå magnetismen og finner seg andre interesser. Poenget her er at læreren bør være klar over hvilke begrensninger som ligger i den magnetismeforklaringen som brukes i skolen, og det kan være aktuelt å introdusere elevene for andre magnetismeforklaringer som ikke er beheftet med disse problemene som er nevnt her.

 Problem 2: Ulike poler tiltrekker hverandre bare på utsiden, ikke på innsiden
Permanente magneter er vanligvis ikke hule slik elektromagnter (spoler) er. Men det er mulig å lage hull i permanente magneter og i slike tilfeller hvor man plasserere en liten magnet inni en større mangnet finner vi at det er like poler som tiltrekker og ulik frastøter (motsatt av den regelen som er nevnt tidligere). Årsaken til dette er da bare at det er magnetiske krefter også inni magnetene. En måte å demonstrere dette på er å bruke små kompass sammen med en elektromagnet som da består av en strømspole. Dette er da årsaken til at vi har føyd til ordet 'utenfor' i lovmessigheten ovenfor. Merk ellers at dette problemet er i slekt med problemet om at strømmen går fra -polen til +polen inni batteriet. I begge tilfellene har lærebøkene en tendens til å "glemme" at det er noe inni batteriet og noe inni magneten. Problemet er i denne sammenhengen at noen elever kan begynne å lure på hva som er inni batteri og magneter og da bør læreren ha tenkt gjennom dette problemet. Her vil vi da bare understreke at både strømkretsen og magnetfeltet utgjøre en lukket sirkel og det er derfor høyst relevant å spørre hva som skjer inni batterier og magneter.

Illustrasjoner av magnetiske feltlinjer omkring ulike magneter

Problem 3: Magnetfelt - oppklarende eller forvirrende

 I forbindele med magnetisme er det vanlig at man snakker om et magnetfelt. Her følger så noen figurer av slike magnetfelt som er hentet fra ulike lærebøker.

Den øverstefiguren er henter fra Ergo 3 FY grunnbok (Asch. 1998 s134). Her har man da plukket ut noen feltlinjer og markert dem som stiplede linjer i luftrommet omkring magneten. Her er det derimot ikke noe som antyder at feltlinjene fortsetter inni magneten. En elev som bare ser tegninger av magnetfelt, vil kanskje lure på hva det egentlig handler om. Her har man da plassert noen kompassnåler som da viser hvordan magnetfeltet påvirker disse.

Neste figur så magnetfeltet rundt jorda fra Ergo 3 FY grunnbok (Asch. 1998 s135). I denne figuren har magnetfeltet fått retning og en huskeregel er da at retningen er den vegen nordpolen på et kompass peker. Merk at nordpol er definert slik at den kompasspolen som peker nordover er en nordpol og det betyr da at den magnetiske polen som ligger nær jordas nordpol er en magnetisk sørpol! Merk ellers at magnetfeltet ikke er parallelt med jordoverflata når vi befinner oss i Norge. Magnetfeltet går faktisk på skrå ned i bakken med en vinkel omkring 70°.

Den tredje figuren er fra O-fag 6B Grunnbok (Gyldendal 1986 s150) er da et eksempel på en figur med uheldig retning på feltlinjene. Sannsynligvis er det en tegner og ikke en lærer som har laget den og mye tyder da på at han ikke har forstått fullt ut at kompasset innstiller seg i retning langs med feltlinjene.

Hva er så problemet med feltlinjene? Her vil vi ikke gå i detalj, men bare nevne at magnetfeltet er definert som noe som står normalt på både involvert kraft og involvert strøm(fartsretning) i formelen: F=qv×B. Dette magnetfeltet kalles ofte B-feltet etter det synbolet man bruker i vitenskapelig litteratur. Bakgrunnen for å tegne feltet slik har nok sammenheng med at jernfilspon og annet magnetisk stoff (kompassnåler ol) 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". I figuren under til høyre har vi skissert et forsøk hvor vi har tegnet magnetfeltet rundt en magnet som ligger i bunnen av ei skål med vann. Så slipper vi en testmagnet som flyter på en isoporbit i ulike posisjoner i forhold til den store magneten. Resultatet er da at de magnetiske kreftene som drar på testmagneten tilsynelatene er uavhengig av feltlinjene. Det er i det minste vanskelig å oppdage et system siden testmagneten vi følge magnetfeltlinjene når den slippes nær polene men den vil gå på tvers av magnetfeltlinjene når den slippes nær "ekvator" Problemet er med andre ord at det er vanlig å tenke at et felt forteller noe om retningen til de kreftene som virker. Det er da tilfelle både ved gravitasjonsfelt og elektriske felt. Det er da forvirrende å oppdage at dette prinsippet ikke gjelder for magnetfelt og det kan kanskje være en grunn til at mange føler at magnetisme er vanskelig å fatte. I prinsippet kan man si at magnetfeltet forteller hvilke veg en "enslig norpol" vil trekkes, men siden det ikke finnes "enslige nordpoler" i naturen, så vil vi heller ikke oppleve at ting følger magnetfeltlinjene i praksis. Merk at hvis vi deler en magnet på midten, så vil de to nye magneten vi får fortsatt ha en nordpol og en sørpol. Magnetiske poler vil med andre ord alltid opptre som par og "skilsmisse" er da umulig.

Demo-forsøk: Legg en stor magnet i ei skål med vann. Legg en liten magnet på en isoporbit og observer bevegelsene. Merk at den løse magneten ikke vil bevege seg langs feltlinjene. Disse forteller da bare hvilke vei en dreibar magnet vil orientere seg

Det viktigste i forhold til undervisningen i grunnskolen er da at det er nyttig å henvise til et magnetisk felt som er årsaken til de magnetiske kreftene vi observerer. Det er derimot ikke så viktig å tegne dette feltet, 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").

Likheter og ulikheter mellom elektriske og magnetiske krefter

Skal vi beskrive noe nytt for elever, 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. Merk ellers at det er 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 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 også 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.

5 En alternativ beskrivelse av magnetisme

Som nevnt ovenfor er den tradisjonelle beskrivelsen av magnetiske krefter: Like poler fraskyver hverandre, ulike poler tiltrekker hverandre uheldig. Kreftene mellom to magneter er tilsynelatende mer komplisert enn det som fremkommer av denne regelen. En årsak til dette er da at det mellom magneter egentlig ikke er snakk om ren tiltrekning eller frastøting, men vel så mye om vridningskrefter.

Figuren til venstre viser at vi må bruke ytre krefter for å holde to like magnetpoler nær hverandre. Hvis vi slipper disse magnetene vil vi oppleve at magnetene vil bevege seg litt fra hverandre, men samtidig vil magnetene vri på seg og resultatet blir at magnetene vil trekkes sammen med en nordpol mot en sørpol slik som vist når muspekeren føres over figuren. Frie magneter vil alltid vri seg slik at det blir en netto tiltrekning mellom dem.

I tillegg til at det virker magnetiske krefter mellom ulike magneter så vet vi også at det virker magnetiske krefter mellom en magnet og visse metaller. Jern, Cobolt og Nikkel er eksempler på slike magnetiske stoff som blir tiltrukket av en magnet. På figuren til høyre har vi plassert tre ulike stoff på et bord:

1 En permanent magnet
2 En jernbit
3 En bit aluminium

Før så muspekeren over figuren til høyre. Vi ser da at en magnet vil tiltrekke seg en annen magnet (1).  I tillegg vil også en jernbit (2) bli tiltrukket av en magnet.  Vanlig jern oppfører seg ikke som en magnet når det er for seg selv, men når det kommer i nærheten av en magnet vil det begynne å oppføre seg som en magnet. I tilfelle 3 har vi da et eksempel på et ikke-magnetisk stoff. De fleste stoffene vi omgir oss med vil da ikke bli påvirket av en magnet. Hvorfor er det bare visse stoff som blir magnetiske i nærheten av en magnet?

Hva er årsaken til magnetiske krefter?
Det naturlig spørsmålet som dukker opp før eller siden er: Hva er det som skaper de magnetiske kreftene? I praksis har det vist seg at vi kan få magnetiske krefter på to forskjellige måter. Magnetiske krefter mellom permanente magneter og magnetiske stoff, som er beskrevet ovenfor, er da den som er enklest å observere, men samtidig er det den som er vanskeligst å forklare.

Før muspekeren over figurene..

Den andre måten å fremskaffe magnetiske krefter er via elektrisk strøm, og denne vil vi da se nærmere på her. Det mest grunnleggende forsøket man kan tenke seg i forbindelse med å forklar årsaken til magnetiske krefter er da vist skjematisk til høyre. Figurene viser to strømkretser med batteri og bryter i tillegg til to relativt lange tynne nærliggende ledere. Når det så går strøm (I) gjennom disse lederne vil de påvirkes av magentiske krefter (F) og dette vises da ved at de blir avbøyet. Dette er et forholdsvis enkelt forsøk som man kan gjøre ved hjelp av et 4,5V batteri og noen strimler med aluminimumsfolie (Demonstrasjonsforsøk)

Forskjellen på tilfellet med strøm og tilfellet uten strøm, er da at elektroner beveger seg i det ene tilfellet, og konklusjonen må derfor være at ladninger som beveger seg vil være opphav til magnetiske krefter og selv bli påvirket av magnetiske krefter. Når ladningsbevegelsen stopper vil de magnetiske kreftene opphøre. Det er da det samme prinsippet som brukes i elektromagneter. En elektromagnet er da en spole med mange vindinger og det er da en kjent sak at strøm gjennom den aktuelle spolen vil medføre at spolen vil gi opphav til magnetiske krefter på samme måten som en magnet. Hensikten med mange vindinger i en spole er da å øke de magnetiske kreftene. Jo flere ledere som ligger sammen og fører den samme strømmen, jo større blir de magnetiske kreftene omkring lederne. Videre er det slik at området inni spolen ligger nær alle vindingene og følgelig blir de elektriske kreftene spesielt sterke inni spolen.

Bør vi erstatte poler med strømpiler?
Ovenfor har vi tegnet magneter som staver hvor norpolen er farget rød og sørpolen er farget blå. Det er relativt vanlig å bruke slike magneter i skolesammenheng. På figuren til høyre har vi vist to andre måter å tegne magneter. En vanlig metode er å markerer nordpolen med en N og sørpolen med en S, og det er da denne som er knyttet til regelen om at Like poler fraskyver og ulike poler tiltrekker hverandre. Men denne regelen kan da ikke brukes i forbindelse med strømlederne som er vist på figuren ovenfor fordi det ikke finnes noen nordpol og sørpol i dette tilfellet.

En alternativ beskrivelse av magnetiske krefter som gjelder i begge tilfeller er følgende:

Alternativ 2: Lik strømretning gir magnetisk tiltrekning, ulik strømretning gir magnetisk frastøting.

Denne beskrivelsen har da sitt opphav i forsøket med elektriske ledere og det er derfor lett og overbevise seg om at beskrivelsen gjelder i tilfeller hvor det er strøm som lager magnetfelt. Men i tilfellet hvor det er permanente magneter som lager magnetfelt, så er det nødvendig å tenke seg at det er en slags strøm som også lager magnetfelt i dette tilfellet. Det er relativt vanlig å anta at det er dreiing av ladninger (spinn) som er årsaken til magnetismen i permanente magneter. På figuren til høyre har vi antydet at mange ladninger kan dreie i samme retning. Om vi tenker oss at vi ønsker å summere den aktuelle dreiingen vil vi oppleve at motsatte dreinger inni magneten vil utlignes, mens det bare er langs overflaten at det blir en sum som er forskjellig fra 0. Figuren til høyre viser da de to pilene (<<) retningen til dreiesummen. Det er da disse pilene som er tegnet på figurene ovenfor og når vi samtidig konsentrerer oss om de stedene på magnetene som er nærmest hverandre fordi det er her kreftene viker sterkest, så er det relativt enkelt å overbevise seg selv om at alternativ 2 ovenfor vil kunne beskrive alle magnetiske krefter.

Høyrehåndsregelen: Når fingrene på høyre hånd peker i strømretningen vil tommelen peke mot nordpolen

Her vil vi kort konkludere med at en markering av strømretning langs ytterkanten av en stavmagnet er i samsvar med virkeligheten selv om det ikke er snakk om en strøm av elektroner slik vi har i en elektromagnet. Poenget med å bruke strømpiler på magneter er at man da har en konsekvent måte å markere magnetiske krefter som gjelder i alle tilfeller. Man slipper da å avlære tidligere lærdom fordi den ikke gjelder i alle tilfeller. Den siste magnetismeforklaringen gjelder da også i tilfellet hvor man har en magnet inni en annen magnet.

Merk ellers at man kan bruke "høyrehåndsregelen" når vi skal tegne om fra "poltegning" til "strømpiltegning". Prinsippet er da at man med høyre hånd holder rundt magneten og i dette tilfellet vil tommelen peke mot nordpolen mens de andre fingrene peker i strømpilretningen.

I en permanent magnet er en majoritet av domene låst i en bestemt retning, men denne låsingen vil opphøre om temperaturen blir høy

Et paramagnetisk stoff vil sette opp et magnetfelt som forsterker ytre magnefelt, ellers er de umagnetisk. Merk at ferromagnetisme er en sterkere form for paramagnetisme.
 

6 Flere 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, men det er ikke sikkert at de bør være pensum.

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 domener som snues mer eller mindre i forhold til det ytre magnetfeltet.

Et diamagnetisk stoff vil sette opp et mangetfelt som motvirker ytre magnetfelt. Supraledning er en sterk form for diamagnetisme. Forklaringen på dette kan være at ladninger "dreier med" og får nordpol overfor nordpol og sørpol overfor sørpol.

Figuren viser magnetiskefeltlinjer omkring et diamagnetisk og et paramagnetisk stoff.

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. Diamagnetisme synes å være en grunnleggende egenskap i alle stoff, selv om den i enkelte sammenhenger "overdøves" av paramagnetiske effekter. Figuren til høyre viser hvordan vi kan tenke oss at denne effekten oppstår.