Grodan flyger

Ett specialarbete av Kevin A. Lund

Sammanfattning______________________________________________________________ 2

Inledning____________________________________________________________________ 3

Magneter___________________________________________________________________ 4

Hur är en magnet uppbyggd?___________________________________________________ 4

Jorden är en magnet__________________________________________________________ 4

Vad är magnetism ?___________________________________________________________ 4

Elmagnet___________________________________________________________________ 5

Induktion___________________________________________________________________ 5

Enheten Ampere_____________________________________________________________ 5

Supraledning________________________________________________________________ 6

Grodan flyger________________________________________________________________ 7

Litteraturförteckning__________________________________________________________ 11

Handledare__________________________________________________________________ 11

Slutledning__________________________________________________________________ 12

Sammanfattning

Jag skrev detta specialarbete samtidigt som jag läste om magnetism i fysiken. Jag tänkte: "När jag ändå har så svårt att få tiden att räcka till, varför inte slå två flugor i en smäll”. Jag har alltid haft ett intresse för magnetismen och dess egenskaper. Magnetismen är ett fenomen som man inte kan se med blotta ögat och ändå så är det så användbart. Varför inte gå djupare in i ämnet!

Inledning

Ända sedan 1100-talet så har människorna forskat inom magnetism. De har kommit fram till olika lösningar som gör det lättare för oss i vardagen. Bl.a. så kan man nämna elmotorerna och generatorerna. Vilka båda bidragit till att göra det lättare för oss i vardagen. Motorerna ersatte många gamla verktyg som t.ex. sågen och generatorn gav oss ett sätt att skapa elektricitet av mekaniskt arbete. Men hur kom man på idéerna och hur fungerar de. Jag har på ett ganska ytligt sätt försökt förklara detta...

Ordet magnet kommer i från Magneisa, ett bergsområde i Grekland, som under antiken var känt för sin magnetiska järnmalm. Den första praktiska andvändningen av magneter kom på 1100-talet då man började använda kompassnålar för att navigera till havs...

Magneter

En av de viktigaste råvarorna för framställning av järn och stål är svartmalm. Svartmalm har egenskapen att kunna dra till sig små järnbitar och hålla dem fast. Svartmalmen fungerar som en naturlig magnet och kallas med ett annat namn för magnetit.

Långt innan svartmalmen användes för järnframställning gjorde man experiment med att lägga ett stavformat stycke svartmalm i ett rörligt stativ. Malmstycket fick svänga fram och tillbaka en stund tills den stannade. Varje gång pekade samma ände mot norr. Voila ! kompassen var uppfunnen. Den del av magneten som vänder sig mot norr kallas nordända, den andra sydända.

Hur är en magnet uppbyggd?

Varje järnatom är en liten magnet. Magnetismen är en följd av att elektronerna rör sig kring atomkärnan. I ett vanligt stycke järnmalm är dessa små magneter riktade åt olika håll och upphäver därför varandra. Därför har järn eller stål inget magnetfält och kan därför inte attrahera andra järnbitar eller järnfilspån.

Mjukjärn är ett mycket rent järn, oduglig för de flesta konstruktionsändamål. Håller man däremot en stavmagnet intill en bit mjukjärn, ställer alla järnatomerna in sig i samma riktning. De samverkar och bildar ett starkt magnetfält. Mjukjärnsbiten har tillfälligt blivit en magnet och kan dra till sig järnfilspån. Men tar man bort stavmagneten förlorar mjukjärnsbiten sin magnetism och järnfilspånen faller av.

Stål är järn med en viss halt kol. En stålbit håller kvar sin magnetism sedan den magnetiserats. Den har blivit en s.k. permanentmagnet.

Jorden är en magnet

Jorden själv är en jättestor magnet och man anser att detta magnetfält uppstår genom strömmar i de smälta metaller som finns inne i jordens inre. Magnetfältet sträcker sig ut i rymden och det är tack vare detta magnetfält som vi kan orientera oss med kompasser. Kompassnålens röda nordända ställer in sig mot jordens magnetiska sydända som är placerad vid den geografiska nordpolen. Men kompassnålen pekar inte exakt mot norr, vilket betyder att de två polerna inte sammanfaller exakt. Detta kallas missvisning.

Jordens magnetfält ändras ständigt. Detta gör att de magnetiska polerna flyttar sig. Därför ändras missvisningen från år till år. Missvisningen brukar anges på ett sjökort.

Vad är magnetism ?

Elektromagnetiska effekter ser man överallt i sin vardag. Sedan 1700-talet har man experimenterat med elektriciteten och dess effekter, bland annat magnetism. Det finns två typer av magneter: Permanentmagneter och Elektromagneter. Runt dessa ligger det ett magnetiskt fält som stöter i från, repellerar eller attraherar olika laddningar. Det är just detta fält man kallar magnetism. Det ligger faktiskt ett elektriskt magnetfält kring alla elektriska apparater och ledare men de är oftast så små och utger sällan någon fara för miljö och person. Magnetfältet kring en avlång permanentmagnet liknar mycket på det fält som finns kring en spole (elektromagnet). Fältet kring spolen orsakas av strömmen som flyter genom spolens lindringar. Men vad är det som orsakar permanentmagnetens fält?

En tanke kan vara att det finns någon typ av “ström” inne i magneten, en ström som orsakas av elektronernas rörelser inne i atomerna.

Elektromagnetismen är väldigt vanlig i dagens samhälle och det är många maskiner och apparater som använder sig av den. Dammsugare, elmotorer, transformatorer och TV är några exempel. Och utan att gå för djupt in i apparaternas funktioner så nämner jag bara ett fåtal apparaters tillämpningar av elektromagnetism. I en motor omvandlas den elektriska energin, via magnetisk energi till rörelse-energi och spillvärme. I en modern TV-apparat omvandlas den mesta elektriska energin till magnetfält som används för att leda de olika färgstrålarna från elektronröret (längst bak i bildröret) till rätt plats på skärmen.

Elmagnet

Magnetfältet kring en enda ledare är svagt. Men lindar man ledarna till en spole erhålls ett starkare magnetfält. Styrkan på spolens magnetfält kan ändras genom att man gradvis minskar eller ökar strömmen genom spolen. Likaså om man ändrar strömriktningen ändras magnetfältets riktning.

Man kan förstärka spolens magnetfält kraftigt om man placerar en kärna av mjukjärn inuti spolen. Men hur förklarar man att en mjukjärnsbit förstärker magnetfältet?

Som tidigare nämnt så ligger järnatomerna i mjukjärn normalt vända i alla möjliga riktningar. Varje atom är en magnet, men magneterna upphäver varandras verkan ända tills ett yttre magnetfält rättar in dem åt samma håll.

När mjukjärnsbiten skjuts in i spolen riktas järnatomerna in och spolens magnetfält blir kraftigt förstärkt.

Induktion

Vi vet att det alstras ett magnetfält kring en spole när det flyter ström genom den. Följaktligen borde det skapas en elektrisk spänning i spolen om magnetfältet i spolen ändras. Detta kan man lätt testa med en galvanometer (ett känsligt instrument som visar svaga strömmar och dess riktning). Kopplar man en spole till en galvanometer och skjuter in en stavmagnet så ger galvanometern utslag så länge stavmagneten rör sig. Snurrar man magneten framför spolen kommer visarna på galvanometern att slå fram och tillbaka, man säger att det har uppstått en växelspänning i spolen.

Induktionsspänning uppstår när spolen och magnetfältet rör sig i förhållande till varandra. Det spelar ingen roll om magnetfältet rör sig och spolen står stilla eller om spolen rör sig och magnetfältet står stilla. Induktionsspänningen blir förstås större ju starkare magnetfältet är och ju snabbare det ändras.

Induktion är alltså det fenomen som uppkommer då en ledare rör sig i ett magnetiskt fält, spänningen som uppkommer kallas induktionsspänning eller inducerad emk.

Enheten Ampere

Amerikanen Hall upptäckte att man kan få mätbara spänningar om ett magnetfält får påverka laddningar i rörelse i fasta ämnen. Detta fenomen kallas Halleffekten och har fått mycket stor betydelse för elektroniken, i t.ex. halvledaren germanium är Halleffekten speciellt stor. Tack vare

detta fenomen och med magnetfältet kring en ledare definieras enheten Ampere:

Sen tidigare vet vi att det finns ett magnetfält kring en ledare och att detta magnetfält har en kraft som antingen attraherar eller repellerar andra magnetfält. Följaktligen borde två ledare som löper intill varandra kunna påverka varandra med krafter. Genom att hänga upp två ledare parallellt med varandra så kan visa att så är fallet.

Ledarna attraherar varandra när strömriktningen i dem är lika. Om strömriktningen är olika kommer de att repellera varandra. Med hjälp av attraktionen mellan ledarna har man fastställt enheten Ampere:

1 Ampere är den ström genom två parallella, långa raka ledare på 1 m avstånd från varandra som på längden 1 m ger en magnetisk kraft av storleken 2*10 ^ -7 N.

Supraledning

För en metall minskar resistansen med minskad temperatur. Vad händer om man kyler ner en metall till väldigt låg temperatur. För de flesta metaller avtar resistansen till ett bestämt värde, men för andra metaller som t.ex. kvicksilver uppnår man det man kallar supraledning, vilket innebär att resistansen under en viss temperatur är noll. Denna effekt upptäcktes av den holländske fysikern Kamerlingh Onnes år 1911. Det kan värka lite svårt att tänka sig att resistansen blir noll, eftersom allt har en resistans. För att visa att resistansen försvinner helt har man genom induktion alstrat en ström i en ringformad supraledare och konstaterat att strömmen har cirkulerat i flera år utan att minska i styrka.

En annan viktig egenskap hos en supraledare är de s.k. Meissnereffekten som innebär att ett yttre magnetfält inte kan tränga in i en supraledare. Denna effekt kan förklaras på följande sätt:

Tänk dig från början att det inte finns ett magnetfält runt om supraledaren. Om man lägger på ett magnetfält så kommer det att skapas virvelströmmar i supraledaren. Enligt Lenz lag har virvelströmmarna en riktning som gör att den kommer att motverka det yttre magnetfältet. Om nu man tar en vanlig permanentmagnet och lägger ovanpå en supraledare så kommer den att sväva i luften.

Utvecklingen av supraledare gick vidare, och mellan åren 1911 och 1986 fann man många metaller och legeringar som var supraledande. Den högsta uppmätta kritiska temperaturen var 23 K. (Tk = 273,15 + Tc). De låga temperaturerna innebar att man måste använda flytande helium för att kyla materialet till supraledning. Men flytande helium var mycket dyrt att framställa, vilket innebar att det var i speciella fall, t.ex. i lindningar i mycket starka magneter som man praktiskt utnyttjade det supraledande tillståndet.

Mellan åren 1986 och 1987 upptäckte man plötsligt att en annan typ av material hade en mycket högre kritisk temperatur. Som exempel kan man nämna att det keramiska ämnet YBa2Cu3O7-x (x = 0,05) har en kritisk temperatur på 95 K. Denna temperatur är så hög att man kan använda flytande kväve som kylmedel. Allt eftersom tiden går blir högtemperatursupraledarna billigare att tillverka och användbarheten större.

Går det att flyga med hjälp av elektromagnetism?

Man kan ju fråga sig varför ledningarna hemma på golvet inte lyfter och lägger sig i taket. Dels är det ju ström i ledningarna som ger upphov till ett magnetfält kring ledaren, dels finns ju en ”permanentmagnet” till hands, jordens magnetfält. Tyvärr är inte detta möjligt eftersom jordens magnetfält är alldeles för svagt för sådana prestationer, dels så är det växelström med frekvensen 50 Hz i ledningarna vilket skulle innebär att ledningen skulle ”lyfta” 50 ggr per sekund och ”tryckas” mot golvet lika ofta. Resultat blir ett slött och utjämnat ingenting.

Skulle det gå att bygga en farkost som kan utnyttja jordens magnetfält för att flyga. Svaret är Nej, för att en magnetisk farkost ska kunna lyfta måste en nordpol sättas mot en nordpol eller en sydpol mot en sydpol (repellera). Eller att man skapar en balans däremellan. Den energi som finns i jordens magnetfält räcker på sin höjd till att driva ett par glödlampor, så litet är energiinnehållet. Man kan enkelt se det genom att det krävs lätta metaller i kompasserna för att magnetfältet ska ”orka” flytta kompassnålarna.

Grodan flyger

Två forskare: Andre Giem från Nijmegen universitet i Nederländerna och Peter Main från universitet i Nottingham har tillsammans för första gången i världshistorien skapat en magnet kraftig nog att lyfta djur...

Som du vet så består all materia i hela universum av små partiklar som kallas atomer och inne i dessa atomer finns det elektroner som roterar kring atomkärnan. Om man skulle placera en atom (eller en bit materia som består av miljontals atomer) i ett magnetfält skulle elektronerna som roterar kring kärnan ändra sin rörelse för att motverka det yttre magnetfältet. På detta sätt skapar elektronerna sitt eget magnetfält vilket resulterar i att atomerna blir som små magnetiska nålar vars riktning blir motsatt den riktning som det yttre magnetfältet har. Men det finns material vars atomer är lite tokiga (som t.ex. järn) och älskar att vara i ett magnetfält. Deras magnetiska nålar ställer in sig i samma riktning som det yttre magnetfältet.

Du kommer säkert ihåg, att om man sätter två magneter med samma poler mot varandra pressas magneterna från varandra. Samma sak skulle hända om man hade en jätte-kraftig magnet och lägger t.ex. en groda över den. Grodans atomer som är små magneter repelleras (atomernas "nordpoler"/"sydpoler" pressas från magnetens nordpol/sydpol) av den kraftiga magneten. Kraften från magneten som är riktad upp, ser ut att upphäva tyngdkraften (riktad neråt), tyngdkraften påverkar ju också varje liten atom i grodan. Eftersom magneten upphävde tyngdkraften känner grodans atomer inte av någon kraft och resultatet blir att grodan svävar precis som om den skulle ha varit i ett rymdskepp. För att nämna så ligger tyngdaccelerationen i Sverige på ca. 9,82 m/s² . Vilket skulle innebära att en groda på 100g skulle ha en kraft på 0,982 N riktad neråt.

Men hur skapar man en sådan kraftfull magnet som kan "upphäva" tyngdkraften?

Magneten som de två forskarna framställde har ett magnetfält på 16 Tesla. Som är ca. 100 till 1000 ggr större än en vanlig hushållsmagnet. En högtalares magnetfält ligger mellan 0,001 och 0,01 Tesla. Magneten är en elektromagnet, vars styrka varieras för att hålla föremålet/grodan svävande. För att kyla ner elektromagneten används kylvatten (Vilket framgår av bilden). Med tiden så dröjer det inte länge förrän man klarar att få en människa att sväva över en magnet. Enligt Andre Geim så är det bara ett hinder för att detta skall bli möjligt, och det är pengar…

Ritningen på magneten.

Här är en bild på när grodan svävar i 32 millimeters röret (se ritningen).

Och här är en bild på när en nöt svävar i den kraftiga magneten.

Litteraturförteckning

http://www-hflm.sci.kun.nl/hflm/levitate.html

UPPTÄCK FYSIK B

Fri Tankegång

Handledare

Ulf Bergström

Slutledning

Jag hoppas att alla som läst detta har fått en bättre inblick i vad magnetism innebär och vad det har för nytta i framtiden. Med tiden kanske vi kan bygga farkoster som med hjälp av elektromagnetismen tar oss med till andra planeter.

Även om det i dagens läge ser omöjligt ut så är det inte det. Det enda hinder som finns för revolutionerande utveckling är pengar.