Magnetism

Magnetiska material är mycket viktiga. Antagligen har kompasset varit av avgörande betydelse för världshistorien. Många motorer och generatorer använder magneter, de återfinns också i högtalare, i mikrovågsugnar och i många leksaker. Magnetiska material används för lagring av information i kassettband och hårddiskar. Och utan mjuka magnetiska material skulle transformatorer inte vara särskilt bra. Fysiken bakom dessa material är alltså kommerciellt viktig, men ochså vetenskapligt mycket intressant. Forskning pågår.

B-fält och H-fält

Ett stort problem i magnetism är förvirringen i enhetssytemen. Historien spår syns fortfarande i tabeller och översiktsverk. Vi ska försöka hålla oss till SI-enheter, men även i Système Internationel finns det två magnetiska fält: H-fältet och B-fältet. Jag är inte helt övertygad att de båda behövs, men de finns om inte i naturen i alla fall i fysikböckerna, och man måste kunna dem.

H-fältet betonar hur ett magnetfält uppstår. Om man har en oändlig lång spole med n  lindningar per meter och det går en ström av 1/n  Ampère genom spolen (n stor), då är  H-fältet i spolen lika med 1 A/m.
Vi kan också tänka på Ampères lag, för kringintegralen av H-fältet kring en ledare med ström I:

så att för H-fältet på ett avstånd  r från en lång ledare med ström I är given av

B-fältet betonar magnetfältets verkan. B-fältet kallas också för magnetisk induktion eller magnetisk flödestäthet. Det sista är ett uttryck som jag gillar, det kan hjälpa att få ett intuitivt förståelse för fluxlinjer osv.
En effekt av ett ändrande magnetfält är att det ger upphov till elektriska spänningar (induktionsspänningar). Spänningen är det amgentiska flödets tidsderivat

där Φ är flödet genom en lindning och N antalet lindningar. Flödestätheten B = Φ  /A, där A är lindingens inneslutna yta. Om lindningarna form inte ändras, har vi alltså

Vi ser att flödets enheter är Vs eller Wb(Weber) och att B-fältet uttrycks i Vs/m eller Tesla (T).

I vakuum är B-fältet och H-fältet alltid parallella med varandra. Proportionalitetskonstanten kallas för vakuumets magnetiska permeabilitet, och enligt SI-definitioner gäller

Vi ser då att B-fältets enhet Tesla också är ekvivalent med N/(Am). Det knyter till exempel an till Ampèrens definition, att det går en ström av 1 A genom två parallella ledningar på ett avstånd av 1 meter ifrån varandra om kraften mellan dem är 2× N/m.

På samma sätt som det elektriska E-fältet har ett energi-innehåll per volymenhet, har också B-fältet en energitäthet:

I båda fallen stämmer enheterna med energitäthet (J/m, eftersom VAs = Ws = J) eller med tryck (N/m). Det sista ger en hint hur vi kan räkna ut bärkraften av en magnet. Om flödestätheten är i magneten är 2 T(ett typiskt värde för järn), måste den också vara 2 Tesla när det uppstår en luftspalt. Trycket är då

Laborarotoriummagneter kan producera ett fält av ungeför 10 Tesla. Jordens magnetfält är ungefär 50 μT eller 40 A/m.

Historiska enheter är Gauss och Oersted, och de används fortfarande.

Jordens magnetfält ligger runt båda en halv Gauss och en halv Oersted.