Nanofysiker: Ingeniører må revidere deres brug af Faradays lov

Det er ikke hele Faradays induktionslov, der skal revideres efter den amerikansk-japanske opdagelse af muligheden for energilagring i nanomagneter - kun ingeniørernes version, som bruges, når de konstruerer en generator.

Den er god nok. Faradays lov skal faktisk have en lille tilføjelse, efter at forskere ved Miamis og Tokyos universiteter har pillet ved vores forståelse af magneters natur.

I mandags skrev Ingeniøren, at selveste Faradays induktionslov var i farezonen efter offentliggørelsen af forskningsresultatet i det ansete magasin Nature. Vores læseres reaktioner har været en blanding af optimisme og vantro skepsis. Og med god grund. At flytte på Faraday er som at skubbe til et videnskabeligt grundfjeld.

Professor Per Hedegård fra Niels Bohr Institutet siger:

En magnetnål kan med en finger drejes forsigtigt ud af ligevægt, så den ikke længere peger på den magnetiske nordpol. Det kræver en lille smule energi, som kommer fra fingeren, og som oplagres i magnetnålen, så længe den peger "forkert". Og når man så slipper nålen, vender den tilbage til ligevægtspositionen, mens den frigiver sin oplagrede energi. De amerikanske forskere mener, at med tilstrækkeligt mange nanosmå magneter i et særligt manganmateriale vil man være i stand til at oplagre energi nok til at drive en elbil eller en computer. (Foto: Wikipedia)

»Der er ligesom to udgaver af Faradays induktionslov. Den ene, som er urørt, er en af Maxwells ligninger. Den anden, som skal opdateres, er den, som ingeniørerne bruger, når de beregner generatorer. Den skal have en tilføjelse,« siger han.

Han forklarer, at den mest almindelige kraft, som flytter en elektron i en ledning, opstår, fordi der er et elektrisk felt inde i ledningen, som trækker/skubber i elektronerne. Det elektriske felt løber som en flod gennem lederen og opstår fx, når man forandrer et magnetisk felt uden for ledningen. Det er ikke nyt, og sådan er det stadig.

Det er heller ikke nyt, at de kræfter, der flytter elektroner i et batteri, kaldes kemiske kræfter. I virkeligheden dækker de dog over små elektriske felter, som er helt lokale i meget små områder - til forskel fra "floden" i den elektriske leder.

Det nye er, at elektroner også kan skubbes direkte af magnetiske kræfter, fordi elektroner også er små magneter med en nordpol og en sydpol. De kan altså bevæges helt uden at skubbe med et elektrisk felt.

»Man har længe vidst, at elektroner er små magneter, men den viden er ikke blevet brugt i denne sammenhæng før. Så det er faktisk ret elegant. Jeg er imponeret,« siger han.

Så det er altså sandt, at man nu kan drive en elektrisk strøm, blot med et statisk magnetfelt.

Hvor kommer energien fra?

Det store spørgsmål er så: Hvordan med energiens konstans? For energi kan ikke opstå af ingenting, den skal komme et sted fra, hvor energien derpå bliver mindre, hvis man prøver at få strømmen til at udføre et arbejde.

»Ja, det er det ydre magnetfelt, som er årsag til energien, men den kommer ikke fra det statiske magnetfelt. Feltet er uforandret,« siger han og forklarer videre:

»Inde i det magnetiske mangan-materiale, som blev brugt til forsøget, er der nogle bittesmå områder, som fungerer som magneter i nanostørrelse. Men hvis man nu kommer med et ydre, statisk magnetfelt, så vil nogle af de små magneter pege i den "forkerte" retning. Derved bliver der ophobet en slags potentiel energi, som igen udløses, når magneterne drejer sig i den rigtige retning. Den udløste energi overføres til elektroner i en subtil kvantemekanisk effekt og driver elektronerne rundt i kredsløbet.«

Han sammenligner med en kompasnål. Hvis man med en finger drejer den, så nordpolsnålen for eksempel peger mod vest, så har man tilført en lille mængde energi til nålen. Og når man giver slip, svipper nålen tilbage mod polen og udløser derved sin energi.

Og sådan en energi kan altså oplades og aflades på samme måde som et batteri eller snarere som en kapacitor. For det er en hurtig op- og afladning i nanomagneterne, der ikke involverer flytning af atomer, sådan som ionerne i et batteri.

Imponerende forskning

Summa summarum: Den version af Faradays induktionslov, som er beskrevet i Maxwell ligninger, er uberørt. Relativitetsteorierne er også uskadte. Det betyder, at verden står endnu, og vindmøllegeneratorerne kan roligt fortsætte med at producere strøm, når vinden blæser.

Men ingeniørernes håndbøger skal revideres, hvis de skal udnytte den nye mulighed for energilagring.

»Jeg ved ikke, om denne opdagelse ender med at blive til nye produkter. De fleste gode ideer kommer jo aldrig så langt, fordi der dukker noget op, som står i vejen. Men det er flot forskning, det kan der ikke pilles ved,« siger han.

Kommentarer (14)

Jeg sidder med en sjov fornemmelse af at læse en reel dementi af artiklen fra den 16.marts 2009, selv om det er pakket godt ind.

Det havde været rart hvis Professor Per Hedegård kunne have givet et bud på den ny udgave af Faradays lov og gerne en indikation af hvilke størrelsesordener, de her effekter har ifht. de traditionelle fysiske parametre

Rent formuleringsmæssigt synes jeg teksten er rodet, det ene sted får vi at vide at
>>..Den anden, som skal opdateres, er den, som ingeniørerne bruger, når de beregner generatorer. Den skal have en tilføjelse,« (mon dog?)

lidt senere

>>Men ingeniørernes håndbøger skal revideres, hvis de skal udnytte den nye mulighed for energilagring.<<

Der er jo altså forskel på generering og lagring af energi, så hvad menes der mon? Nok det sidste. Der er vel ikke noget mærkeligt i at ingeniører (og deres håndbøger) skal opdateres, når ny fysik, som superledning o.a. bliver bredere anvendeligt?

  • 0
  • 0

Nej, Claus. Der er skam ikke noget dementi.
Men mange af Ingeniørens læsere har stillet sig skeptisk over for det utænkelige, at røre ved en induktionslov, som bruges dagligt at tusinder af dygtige mennesker. Og det er en glimrende skepsis, som viser, at læserne ikke lader sig binde alt på ærmet.
Flere forskere, som Ingeniøren har talt med om opdagelsen, var også på forhånd yderst skeptiske.
Men professor Per Hedegaard er en fagligt stærk kapacitet på området, og han har læst artiklen i Nature.
I øvrigt har han godkendt sine citater i denne artikel, inden den blev publiceret.

mvh. Kent Krøyer, journalist

  • 0
  • 0

Hej Kent

Det er prisværdigt, du svarer, tak! Det er dejligt, at du gjorde dig ulejligheden at tale med professor Hedegaard, selv om det, i mit tilfælde, ikke hjalp ret meget.

Jeg tror ikke, vi to kan blive enige om fysikken, men jeg vil se, om jeg kan finde artiklen i "Nature" og forstå den.

Venlig hilsen

Claus

  • 0
  • 0

Kære Claus,
Jeg giver dig gerne en mere præcis formulering af den 'nye' Faraday lov. For det første, så gælder Maxwell ligningen

rot E = - dB/dt

som er baggrunden for den velkendte induktionslov stadig. Induktionsloven, som vi lærer den siger

Epsilon = - d Phi/dt.

Her er Epsilon den elektromotoriske kraft i en lukket kreds, og Phi er den magnetiske flux gennem kredsen. Hvis denne flux ændrer sig, så vil der opstå en kraft på elektronerne, der herefter vil drives rundt i kredsen, og der er induceret en strøm.

Det som forfatterne til Nature artikelen har gjort opmærksom på er, at der skal tilføjes et nyt led til højresiden. I stedet for Phi skal der stå

Phi + hbar/e gamma,

hvor hbar er Planck's konstant, e er elektronens ladning og gamma er den såkaldte Berry-fase. Berry-fasen er en rent kvantemekanisk størrelse. Som regel er den nul, men i helt særlige tilfælde, som fx elektroner, der bevæger sig igennem et præcesserende magnetisk område, så vil leddet være forskelligt fra nul.

Som i den sædvanlige induktionslov vil leddet give anledning til en kraft på elektronerne (via deres magnetiske moment - eller spin om du vil), og inducere en strøm. I eksperimenterne rapporteret i Nature artikelen har de målt en strøm på 0.2 mikroAmpere, vel at mærke i et fysisk system, der ikke er større end nogle få mikrometer på hver led.

Mvh
Per Hedegård

  • 0
  • 0

Kære Per

Tak! Og endda så en svagstrømsingeniør næsten kan forstå det.

for lige at få det helt præcist, er den korrekte formulering så
Epsilon = - d (Phi + hbar/e gamma) /dt ?

Jeg kan ikke lige gennemskue at feltet er statisk, når der optræder et tidsdifferentiale, men jeg skal vist læse op på 'Berry-fasen'.

Dejligt at få så autoritativt indlæg, igen tak !

Venlig hilsen

Claus

  • 0
  • 0

Hvis nogen skulle være blevet interesseret (jeg googlede "Barnes-Maekawa")

Phys. Rev. Lett. 98, 246601 (2007) [4 pages]
Generalization of Faraday's Law to Include Nonconservative Spin Forces

S. E. Barnes1,2 and S. Maekawa1,3
1Institute for Materials Research, Tohoku University, Sendai 980-8577, Japan
2Physics Department, University of Miami, Coral Gables, Florida 33124, USA
3CREST, Japan Science and Technology Agency (JST), Kawaguchi 332-0012, Japan
Received 22 November 2006; published 15 June 2007

The usual Faraday's Law [script E]=-dPhi/dt determines an electromotive force [script E] which accounts only for forces resulting from the charge of electrons. In ferromagnetic materials, in general, there exist nonconservative spin forces which also contribute to [script E]. These might be included in Faraday's Law if the magnetic flux Phi is replaced by [[h-bar]/(-e)]gamma, where gamma is a Berry phase suitably averaged over the electron spin direction. These contributions to [script E] represent the requirements of energy conservation in itinerant ferromagnets with time dependent order parameters.

©2007 The American Physical Society

  • 0
  • 0

Jeg kan ikke lige gennemskue at feltet er statisk, når der optræder et tidsdifferentiale, men jeg skal vist læse op på &#039;Berry-fasen&#039;.

Feltet er ikke statisk i starten. Der skrues op for feltet (oplades) indtil det ønskede felt er opnået. Systemet aflader derefter under konstant felt. Det er i kontrast til normal induktion hvor emf falder til nul i samme øjeblik feltet holder op med at ændre sig.

  • 0
  • 0

[quote]
Jeg kan ikke lige gennemskue at feltet er statisk, når der optræder et tidsdifferentiale, men jeg skal vist læse op på &#039;Berry-fasen&#039;.

Feltet er ikke statisk i starten. Der skrues op for feltet (oplades) indtil det ønskede felt er opnået. Systemet aflader derefter under konstant felt. Det er i kontrast til normal induktion hvor emf falder til nul i samme øjeblik feltet holder op med at ændre sig.[/quote]

Ja - det har jeg forstået nu, men tak alligevel.

Også at det i virkelig er et 'lager'-fænomen vi ser, som vist nok i første omgang er interessant for folk, der laver logik og hukommelser baseret på ferro-magnetiske materialer, frem for energi-teknik.

Jeg kan ikke lade være med at tænke at 'hukommelse' kan være et tve-ægget sværd, hvis man gerne vil have noget til at skifte hurtigt (logik f.eks).

  • 0
  • 0

Det er ikke kun lige i starten, hvor det ydre felt sættes på, at der er en tidsafhængighed. De små nanomagneter vil præcessere i det ydre felt og udgøre en periodisk påvirkning af elektronerne. Det resulterer i en lineært voksende Berry-fase og dermed en konstant strøm. Fænomenet hører først op når nanomagneterne helt retter sig efter det ydre felt. I det rapporterede eksperiment varer det flere minutter.

  • 0
  • 0

Er det en ændring, at erstatte Phi med Phi + hbar/e gamma? Eller, er det bare at regne Phi rigtigt ud?

Feltet er ikke statisk i starten. Der skrues op for feltet (oplades) indtil det ønskede felt er opnået. Systemet aflader derefter under konstant felt. Det er i kontrast til normal induktion hvor emf falder til nul i samme øjeblik feltet holder op med at ændre sig.

Forstår det ikke helt.

Antages, vi har en superledende trafo. Sekundærledningen kortsluttes. Vi "oplader" med en puls på primærsiden. Herefter er feltet stabilt. Vi kan aflade, ved at afbryde feltet på sekundærsiden, så vi trækker en lille spænding ud, indtil der ikke er mere strøm. Dette påvirker imidlertid feltet, således feltet falder omkring sekundærspolen, indtil den er fuldt afladt. Herefter, er feltet igen konstant. Der sker en fald i det magnetiske felt, for at vi kan trække energi ud.

Det jeg ikke forstår er om det er noget andet her?

Der påstås, at vi "oplader" med et voksende magnetisk felt, men at vi kan trække energi ud, med et konstant magnetisk felt.

Har det noget med kvantiseringen af magnetisk felt at gøre - og eksisterer en kvantisering af det magnetiske felt? I så fald, er spørgsmålet om det er relevant at modificere faradays lov, da det nu ikke er fysik, men kvantemekanik.

  • 0
  • 0

hej Jens

Hvis du følger linken til Nature-artiklen (som koster 32$, jeg overvejer stadig om jeg skal købet et fuldt Nature abonnement i stedet), ligger der er appendix, som er gratis, med diverse kurver og forklaringer.

Så vidt jeg kan se er det en væsentlig udvidelse af Faradays induktionslov, men kun for ferro-magnetiske materialer. Kobbertråd går fri. Superledere vist ligeså.

En af kurverne viser, at man med et statisk 10KGauss felt, får genereret en DC-spænding på 10mV, som eksponentielt falder hen, dvs. materialet opfører sig som et RC-led i den situation, (tidskonstant 300 sekunder ca.) Hvis det statiske felt fjernes falder spændingen til 0, med det samme.

Der er vist ikke meget energi at hente umiddelbart: Den indre modstand er betydelig (10E3-10E6 Ohm) så vidt jeg kan se.

Der er vel en, i det mindste indirekte, kvanticering i kraft af at det er elektroner (med kvanticeret ladning), der opfører sig som magneter.

Det er meget spændende med al den nye materiale-fysik, som vinder indpas i hverdagen: Harddisc-hoveder, høj-temperatur superledere osv.

Venlig hilsen

Claus

  • 0
  • 0

"Det nye er, at elektroner også kan skubbes direkte af magnetiske kræfter, fordi elektroner også er små magneter med en nordpol og en sydpol. De kan altså bevæges helt uden at skubbe med et elektrisk felt."

At elektroner er magnetisk påvirkelige, er ikke noget nyt. Det har være brugt i rigtig mange år i f. eks katodestrålerør.

Med venlig hilsen.
John

  • 0
  • 0