Magnetisme

Magnetisme

Magnetisme is het natuurkundige verschijnsel dat twee voorwerpen elkaar, afhankelijk van de onderlinge oriëntatie, aantrekken of afstoten. De voorwerpen die dit verschijnsel sterk vertonen noemt men magneten, en het veld dat de krachten beschrijft noemt men het magnetisch veld; de sterkte van zo'n veld wordt gemeten in de SI eenheid Tesla. Alle magneten hebben 2 polen die noordpool en zuidpool worden genoemd. De noordpool van een magneet stoot de noordpool van een andere magneet af, en trekt de zuidpool van een andere magneet aan. Twee zuidpolen stoten elkaar ook af.

Table of contents

1 Achtergrond
2 Magnetisch gedrag van materialen
3 Magnetisme in materialen
4 Magnetisme door elektrische stroom
5 Aardmagnetisch veld
6 Toepassingen van magnetisme

6.1 Elektromagnetische straling
6.2 Kompas
6.3 Supergeleidende magneten
6.4 Magnetische levitatie

Achtergrond

Op het eerste gezicht lijken er twee soorten magnetisme voor te komen:

Het verschijnsel dat sommige materialen elkaar op korte afstand aantrekken of afstoten afhankelijk van hun onderlinge oriëntatie.

Magnetisme dat ontstaat door een elektrische stroom ofwel door de beweging van elektronen.

Bij nadere beschouwing blijkt dit een schijntegenstelling - ook in van nature magnetische of magnetiseerbare materialen wordt het magnetisme veroorzaakt door bewegende elektrische lading. James Maxwell heeft, voorbouwend op onderzoek van o.a. Michael Faraday al in de negentiende eeuw een zeer elegante wiskundige formulering gegeven van elektriciteit en magnetisme die door Heaviside werd bijgeschaafd tot slechts vier differentiaalvergelijkingen, de vergelijkingen van Maxwell waarmee alle macroscopische elektrische en magnetische verschijnselen zijn te beschrijven.

De theorie van het magnetisme sluit niet uit dat er ook zogenaamde magnetische monopolen bestaan: magneten die alleen een noordpool of alleen een zuidpool hebben. Er is echter nog nooit sluitend aangetoond dat zulke magneten ook werkelijk bestaan.

Magnetisch gedrag van materialen

Wanneer een materiaal wordt bloot gesteld aan een magnetisch veld kan het daarop op verschillende manieren reageren. Men onderscheidt:

diamagnetisme

ferromagnetisme
antiferromagnetisme
ferrimagnetisme
paramagnetisme
- Pauli-paramagnetisme
- superparamagnetisme
spinglas-magnetisme

Wanneer men in het normale spraakgebruik zegt dat een materiaal magnetisch is bedoelt men meestal dat het ferromagnetisch (of soms ferrimagnetisch) gedrag vertoont. De krachten die bij dia- en paramagnetisch gedrag optreden zijn veel kleiner en bij dit gedrag vertoont het materiaal geen eigen spontaan magnetisch veld. Grofweg kan men ze dus als niet-magnetisch beschouwen. Diamagnetische materialen hebben de neiging de veldlijnen uit hun binnenste te verdringen, terwijl ferro-, ferri en paramagnetische materialen ze juist in meerdere of minder mate concentreren.

Magnetisme in materialen

De bekendste vorm van magnetisme is ferromagnetisme dat zoals de naam al aangeeft kan worden opgewekt in ijzer, en daarnaast in een aantal andere metalen en in een groot aantal legeringen.

Er zijn slechts vier ferromagnetische elementen, namelijk ijzer, nikkel, kobalt en gadolinium. Er zijn echter veel meer ferromagnetische legeringen, maar er bestaan ook gesinterde materialen die magnetisch zijn, zoals ferriet.

IJzer kan worden gemagnetiseerd door het materiaal in een magnetisch veld te plaatsen, bijvoorbeeld opgewekt door een solenoïde, een spoel van geleidende draad waardoor een electrische gelijkstroom loopt.

De ene kant van een magneet heet noordpool, de andere zuidpool. Noord- en zuidpolen trekken elkaar aan met een aantrekking die afneemt met het kwadraat van de afstand ertussen. Gelijknamige polen (noord-noord en zuid-zuid) stoten elkaar af.

Veldlijnen zijn denkbeeldige lijnen die de richting van het magnetisch veld op een bepaald punt aangeven. Ze kunnen bij magneten worden zichtbaar gemaakt door een blad papier op een magneet te leggen en daar wat fijn ijzervijlsel op te strooien - dit zal zich groeperen langs de veldlijnen en deze zo zichtbaar maken.

In ferromagnetische materialen wordt het magnetisch effect opgewekt doordat elektronenbanen in de atomen zich parallel aan elkaar gaan richten waardoor het magnetisme van afzonderlijke atomen niet meer wordt uitgemiddeld maar zich versterkt. Bij verhitten van een magneet gaat deze oriëntatie weer verloren en wordt het voorwerp gedemagnetiseerd. De temperatuur waarbij dit gebeurt is afhankelijk van het type materiaal, en wordt Curietemperatuur genoemd. Boven deze temperatuur gedraagt het materiaal zich paramagnetisch.

Magnetisme door elektrische stroom

Rondom een geleidende draad waar een elektrische stroom doorheen loopt, wordt een magnetisch veld opgewekt. De opgewekte magnetische flux is als volgt uit te drukken:

Φ = L * I

waarin Φ de magnetische flux uitgedrukt in Weber

L de zelfinductie in Henry

en I de stroom in Ampere

Een sterk magnetisch veld wordt verkregen door hoge stromen of een grote zelfinductie. Hoge stromen zijn niet altijd toepasbaar vandaar dat meestal een hoge zelfinductie wordt verkregen door een draad te wikkelen in de vorm van een spoel (ofwel solenoïde) - de velden van iedere winding worden zo bij elkaar opgeteld.

Aardmagnetisch veld

Ook de aarde gedraagt zich als een grote magneet met veldlijnen die van de (magnetische) noordpool naar de zuidpool lopen. Men denkt dat in het inwendige van de aarde grote elektrische stromen lopen die dit magnetisme veroorzaken. Op bepaalde tijden keert de richting van deze stroom om en poolt de aarde om, de magnetische noord- en zuidpool verwisselen van plaats. Dit proces heeft sinds het ontstaan van de aarde al vele malen plaatsgevonden zoals metingen van de magnetisatierichting van sedimentsgesteenten van verschillende ouderdom heeft aangetoond.

Toepassingen van magnetisme

Elektromagnetische straling

In elektromagnetische straling komt een oscillerend elektrisch zowel als een oscillerend magnetisch veld voor.

Kompas

Een kompas is een meetinstrument waarmee de richting van het magneetveld kan worden bepaald. Omdat de aarde een magneetveld heeft, kan met een kompas de richting van de Noordpool van dit veld worden opgezocht. Een kompas bestaat uit een vrij opgehangen magnetische naald die met zijn magnetische noordpool naar het noorden zal wijzen. (Merk op dat dit betekent dat de magneet op de noordpool van de aarde eigenlijk een zuidpool is!). Noord- en zuidpolen kunnen voor zover bekend overigens niet los van elkaar bestaan - waar een noordpool is is ook altijd een bijbehorende zuidpool, hoewel er wel speculaties zijn ioin de wetenschap over magnetische monopolen. Als die bestaan zouden ze veel verder reiken.

Zie ook: scheepskompas

Supergeleidende magneten

Een bijzondere vorm van magneet is die geconstrueerd met een supergeleidende solenoïde. Daarmee kunnen over het algemeen sterkere magneetvelden worden opgewekt zonder verliezen aan weerstand tegen de elektrische stroom. Bij een te sterk magnetisch veld dringt dit veld echter ook binnen in de supergeleidende draden van de solenoïde. Bij te hoge interne magneetvelden houden de supergeleidende materialen vervolgens op met supergeleidend te zijn. De supergeleider wordt weer "normaal" en krijgt daardoor weerstand. Door de lopende stroom ontstaat vervolgens veel warmte, waardoor de supergeleidende draden ook nog eens warm worden. Dit heeft weer tot gevolg dat de koelingsvloeistof (meestal vloeibaar Helium) gaat koken en verdampt. Al deze verschijnselen heten "quenchen" ('schrikken'). Dit beperkt de toepasbaarheid van supergeleidende magneten.

Magnetische levitatie

Er zijn treinen die (zonder wielen) op een magnetische baan zweven, de zogenaamde magneetzweeftreinen. In de wereld zijn er twee bedrijven die zulke treinen maken (in Japan en in Duitsland), maar toegepast worden ze nog erg weinig.