De meeste mensen weten dat ijzer wordt aangetrokken door magneten, terwijl andere metalen zoals goud en zilver dat niet zijn. Toch kunnen maar weinig mensen precies uitleggen waarom ijzer deze magische relatie heeft met magnetisme. Om tot het antwoord te komen, moet je naar het atomaire niveau gaan en de magnetische aard van de elektronen van een atoom onderzoeken.
Elektronen en magnetisme
De wetenschap achter magnetisme, zoals elektriciteit, komt neer op elektronen, de negatief geladen deeltjes die de atoomkern omringen. Alle elektronen hebben magnetische eigenschappen, net zoals ze elektrische eigenschappen hebben. Wanneer een elektron magnetisme vertoont, en bijgevolg het vermogen heeft om te interageren met een extern magnetisch veld, wordt er gezegd dat het een magnetisch moment heeft.
Het magnetische moment van een elektron is gebaseerd op zijn spin en zijn baan, die beide principes zijn van de kwantummechanica. Zonder in kwantumvergelijkingen te komen, volstaat het om te zeggen dat het magnetische moment van een elektron te wijten is aan zijn beweging.
Wat maakt een materiaal magnetisch?
Hoewel de individuele atomen in elke stof magnetische momenten kunnen hebben, betekent dat niet dat de stof zelf magnetisch is. Om de substantie magnetisch te maken, heb je een voldoende aantal atomen nodig die allemaal samenwerken. Hiervoor zijn twee dingen nodig.
Het eerste dat moet gebeuren, is dat er een meningsverschil moet zijn tussen de atomen. In veel stoffen staan alle elektronen in geordende paren, waarbij elk de magnetische eigenschappen van de ander opheft. Als je je 1000 locomotieven voorstelt, waarvan de helft probeert naar het noorden te gaan en de andere helft naar het zuiden gaat, zal geen van hen bewegen. Dus om een stof magnetisch te maken, kunnen zijn elektronen niet allemaal gepaard zijn.
Dit op zich is echter niet voldoende om de stof magnetisch te maken. Alleen omdat de elektronen van een materiaal niet in paren zijn uitgelijnd, betekent niet noodzakelijk dat de substantie magnetisch is. Mangaan, bijvoorbeeld, een belangrijk mineraal dat wordt aangetroffen in noten en granen en essentieel is voor gezonde botten, is niet magnetisch, ook al staan de elektronen niet in paren op een rij. Als je 1001 locomotieven had, 500 op het zuiden en 501 op het noorden, dan zal die extra locomotief niet veel uitmaken.
Het tweede dat je nodig hebt, is dat een voldoende aantal elektronen zich parallel aan elkaar uitlijnen - zoals veel locomotieven in dezelfde richting gericht - dus hun vermogen om te interageren met een extern magnetisch veld is groot genoeg om de hele voorwerp.
Elk materiaal dat aan deze twee voorwaarden voldoet, wordt ferromagnetisch genoemd. IJzer is het meest voorkomende ferromagnetische element. Twee andere ferromagnetische elementen zijn nikkel en kobalt. Verschillende andere stoffen kunnen echter ferromagnetisch zijn wanneer ze worden verwarmd of gecombineerd met andere materialen.
