magnetisme

Magnetisme
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.
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.
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 cgs-eenheid 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 = 1000/4 A/m, bijna 80 A/m.
Het magnetisch veld wordt dus veroorzaakt door magneten, elektromagneten en elektrische
stromen.
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 diaen 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.
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.
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:
SYMBOOL = L * I
waarin SYMBOOL 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.
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.
Enkele toepassingen van magnetisme
Elektromotoren en generatoren
Magneten zijn de basis voor:
Alle elektrische motoren
Fietsdynamo's
Onze elekticiteit
Alternator
Dynamo
Wisselstroommotoren
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.
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.
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.
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.