ABSTRACT Astrid Ramakers

ABSTRACT
Zonder magnetisme zou de wereld om ons
heen er heel anders uitzien. De radio zou
niet werken, computers zouden niet bestaan
en op zee zou je verdwalen zonder kompas.
Maar wat is magnetisme nu eigenlijk?
Astrid Ramakers
24 december 2013
-1-
1 Inleiding
Al in de Oudheid ontdekte men dat magnetietkristallen elkaar afhankelijk van de
oriëntatie aantrekken of afstoten. Dit natuurkundige verschijnsel wordt magnetisme
genoemd. Magnetiet is, evenals magnesium genoemd naar Magnesia, een gebied in
Thessalië in het oude Griekenland.
Verantwoordelijk voor het magnetisme van magnetiet is het aanwezige ijzer. Veel
ijzerlegeringen vertonen magnetisme. Naast ijzer vertonen ook nikkel en kobalt
magnetische eigenschappen.
Voorwerpen die dit verschijnsel sterk vertonen noemt men magneten. Er zijn
natuurlijke en kunstmatige magneten (bijvoorbeeld Alnico, Fernico, ferrieten). Alle
magneten hebben twee polen die de noordpool en de 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. Omdat ook
de aarde een magneetveld heeft, met z'n zuidpool vlak bij de noordpool en z'n noordpool
vlakbij de zuidpool, zal een vrij ronddraaiende magneet altijd de noord-zuidrichting
aannemen. De benamingen van de polen van een magneet zijn hiervan afgeleid.
Overigens wordt gemakshalve, maar wel enigszins verwarrend, de zuidpool van de
"aardemagneet" de magnetische noordpool genoemd en de noordpool van de
"aardemagneet" de magnetische zuidpool.
Een verwant verschijnsel is elektromagnetisme, magnetisme dat ontstaat door een
elektrische stroom. In wezen wordt alle magnetisme veroorzaakt door zowel roterende
als revoluerende elektrische ladingen in kringstromen.
Ferrovloeistof in een magnetisch veld
-2-
2 Achtergrond
Bij nadere beschouwing blijkt alle magnetisme in van nature magnetische of
magnetiseerbare materialen, evenals elektromagnetisme, veroorzaakt te worden door
bewegende elektrische ladingen. James Maxwell heeft, voortbouwend op onderzoek van
o.a. Michael Faraday , al in de negentiende eeuw een bijzonder elegante wiskundige
formulering gegeven van de relatie tussen elektriciteit en magnetisme, die door Heaviside
naderhand werd bijgeschaafd tot slechts vier differentiaalvergelijkingen, de vergelijkingen
van Maxwell, waarmee alle huidige 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 uit een noordpool - of uit een zuidpool bestaan.
Het magnetisme van zulke monopolen zou echter van een geheel andere orde zijn dan
het bovengenoemde magnetisme, dat immers nog steeds oorsprong vindt in bewegende
elektrische ladingen. Tot heden zijn echter deze magnetische monopolen nog niet
gevonden, evenmin als aanwijzingen van werkelijk geïsoleerd bestaan.
-3-
3 Magnetisch veld
Vrij in de ruimte opgestelde magneetjes blijken door hun magnetisme een invloed te
ondergaan, zodat zij een bepaalde richting aannemen en een zekere kracht in die richting
ondergaan. Kennelijk is aan elk punt van de ruimte een magnetische werking gebonden
(een veld) met richting en grootte. Dit vectorveld is het magnetisch veld. Het veld wordt
beschreven door de magnetische fluxdichtheid B ook magnetische inductie genoemd, of
door de magnetische veldsterkte H, ook het H-veld geheten. Tussen beide bestaat de
relatie:
B = µH
waarin μ , de magnetische permeabiliteit, een eigenschap is van de materie ter plaatse van
het veld.
De magnetische fluxdichtheid B wordt gemeten in de SI-eenheid tesla, die met de
grondeenheden verbonden is via: 1 tesla = 1 Vs/m2. Vroeger gebruikte men de cgseenheid gauss, 1 gauss = 0,0001 tesla. De magnetische veldsterkte H wordt gemeten in de
eenheid A/m, vroeger in de cgs-eenheid oersted, met: 1 oersted = 1000/4π A/m, bijna
80 A/m.
Het magnetisch veld wordt dus veroorzaakt door magneten, elektromagneten en
elektrische stromen.
-4-
4 Magnetisch gedrag van materialen
Wanneer een materiaal wordt bloot gesteld aan een magnetisch veld kan het daarop op
verschillende manieren reageren.





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 mindere mate concentreren.
-5-
5 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 vier ferromagnetische elementen, namelijk ijzer, nikkel, kobalt, gadolinium.
Neodymium en dysprosium zijn bij zeer lage temperaturen ferromagnetisch. 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
elektrische 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 echter 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.
Naast vaste magnetische materialen zijn er ook magnetische vloeistoffen. Dat zijn
vloeistoffen met magnetische deeltjes in suspensie zodat ze reageren op een magnetisch
veld. Ze kunnen onderverdeeld worden in magnetorheologische fluida, waarbij de
viscositeit verandert en ferrofluida die zich in het hoogste magnetisch veld gaan plaatsen.
-6-
6 Elektromagnetisme
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:
= L * I
waarin  de magnetische flux uitgedrukt in Weber
L de zelfinductie in Henry
en I de stroomsterkte in ampère
Een sterk magnetisch veld wordt bepaald door hoge stromen alsmede een grote
zelfinductie. Hoge stromen zijn niet altijd toelaatbaar, vandaar dat meestal een hoge
zelfinductie wordt verkregen door een draad te wikkelen in de vorm van een spoel (ofwel
solenoïde) - de velden van alle afzonderlijke windingen worden zo dus bij elkaar
opgeteld.
-7-
7 Aardmagnetisch veld
Ook de aarde gedraagt zich als een grote magneet met veldlijnen die van de
(magnetische) noordpool naar de zuidpool lopen. Men veronderstelt dat in het inwendige
van de aarde grote elektrische stromen lopen die dit magnetisme veroorzaken. Op
bepaalde tijden keert de richting van deze stromen en met deze wending poolt de aarde
om: de magnetische noord- en zuidpool verwisselen van plaats. De naam van dit proces
is paleomagnetisme. 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. Deze poolwisseling zou ook verband houden
met de golf van uitsterving in het Perm en die in het Krijt.
-8-
8 Enkele toepassingen van magnetisme
8.1 Elektromotoren en generatoren
Magneten zijn de basis voor:






Alle elektrische motoren
Fietsdynamo's
Onze elekticiteit
Alternator
Dynamo
Wisselstroommotoren
8.2 Elektromagnetische straling
In elektromagnetische straling komt een oscillerend elektrisch zowel als een oscillerend
magnetisch veld voor. Deze velden zijn inherent aan elkaar gekoppeld. Zie ook de wetten
van Maxwell.
8.3 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 de magnetische
zuidpool van de aarde wijst, omdat noord en zuid elkaar aantrekken. De magnetische
zuidpool van de aarde wordt het noorden genoemd, omdat de magnetische noordpool
van het kompas naar het noorden wijst. De magnetische noordpool van de aarde wordt
het zuiden genoemd.
8.4 Supergeleidende magneten
Een bijzondere vorm van magnetisme wordt bereikt door een zware magneet,
geconstrueerd met een supergeleidende solenoïde. Daarmee kunnen over het algemeen
sterkere magneetvelden worden opgewekt zonder noemenswaardige verliezen aan
weerstand tegen de elektrische stroom. Bij een te sterk magnetisch veld dringt dit echter
ook binnen in de supergeleidende draden van de solenoïde. Bij deze interne
magneetvelden verdwijnen de supergeleidende eigenschappen van dergelijke materialen.
De supergeleider wordt weer "normaal" en herkrijgt daardoor weerstand. Door de
lopende stroom ontstaat dan vervolgens veel warmte, waardoor de (minder)
supergeleidende draden ook nog eens warmer worden. Dit heeft weer tot gevolg dat de
koelvloeistof (meestal vloeibaar Helium) gaat koken en verdampt. Al deze verschijnselen
heten "quenchen" ('schrikken'). Dit beperkt helaas de toepasbaarheid van deze
supergeleidende magneten.
-9-
9 Magnetische levitatie
Er zijn treinen die (zonder wielen) op een magnetische baan zweven, de maglevs,
zogenaamde magneetzweeftreinen. In de wereld zijn er drie bedrijven die zulke treinen
maken (in Japan, in Duitsland en in China), maar om bedrijfseconomische redenen en
technische complicaties wordt deze vervoerstechniek nog erg weinig toegepast.
Inhoudsopgave
1 Inleiding ....................................................................................................................... 1
2 Achtergrond ................................................................................................................. 2
3 Magnetisch veld............................................................................................................ 3
4 Magnetisch gedrag van materialen ................................................................................ 4
5 Magnetisme in materialen ............................................................................................. 5
6 Elektromagnetisme ....................................................................................................... 6
7 Aardmagnetisch veld .................................................................................................... 7
8 Enkele toepassingen van magnetisme ............................................................................ 8
8.1
Elektromotoren en generatoren ........................................................................ 8
8.2
Elektromagnetische straling ............................................................................. 8
8.3
Kompas........................................................................................................... 8
8.4
Supergeleidende magneten ............................................................................... 8
9 Magnetische levitatie .................................................................................................... 9