Av S. Hussain Ather • Uppdaterad 30 augusti 2022
Magneter trycker ibland undan varandra och drar sig ibland ihop. Att förstå den subtila fysiken som styr detta beteende är avgörande för allt från elmotorer till medicinska bildapparater.
Precis som elektriska laddningar finns magnetiska poler i två typer:norr (N) och söder (S). En nordpol attraherar alltid en sydpol, medan två nordpoler eller två sydpoler stöter bort varandra. Denna enkla regel ligger till grund för driften av kompasser, magnetiska lager och många industriella tillämpningar.
När laddade partiklar rör sig genererar de magnetiska fält som utövar krafter på andra rörliga laddningar. Biot–Savart-lagen kvantifierar denna interaktion:
F = \frac{\mu_0 q_1 q_2}{4\pi |r|^2} \; v_1 \times (v_2 \times r)
Här är μ₀ =12,57×10⁻⁷H/m är vakuumpermeabiliteten, q₁ och q₂ är avgifterna, v₁ och v₂ deras hastigheter och r separationsvektorn. Korsprodukten indikerar att kraften beror på de relativa rörelseriktningarna och separationen.
Till skillnad från elektriska krafter verkar magnetiska krafter bara på rörliga laddningar och aldrig på statiska magnetiska monopoler - partiklar som bara skulle ha en magnetisk pol. Inga experimentella bevis för sådana monopoler har ännu hittats.
Tecknet för korsprodukten avgör om två rörliga laddningar attraherar eller stöter bort. Om de resulterande kraftvektorerna pekar mot varandra, attraherar laddningarna; om de pekar bort, stöter laddningarna bort. Samma princip gäller för makroskopiska magneter:orienteringen av deras magnetiska moment avgör om de trycker eller drar.
Ström i en tråd producerar ett magnetfält som kan visualiseras med den högra linjalen. Peka med tummen i riktning mot den konventionella strömmen; dina böjda fingrar visar fältets riktning. Två parallella ledningar som bär strömmar i samma riktning attraherar, medan strömmar i motsatta riktningar stöter bort – en effekt som utnyttjas i elektromagneter och magnetisk levitation.
Lorentz kraftlagen utvidgar denna idé till laddade partiklar som rör sig genom yttre fält:
F = qE + qv \times B
där E är det elektriska fältet, B magnetfältet och v partikelns hastighet. Korsprodukten bestämmer återigen riktningen för den magnetiska komponenten.
Varje magnet beter sig som en liten dipol med ett magnetiskt moment m . När den placeras i ett externt fält B , den upplever ett vridmoment:
τ = m \times B = |m||B|\sin\theta
Det vridmomentet riktar in dipolen med fältet, som ses i en kompassnål som pekar mot geografiskt norr. Den potentiella energin för en dipol i ett fält är U = -m\cdot B = -|m||B|\cos\theta , når ett minimum när dipolen är i linje med fältet.
Atomer med oparade elektroner (paramagneter) attraheras av magnetfält, medan atomer med alla parade elektroner (diamagneter) stöts bort. Syrgas (O₂) är paramagnetisk, medan kvävgas (N₂) är diamagnetisk. Beteendet härrör från interaktionen av atomära magnetiska dipoler med yttre fält.
När en stark neodymmagnet flyttas längs en stålskruvmejsel, blir skruvmejseln tillfälligt magnetiserad. Att ta bort magneten lämnar kvar en kvarvarande magnetism – en verklig illustration av magnetisk induktion och attraktionskraften mellan inriktade dipoler.
Att förstå dessa principer utrustar ingenjörer och forskare att designa effektivare motorer, säkra magnetiska lager och avancerade medicinska bildsystem.
