Slik fungerer magnetfelt: poler, feltlinjer og kompass

Poler og de to enkle reglene

Alle vanlige magneter har to ender der tiltrekningen er sterkest. Vi kaller dem nordpolen og sørpolen. Hvis du deler en stavmagnet i to, får du ikke én nordlig del og én sørlig del. Du får to mindre magneter, hver med sitt eget par av poler.

Kreftene mellom polene følger én enkel regel: like poler frastøter hverandre, og ulike poler tiltrekker hverandre. To nordender skyver hverandre bort, to sørender skyver hverandre bort, og en nordende trekkes mot en sørende.

Derfor kan en magnet både tiltrekke og frastøte, noe gravitasjon aldri gjør. Det gir også et hint om hvorfor polene alltid kommer i par: En magnet er en dipol.

Hva et magnetfelt er

En magnet endrer rommet rundt seg. I hvert punkt finnes det et magnetfelt, skrevet B, som har både en styrke og en retning. Vi måler det i tesla (T). En kjøleskapsmagnet har noen få tusendels tesla nær overflaten. Jordas felt ved bakken er bare omtrent femti milliondels tesla.

En annen magnet eller et stykke jern som plasseres i dette rommet, påvirkes av en kraft på grunn av feltet der. Feltet er det som overfører vekselvirkningen over avstanden. Det er en kraftigere idé enn «magnetene trekker i hverandre», fordi den fortsatt fungerer når du fjerner den andre magneten: Feltet er der fortsatt.

Slik leser du feltlinjer

Vi kan ikke se et felt, så vi tegner feltlinjer. Noen få regler gjør dem lette å lese:

• linjen i hvert punkt viser retningen feltet peker i der,
• linjene går ut fra nordpolen og inn i sørpolen, og
• linjer som ligger tett, betyr et sterkere felt, mens linjer med større avstand mellom seg betyr et svakere felt.

Strø jernfilspon på et ark over en stavmagnet, så blir hvert lille spon til en minimagnet som stiller seg på linje med feltet. De samler seg i det samme buede mønsteret som diagrammene viser, tett ved polene og med større avstand mellom seg lenger unna. Feltlinjer krysser aldri hverandre, fordi feltet i et punkt bare kan peke én vei.

Kompass leser feltet

En kompassnål er en liten magnet som kan dreie fritt. Nordenden svinger rundt og peker langs det lokale feltet. Derfor kan et kompass registrere feltretningen, og slik kan du kartlegge et felt, ett punkt om gangen. Langt unna andre magneter er feltet den påvirkes av, jordas felt. Derfor stiller nålen seg mot den geografiske nordretningen. Siden motsatte poler tiltrekker hverandre, oppfører den delen av jorda som ligger nær den geografiske nordpolen, seg som en magnetisk sørpol.

Hvorfor feltet svekkes så raskt

Langt unna en liten magnet avtar feltet som 1 / r³, der r er avstanden fra sentrum. Dobler du avstanden, blir feltet redusert til én åttendedel. Tredobler du den, er feltet redusert til én tjuesjuendedel.

Grunnen er dipolstrukturen. En magnet har en nordpol og en sørpol nær hverandre, og på lang avstand opphever virkningene deres hverandre delvis. Sammenlign dette med den enklere regelen 1 / r² for én enkelt, isolert kilde. En dipol har ingen enkeltkilde å følge, så den gjenværende virkningen avtar raskere.

Derfor kan en sterk magnet løfte en spiker på noen få millimeters avstand, men har ingen virkning fra én meters avstand. Simuleringen viser dette som et felt som raskt blir svakere idet du flytter måleinstrumentet bort.

Å legge sammen felt og nøytralpunkter

Når to magneter ligger nær hverandre, legges feltene sammen som vektorer, punkt for punkt. Dette kalles superposisjon. Hvis to felt peker samme vei, forsterker de hverandre. Hvis de peker motsatt vei og er like sterke, opphever de hverandre.

Et punkt der det totale feltet er nøyaktig null, er et nøytralpunkt. Et kompass som plasseres der, har ingen bestemt retning å følge, så nålen kan stille seg i hvilken som helst retning. Du kan finne slike punkter ved å rette to like poler mot hverandre: Feltene presser mot hverandre, og et sted mellom magnetene balanserer de.

Vanlige misforståelser

• «Magneter tiltrekker seg alt av metall.» Bare noen få materialer, særlig jern, nikkel og kobolt, reagerer kraftig. Aluminiumsbokser og kobbermynter fester seg ikke.
• «Et kompass peker mot en pol på magneten det er nær.» Det peker langs det lokale feltet, som bøyer seg. Nær en magnet kan det derfor peke langt unna den nærmeste polen.
• «Feltlinjer er ekte tråder.» De er et verktøy for å tegne feltet. Feltet finnes overalt, ikke bare langs linjene.
• «Jordas nordpol er en magnetisk nordpol.» I magnetsammenheng er den det motsatte, slik kompassforklaringen ovenfor viser.

Slik utforsker du dette i laboratoriet

I Feltlaboratoriet kan du plassere magneter, dra i sonder og se 3D-feltet. En foreslått rekkefølge gjennom den første gratis verdenen:

1. Test regelen for frastøting og tiltrekking i Poler og krefter.
2. Tegn det usynlige med Feltlinjer og jernspon.
3. Se hvorfor en nål svinger i Kompasset og jordas felt.
4. Mål hvordan feltet avtar i Felt blir raskt svakere, og let deretter etter nullpunkter i Nøytralpunkter.

Laboratoriet er en forenklet undervisningsmodell med idealiserte magneter, så formene er ryddigere enn de ujevne feltene til virkelige magneter. Ideene gjelder likevel også i virkeligheten.