Natuurkunde voelt zelden magischer aan dan wanneer je als kind voor het eerst een magneet tegenkomt. Een staafmagneet krijgen in de wetenschapsles en proberen - met al je kracht - deze naar de bijpassende pool van een andere magneet te duwen, maar je bent helemaal niet in staat, of tegengestelde polen dicht bij elkaar laten maar elkaar niet raken, zodat je ze samen kunt zien kruipen en uiteindelijk doe mee. Je leert snel dat dit gedrag het gevolg is van magnetisme, maar wat is magnetisme eigenlijk? Wat is het verband tussen elektriciteit en magnetisme waardoor elektromagneten kunnen werken? Waarom zou je bijvoorbeeld geen permanente magneet gebruiken in plaats van een elektromagneet op een schroothoop? Magnetisme is een fascinerend en gecompliceerd onderwerp, maar als je alleen de eigenschappen van een magneet en de basis wilt leren, is het heel gemakkelijk om het op te pikken.
Hoe werken magneten?
Magnetisch gedrag wordt uiteindelijk veroorzaakt door de beweging van elektronen. Een bewegende elektrische lading genereert een magnetisch veld en – zoals je mag verwachten – zijn magneten en magnetische velden nauw met elkaar verbonden. Omdat een elektron een geladen deeltje is, creëert zijn orbitale beweging rond de kern van een atoom een klein magnetisch veld. Over het algemeen zijn er echter tonnen elektronen in een materiaal, en het veld dat door één wordt gecreëerd zal zijn gecompenseerd door het veld gecreëerd door een ander, en er zal geen magnetisme van het materiaal zijn als een as geheel.
Sommige materialen werken echter anders. Het magnetische veld dat door één elektron wordt gecreëerd, kan de oriëntatie van het veld dat wordt geproduceerd door naburige elektronen beïnvloeden, en ze worden uitgelijnd. Dit produceert een zogenaamd magnetisch "domein" in het materiaal, waar alle elektronen magnetische velden hebben uitgelijnd. Materialen die dit doen worden ferromagnetisch genoemd en bij kamertemperatuur zijn alleen ijzer, nikkel, kobalt en gadolinium ferromagnetisch. Dit zijn de materialen die permanente magneten kunnen worden.
De domeinen binnen een ferromagnetisch materiaal hebben allemaal willekeurige oriëntaties; hoewel naburige elektronen hun velden op één lijn brengen, is het waarschijnlijk dat andere groepen in een andere richting zijn uitgelijnd. Hierdoor blijft er op grote schaal geen magnetisme over, omdat verschillende domeinen elkaar opheffen, net als de individuele elektronen in andere materialen.
Als je echter een extern magnetisch veld aanbrengt, bijvoorbeeld door een staafmagneet dicht bij het materiaal te brengen, beginnen de domeinen uit te lijnen. Wanneer alle van de domeinen zijn uitgelijnd, het hele stuk materiaal bevat in feite een enkel domein en ontwikkelt twee polen, over het algemeen noord en zuid genoemd (hoewel positief en negatief ook kunnen zijn) gebruikt).
In ferromagnetische materialen gaat deze uitlijning door, zelfs wanneer het externe veld wordt verwijderd, maar in andere soorten materiaal (paramagnetische materialen), de magnetische eigenschappen gaan verloren wanneer het externe veld is verwijderd.
Wat zijn de eigenschappen van een magneet?
De bepalende eigenschappen van magneten zijn dat ze sommige materialen en de tegenovergestelde polen van andere magneten aantrekken en afstoten zoals polen van andere magneten. Dus als je twee permanente staafmagneten hebt, produceert het tegen elkaar duwen van twee noord- (of zuid-)polen een afstotende kracht, die sterker wordt naarmate de twee uiteinden dichter bij elkaar worden gebracht. Als je twee tegengestelde polen bij elkaar brengt (een noord en een zuid) is er een aantrekkingskracht tussen hen. Hoe dichter je ze bij elkaar brengt, hoe sterker deze kracht is.
Ferromagnetische materialen - zoals ijzer, nikkel en kobalt - of legeringen die ze bevatten (zoals staal) worden aangetrokken door permanente magneten, zelfs als ze zelf geen magnetisch veld produceren. Ze zijn alleen aangetrokken aan de magneten, en ze zullen niet worden afgestoten tenzij ze een eigen magnetisch veld gaan produceren. Andere materialen, zoals aluminium, hout en keramiek, worden niet aangetrokken door magneten.
Hoe werkt een elektromagneet?
Een permanente magneet en elektromagneet zijn heel verschillend. Elektromagneten betrekken elektriciteit op een meer voor de hand liggende manier en worden in wezen gegenereerd door de beweging van elektronen door een draad of elektrische geleider. Net als bij het creëren van magnetische domeinen, produceert de beweging van elektronen door een draad een magnetisch veld. De vorm van het veld hangt af van de richting waarin de elektronen reizen - als je de richt duim van je rechterhand in de richting van de stroom, je vingers krullen in de richting van de veld.
Om een eenvoudige elektromagneet te produceren, wordt elektrische draad rond een centrale kern gewikkeld, meestal gemaakt van ijzer. Wanneer er stroom door de draad vloeit en zich in cirkels rond de kern voortbeweegt, wordt een magnetisch veld geproduceerd dat langs de centrale as van de spoel loopt. Dit veld is aanwezig ongeacht of je een kern hebt of niet, maar met een ijzeren kern lijnt het veld de domeinen in het ferromagnetische materiaal uit en wordt daardoor sterker.
Wanneer de stroom van elektriciteit wordt gestopt, stoppen de geladen elektronen met bewegen rond de draadspoel en verdwijnt het magnetische veld.
Wat zijn de eigenschappen van een elektromagneet?
Elektromagneten en magneten hebben dezelfde belangrijke eigenschappen. Het onderscheid tussen een permanente magneet en een elektromagneet is in wezen een in hoe het veld wordt gecreëerd, niet de eigenschappen van het veld daarna. Dus elektromagneten hebben nog steeds twee polen, trekken nog steeds ferromagnetische materialen aan en hebben nog steeds polen die andere soortgelijke polen afstoten en ongelijke polen aantrekken. Het verschil is dat de bewegende lading in permanente magneten wordt gecreëerd door de beweging van elektronen in atomen, terwijl het in elektromagneten wordt gecreëerd door de beweging van elektronen als onderdeel van een elektrische actueel.
Voordelen van elektromagneten
Elektromagneten hebben echter veel voordelen. Omdat het magnetische veld wordt geproduceerd door de stroom, kunnen de kenmerken ervan worden gewijzigd door de stroom te veranderen. Door bijvoorbeeld de stroom te vergroten, neemt de sterkte van het magnetische veld toe. Evenzo kan een wisselstroom (AC-elektriciteit) worden gebruikt om een constant veranderend magnetisch veld te produceren, dat kan worden gebruikt om een stroom in een andere geleider te induceren.
Voor toepassingen zoals magneetkranen in metaalschrootwerven is het grote voordeel van elektromagneten dat het veld eenvoudig kan worden uitgeschakeld. Als je een stuk schroot zou oppakken met een grote permanente magneet, zou het een hele uitdaging zijn om het uit de magneet te halen! Met een elektromagneet hoef je alleen maar de stroom te stoppen en het schroot zal vallen.
Magneten en de wetten van Maxwell
De wetten van het elektromagnetisme worden beschreven door de wetten van Maxwell. Deze zijn geschreven in de taal van vectorcalculus en vereisen nogal gecompliceerde wiskunde om te gebruiken. De basisprincipes van de regels met betrekking tot magnetisme kunnen echter worden begrepen zonder in de gecompliceerde wiskunde te duiken.
De eerste wet met betrekking tot magnetisme wordt de "geen monopoolwet" genoemd. Dit stelt in feite dat alle magneten twee polen hebben en dat er nooit een magneet met een enkele pool zal zijn. Met andere woorden, je kunt geen noordpool van een magneet hebben zonder een zuidpool, en omgekeerd.
De tweede wet met betrekking tot magnetisme wordt de wet van Faraday genoemd. Dit beschrijft het proces van inductie, waarbij een veranderend magnetisch veld (geproduceerd door een elektromagneet met a variërende stroom of door een bewegende permanente magneet) induceert een spanning (en elektrische stroom) in een nabijgelegen geleider.
De laatste wet met betrekking tot magnetisme wordt de Ampere-Maxwell-wet genoemd en deze beschrijft hoe een veranderend elektrisch veld een magnetisch veld produceert. De sterkte van het veld is gerelateerd aan de stroom die door het gebied gaat en de snelheid van verandering van het elektrische veld (dat wordt geproduceerd door elektrische ladingsdragers zoals protonen en elektronen). Dit is de wet die je gebruikt om een magnetisch veld te berekenen in eenvoudiger gevallen, zoals voor een draadspoel of een lange rechte draad.