Magnetisme: definitie, typen, eigenschappen en hoe ze werken (met voorbeelden)

Magneten. Je hebt ze op je koelkast, je hebt er als kind mee gespeeld, je hebt zelfs een kompas in je hand gehouden terwijl de kompasnaald naar de magnetische noordpool van de aarde wees. Maar hoe werken ze? Wat is dit fenomeen van magnetisme?

Magnetisme is een aspect van de fundamentele elektromagnetische kracht. Het beschrijft verschijnselen en krachten die verband houden met magneten of magnetische objecten.

Alle magnetische velden worden gegenereerd door bewegende lading of veranderende elektrische velden. Dit is de reden waarom de verschijnselen van elektriciteit en magnetisme gezamenlijk elektromagnetisme worden genoemd. Ze zijn echt een en hetzelfde!

Binnen alle materialen bevatten de atomen elektronen, en die elektronen vormen een wolk rond de atoomkern, waarbij hun algehele beweging een miniatuur magnetische dipool creëert. In de meeste materialen zorgt de willekeurige verdeling van de oriëntaties van deze minimagneten er echter voor dat de velden opheffen. Ferromagnetische materialen zijn de uitzondering.

Veel materialen vertonen magnetische verschijnselen, waaronder ijzer, mangaan, magnetiet en kobalt. Deze kunnen bestaan ​​als permanente magneten of kunnen paramagnetisch zijn (dat wil zeggen, aangetrokken tot magnetische materialen maar zelf geen permanent magnetisme behouden). Elektromagneten worden gemaakt door elektrische stroom door een draad te leiden die rond een materiaal zoals ijzer is gewikkeld (of door een situatie waarin er elektrische lading in beweging is).

Magnetische materialen kunnen elkaar aantrekken of afstoten, afhankelijk van welke delen van die materialen bij elkaar worden gebracht.

Net als bij de elektrische kracht en de zwaartekracht genereren objecten die magnetische krachten op elkaar uitoefenen een veld om hen heen. Een staafmagneet creëert bijvoorbeeld een magnetisch veld in de ruimte eromheen, waardoor andere magneten of ferromagnetische materialen die in dat veld worden gebracht, daardoor een kracht voelen.

Een manier om het magnetische veld te visualiseren, is door ijzervijlsel te gebruiken. IJzervijlsel zijn kleine stukjes ijzer die, wanneer ze rond een magneet worden gestrooid, worden uitgelijnd met de externe magnetische veldlijnen, zodat u ze kunt visualiseren.

De SI-eenheid die wordt geassocieerd met magnetische veldsterkte is de tesla.

Een andere veel voorkomende eenheid die wordt geassocieerd met magnetische veldsterkte is de gauss.

1 Gauss = 1 G = 10^-4 T

Er zijn veel verschillende soorten magnetisme:

​Paramagnetismebeschrijft bepaalde materialen die zwak worden aangetrokken door magneten, maar die zelf geen permanent magnetisch veld vasthouden. In de aanwezigheid van een extern veld zullen ze interne, geïnduceerde magnetische velden vormen die op één lijn liggen. Dit kan resulteren in een tijdelijke versterking van het magnetische veld in het algemeen. Er zijn veel verschillende soorten paramagnetische materialen, zelfs enkele edelstenen.

​Diamagnetismeis een eigenschap die door alle materialen wordt vertoond, maar die meestal het duidelijkst is in materialen die we als niet-magnetisch beschouwen. Diamagnetische materialen worden zeer zwak afgestoten door magnetische velden. In permanente magneten en paramagnetische materialen zijn de effecten van diamagnetisme verwaarloosbaar.

​elektromagnetismetreedt op wanneer elektrische stroom door een draad wordt geleid. Die draad kan rond een ijzeren staaf worden gewikkeld om het effect te versterken, omdat het ijzer zijn eigen magnetisch veld zal creëren dat op één lijn ligt met het externe veld. Deze vorm van magnetisme is een direct gevolg van het feit dat de beweging van elektronen een magnetisch veld creëert. (Nogmaals, elektriciteit en magnetisme zijn twee kanten van dezelfde fundamentele fysieke eigenschap!)

​Ferromagnetismebeschrijft hoe bepaalde materialen - ferromagnetische materialen genoemd - permanente magneten vormen, die in de volgende sectie in meer detail worden besproken.

Materialen die sterk worden aangetrokken door magneten worden ferromagnetisch genoemd. IJzer is het meest voorkomende materiaal van dit type. (Niet verwonderlijk aangezien het Latijnse voorvoegselijzerhoudend- betekent "ijzer.")

Ferromagnetische materialen hebben zogenaamde magnetische domeinen; dat wil zeggen, gebieden binnen hen die als magneten zijn, maar in verschillende richtingen zijn georiënteerd, zodat het algehele effect teniet wordt gedaan en ze zich over het algemeen niet als magneten gedragen. Als deze materialen echter in een magnetisch veld worden geplaatst, kan dit leiden tot een uitlijning van de domeinen, zodat dat ze allemaal in dezelfde richting zijn uitgelijnd, en daarom worden ze (vaak tijdelijk) als magneten zich.

Ferromagnetische materialen omvatten magneetsteen, ijzer, nikkel, kobalt en verschillende zeldzame aardmaterialen, waaronder neodymium.

Een staafmagneet is een rechthoekige of cilindrische staaf van magnetisch materiaal. De uiteinden van een staafmagneet zijn de noord- en zuidpool. Dit zijn de twee soorten magnetische polen en ze werken met elkaar samen via een magnetische kracht op een manier die vergelijkbaar is met hoe positieve en negatieve ladingen op elkaar inwerken via de elektrische kracht.

Staafmagneten zijn magnetische dipolen. Ze hebben tegenovergestelde polen van elkaar gescheiden door een afstand, vergelijkbaar met een elektrische dipool. Een belangrijk verschil is echter dat je met magneten geen monopool (een geïsoleerde pool) kunt hebben zoals je kunt hebben met ladingen. Een magneet bestaat altijd als een dipool en nooit als een noordpool op zichzelf of een zuidpool op zichzelf. (Als je een staafmagneet doormidden snijdt om te proberen de polen te scheiden, krijg je gewoon twee kleinere dipolaire magneten!)

Zoals u waarschijnlijk weet, heeft de aarde een magnetisch veld. Hierdoor kunnen mensen kompassen gebruiken om te bepalen in welke richting ze kijken ten opzichte van de polen. Een magnetisch kompas bestaat uit een kleine magneet die vrij kan bewegen en kan worden uitgelijnd met elk extern veld. Het rode uiteinde van de kompasnaald wijst naar het noorden. Het magnetische veld van de aarde werkt als een gigantische staafmagneet. Deze denkbeeldige staafmagneet is zo georiënteerd dat het noordelijke uiteinde van de magneet zich op de zuidpool van de aarde bevindt en het zuidelijke uiteinde van de magneet op de noordpool van de aarde.

Het magnetisch veld van de aarde is op de meeste plaatsen ook niet evenwijdig aan het aardoppervlak. Je kunt de declinatie van het aardmagnetisch veld bepalen met een dompelnaald. Richt de naald eerst horizontaal en lijn deze uit met het magnetische noorden van de aarde. Draai hem vervolgens verticaal en observeer de hellingshoek. De hoek is groter naarmate je dichter bij de polen bent.

Het magnetische veld van de aarde creëert een gebied in de ruimte rond de planeet dat een magnetosfeer wordt genoemd. De magnetosfeer lijkt in wezen op het magnetische veld van een zeer grote staafmagneet die dicht bij de aardas is uitgelijnd, hoewel de magnetosfeer kan vervormen als deze interageert met geladen deeltjes.

De magnetosfeer beschermt ons tegen zonnewind, die geladen deeltjes bevat. Interacties tussen deze deeltjes en de magnetische veldlijnen geven aanleiding tot aurora's.

Het fenomeen magnetisme wordt in allerlei alledaagse toepassingen gebruikt.

Het fenomeen elektromagnetisme stelt ons in staat om mechanische energie om te zetten in elektrische energie in elektrische generatoren. Elektrische generatoren gebruiken mechanische middelen om een ​​turbine te laten draaien (blazende wind of stromend water) die een magnetisch veld verandert ten opzichte van draadspoelen, waardoor stroom gaat vloeien.

Elektromotoren zijn in wezen het tegenovergestelde van elektrische generatoren, ze gebruiken elektromagnetisme om elektrische energie in mechanische energie, of het nu gaat om een ​​boormachine, een mixer of een elektrische voertuig.

Industriële elektromagneten zijn gigantische magneten met zeer sterke magnetische velden waarmee ze oude voertuigen van de sloop kunnen oppakken.

MRI-machines maken gebruik van sterke magnetische velden om afbeeldingen van uw binnenkant te maken en stellen artsen in staat een hele reeks medische aandoeningen te diagnosticeren.