ABSTRACT Zonder magnetisme zou de wereld om ons heen er heel anders uitzien. De radio zou niet werken, computers zouden niet bestaan en op zee zou je

Transcriptie

1 ABSTRACT Zonder magnetisme zou de wereld om ons heen er heel anders uitzien. De radio zou niet werken, computers zouden niet bestaan en op zee zou je verdwalen zonder kompas. Maar wat is magnetisme nu eigenlijk? Astrid Ramakers 24 december 2013

2 - 1-1 Inleiding 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 de noordpool en de 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. In wezen wordt alle magnetisme veroorzaakt door zowel roterende als revoluerende elektrische ladingen in kringstromen. Ferrovloeistof in een magnetisch veld

3 - 2-2 Achtergrond Bij nadere beschouwing blijkt alle magnetisme in van nature magnetische of magnetiseerbare materialen, evenals elektromagnetisme, veroorzaakt te worden door bewegende elektrische ladingen. James Maxwell heeft, voortbouwend op onderzoek van o.a. Michael Faraday, al in de negentiende eeuw een bijzonder elegante wiskundige formulering gegeven van de relatie tussen elektriciteit en magnetisme, die door Heaviside naderhand werd bijgeschaafd tot slechts vier differentiaalvergelijkingen, de vergelijkingen van Maxwell, waarmee alle huidige 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 uit een noordpool - of uit een zuidpool bestaan. Het magnetisme van zulke monopolen zou echter van een geheel andere orde zijn dan het bovengenoemde magnetisme, dat immers nog steeds oorsprong vindt in bewegende elektrische ladingen. Tot heden zijn echter deze magnetische monopolen nog niet gevonden, evenmin als aanwijzingen van werkelijk geïsoleerd bestaan.

4 - 3-3 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. Het veld wordt beschreven door de magnetische fluxdichtheid B ook magnetische inductie genoemd, of door de magnetische veldsterkte H, ook het H-veld geheten. Tussen beide bestaat de relatie: B = µh waarin μ, de magnetische permeabiliteit, een eigenschap is van de materie ter plaatse van het veld. De magnetische fluxdichtheid B wordt gemeten in de SI-eenheid tesla, die met de grondeenheden verbonden is via: 1 tesla = 1 V s/m 2. Vroeger gebruikte men de cgseenheid gauss, 1 gauss = 0,0001 tesla. De magnetische veldsterkte H wordt gemeten in de eenheid A/m, vroeger in de cgs-eenheid oersted, met: 1 oersted = 1000/4π A/m, bijna 80 A/m. Het magnetisch veld wordt dus veroorzaakt door magneten, elektromagneten en elektrische stromen.

5 - 4-4 Magnetisch gedrag van materialen Wanneer een materiaal wordt bloot gesteld aan een magnetisch veld kan het daarop op verschillende manieren reageren. 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.

6 - 5-5 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 echter 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.

7 - 6-6 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: = L * I waarin de magnetische flux uitgedrukt in Weber L de zelfinductie in Henry en I de stroomsterkte in ampère Een sterk magnetisch veld wordt bepaald door hoge stromen alsmede een grote zelfinductie. Hoge stromen zijn niet altijd toelaatbaar, 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 afzonderlijke windingen worden zo dus bij elkaar opgeteld.

8 - 7-7 Aardmagnetisch veld Ook de aarde gedraagt zich als een grote magneet met veldlijnen die van de (magnetische) noordpool naar de zuidpool lopen. Men veronderstelt dat in het inwendige van de aarde grote elektrische stromen lopen die dit magnetisme veroorzaken. Op bepaalde tijden keert de richting van deze stromen en met deze wending 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. Deze poolwisseling zou ook verband houden met de golf van uitsterving in het Perm en die in het Krijt.

9 - 8-8 Enkele toepassingen van magnetisme 8.1 Elektromotoren en generatoren Magneten zijn de basis voor: Alle elektrische motoren Fietsdynamo's Onze elekticiteit Alternator Dynamo Wisselstroommotoren 8.2 Elektromagnetische straling In elektromagnetische straling komt een oscillerend elektrisch zowel als een oscillerend magnetisch veld voor. Deze velden zijn inherent aan elkaar gekoppeld. Zie ook de wetten van Maxwell. 8.3 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. 8.4 Supergeleidende magneten Een bijzondere vorm van magnetisme wordt bereikt door een zware magneet, geconstrueerd met een supergeleidende solenoïde. Daarmee kunnen over het algemeen sterkere magneetvelden worden opgewekt zonder noemenswaardige verliezen aan weerstand tegen de elektrische stroom. Bij een te sterk magnetisch veld dringt dit echter ook binnen in de supergeleidende draden van de solenoïde. Bij deze interne magneetvelden verdwijnen de supergeleidende eigenschappen van dergelijke materialen. De supergeleider wordt weer "normaal" en herkrijgt daardoor weerstand. Door de lopende stroom ontstaat dan vervolgens veel warmte, waardoor de (minder) supergeleidende draden ook nog eens warmer worden. Dit heeft weer tot gevolg dat de koelvloeistof (meestal vloeibaar Helium) gaat koken en verdampt. Al deze verschijnselen heten "quenchen" ('schrikken'). Dit beperkt helaas de toepasbaarheid van deze supergeleidende magneten.

10 - 9-9 Magnetische levitatie Er zijn treinen die (zonder wielen) op een magnetische baan zweven, de maglevs, zogenaamde magneetzweeftreinen. In de wereld zijn er drie bedrijven die zulke treinen maken (in Japan, in Duitsland en in China), maar om bedrijfseconomische redenen en technische complicaties wordt deze vervoerstechniek nog erg weinig toegepast. Inhoudsopgave 1 Inleiding Achtergrond Magnetisch veld Magnetisch gedrag van materialen Magnetisme in materialen Elektromagnetisme Aardmagnetisch veld Enkele toepassingen van magnetisme Elektromotoren en generatoren Elektromagnetische straling Kompas Supergeleidende magneten Magnetische levitatie... 9