De werking van het magneetveld Door M. Kruglanski De invloed van

De werking van het magneetveld
Door M. Kruglanski
De invloed van het magneetveld van de Aarde op een kompasnaald, op reisduiven
en op geladen deeltjes afkomstig van de Zon gebeurt door de magnetische kracht
of de Lorentz-kracht. Deze kracht laat zich alleen voelen op bewegende,
elektrische ladingen, dus elektrisch geladen deeltjes en voorwerpen.
In 't algemeen, zijn voorwerpen elektrisch neutraal en zijn ze dus niet gevoelig voor
de magnetische kracht. Nochtans weten we dat een magneet een voorwerp zoals
een ijzeren nagel aantrekt . In zo'n geval echter, ageert de magnetische kracht op
de nagel op atoomniveau. Elk atoom bestaat uit een kern (positief geladen) en een
elektronenwolk (negatief geladen). Het is de eigen beweging van deze twee
ladingen (positief en negatief) die aan de basis ligt van de gevoeligheid van de
nagel voor de magnetische kracht. Over 't algemeen heffen de magnetische
krachten uitgeoefend op de verschillende atomen van een voorwerp elkaar op en
het voorwerp schijnt ongevoelig te zijn voor een magneetveld. Nochtans, voor
bepaalde materialen, zoals ijzer, heffen deze krachten elkaar onderling niet op en
ijzeren voorwerpen zoals nagels bijvoorbeeld, ondergaan de werking van het
magneetveld wel.
Het kan ook gebeuren, dat (een gedeelte van) de elektronen van een atoom niet
meer verbonden zijn met dit atoom. Van dan af, worden deze "vrije" elektronen
gevoelig voor de invloed van een magneetveld evenals de rest van het atoom dat
dan "geïoniseerd" is als gevolg van het verlies van (een gedeelte van) zijn
elektronen. Dit is het geval bijvoorbeeld, voor een koperdraad waarin 3% van de
elektronen, vrije elektronen zijn (geleidingselektronen). Wanneer de draad
beweegt ten opzichte van een magneet, zal de magnetische kracht de vrije
elektronen proberen te verplaatsen en dus een elektrische stroom creëren in die
draad; dit is het principe van een dynamo.
Een vergelijkbare situatie doet zich voor in de bovenste lagen van de atmosfeer
(de ionosfeer) waar, onder invloed van de UV- en de X-stralen van de Zon, het
grootste gedeelte van de atomen en moleculen gedeeltelijk geïoniseerd zijn en
waar het magneetveld van de Aarde elektrische stromen doet ontstaan. Deze
elektrische stromen genereren op hun beurt een magnetisch veld (zoals de
elektrische stroom in de spoel van een luidspreker) dat het magneetveld van de
Aarde verstoort.
Om heel precies te zijn, moet men zeggen dat de magnetische kracht die op een
geladen deeltje uitgeoefend wordt, evenredig is met de lading en met de snelheid
van dit deeltje, en uitgeoefend wordt in de richting loodrecht op de richting van het
veld en van de snelheid.
De inwerking van deze magnetische kracht wordt geïllustreerd in de bijgevoegde
figuur voor het eenvoudig geval dat het magneetveld statisch is, eenvormig en
loodrecht op het scherm. De streepjeslijn stelt het traject voor van een elektron in
afwezigheid van het veld. In de aanwezigheid van een magneetveld, krult de baan
op en volgt het elektron de cirkel in volle lijn. De straal van de cirkel hangt af van
de aanvankelijke snelheid van het elektron en van de veldsterkte.
De curve in stippellijn stelt het traject voor van een proton dat dezelfde
beginsnelheid zou hebben. Zoals het elektron, volgt ook het proton een cirkel maar
met een grotere straal en in tegengestelde richting, als gevolg van :
•de lading van het proton die tegengesteld is aan de lading van een elektron ;
•de massa van het proton die 2000 keer groter is dan de massa van een elektron.
Dit effect van een magneetveld op geladen deeltjes wordt onder andere gebruikt in
het laboratorium om protonen en ionen te isoleren in een cyclotron waarin ze
versneld worden.
Enkele grootteorden :
De massa van een proton is 1,7 x 10-21 mg (t.t.z. nul, komma, 21 nullen en dan
een 1 en een 7 milligram !).
In een cyclotron met een extractiestraal van één meter en een magneetveld van
1,5 T, kan men een proton versnellen tot een energie van 110 MeV, wat
overeenkomt met een snelheid van 145.000 km/s.
In het magneetveld te Brussel waarvan de benaderde waarde 48.000 nT is, heeft
een proton dat zich verplaatst aan een snelheid van 100 km/s (t.t.z. met een
energie van 52 eV), een draaistraal van 22 m. In een magneetveld met een
veldsterkte die tweemaal kleiner is, zoals op een hoogte van 800 km, heeft
datzelfde proton een draaistraal van 43 m. Een elektron met dezelfde snelheid zou
een energie hebben van 0,03 eV en een draaistraal van 2,5 cm.
Op een hoogte van 800 km, bestaan er protonen die evenveel energie bezitten als
de protonen voortgebracht in een cyclotron; een proton van 110 MeV zou er een
draaistraal hebben van 60 km !