Magnetisme
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 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. 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.
Inhoud |
[bewerk] Achtergrond
Bij nadere beschouwing blijkt het magnetisme in van nature magnetische of magnetiseerbare materialen, net als elektromagnetisme, ook veroorzaakt te worden door bewegende elektrische lading. James Maxwell heeft, voortbouwend 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. Het magnetisme van zulke monopolen zou echter van een geheel andere orde zijn dan het bovengenoemde magnetisme dat immers steeds z'n oorsprong vindt in bewegende elektrische lading. Tot nu toe is er ook geen aanwijzing dat zulke magnetische monopolen werkelijk bestaan.
[bewerk] 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, meestal aangeduid met het symbool 
en wordt magnetische fluxdichtheid, magnetische veldsterkte of magnetische inductie genoemd; de sterkte ervan wordt gemeten in de SI eenheid tesla. Het magnetisch veld kan veroorzaakt worden door magneten, elektromagneten en elektrische stromen. De eenheid van Magnetische veldsterkte wordt oersted genoemd.
[bewerk] 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 mindere mate concentreren.
[bewerk] 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 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.
[bewerk] 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:
-
- Φ = L * I
- waarin Φ de magnetische flux uitgedrukt in Weber
- L de zelfinductie in Henry
- en I de stroomsterkte in ampère
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 alle windingen worden zo bij elkaar opgeteld.
[bewerk] 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. 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. Het zou ook verband houden met de golf van uitsterving in het Perm en die in het Krijt.
[bewerk] Toepassingen van magnetisme
[bewerk] Elektromagnetische straling
In elektromagnetische straling komt een oscillerend elektrisch zowel als een oscillerend magnetisch veld voor.
[bewerk] 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.
Zie ook: scheepskompas
[bewerk] 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.
[bewerk] 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.
