Wat er van binnen gebeurt
Magnetisme in een materiaal komt voort uit de atomen waarvan het materiaal is gemaakt, en specifieker nog uit de elektronen in die atomen. In de kwantummechanica hebben elektronen een zogenaamd magnetisch moment, dat twee richtingen kan hebben door Pauli's uitsluitingsprincipe. Als alle magnetische momenten één richting op wijzen, ontstaat er een magnetische stof.
Een magneet werkt door een combinatie van materiaalgedrag, elektronen en magnetische veldlijnen. Binnen het materiaal staan veel kleine magnetische richtingen dezelfde kant op, waardoor er rond de magneet een magnetisch veld ontstaat dat bepaalde metalen kan aantrekken of afstoten.
IJzer heeft zogenaamde gebieden van Weiss: kleine magnetische gebieden die normaal gesproken door elkaar zitten, waardoor ze elkaars magnetisch veld opheffen. Strijk je een magneet een paar keer over een stuk ijzer, dan lijnen die gebieden zich uit en wordt het ijzer zelf ook magnetisch. Dit noemen we magnetiseren.
Noord- en zuidpool
Elke magneet heeft twee polen, een noordpool en een zuidpool. De basisregel van magnetische interactie is dat gelijknamige polen elkaar afstoten en ongelijknamige polen elkaar aantrekken. Dat klinkt simpel, maar het heeft een bijzonder gevolg.
Wanneer je een magneet doormidden breekt, ontstaan er geen losse noordpool en zuidpool. Je krijgt dan twee kleinere magneten, die allebei opnieuw een noordpool en een zuidpool hebben. Hoe klein je ook snijdt, er is altijd een twee-poligheid. Dat is een fundamenteel kenmerk van magnetisme, en tot op heden is er geen enkel bewijs gevonden dat er magnetische monopolen bestaan.
Permanente magneten en elektromagneten
Er zijn twee hoofdtypen magneten. Permanente magneten zijn van zichzelf magnetisch en blijven blijvend krachtig, zoals neodymium magneten. Elektromagneten worden pas magnetisch door een elektrische stroom.
Het basisprincipe van een elektromagneet is eenvoudig: wanneer een elektrische stroom door een draad loopt, ontstaat er een magnetisch veld rond die draad. Door de draad in een spoel te wikkelen, wordt dit veld versterkt. Het grote voordeel is dat je de kracht volledig kunt regelen door de stroom aan of uit te zetten. Dat maakt elektromagneten veelzijdiger dan permanente magneten voor technische toepassingen.
Niet elk metaal reageert
Een veelgemaakte aanname is dat magneten alle metalen aantrekken. Dat klopt niet. Een gewone magneet trekt vooral ferromagnetische materialen aan, zoals ijzer, nikkel, kobalt en veel staalsoorten. Materialen zoals aluminium, koper, messing, goud en zilver reageren niet merkbaar op een gewone permanente magneet. Het verschil zit in de interne structuur van het materiaal. Dat is ook de reden dat sommige munten niet aan een magneet blijven plakken.
Toepassingen die verdergaan dan de koelkast
Zodra je doorhebt hoe magneten werken, zie je ze overal terug in technologie. Luidsprekers maken gebruik van elektromagneten om geluid te produceren. De elektrische stroom door de spoel van de luidspreker creëert een magnetisch veld dat interactie aangaat met een permanente magneet, waardoor de luidsprekerconus trilt en geluidsgolven worden gegenereerd.
Nog indrukwekkender is de toepassing in medische apparatuur. Een MRI-scanner gebruikt een zeer sterke elektromagneet om waterstofatomen in het lichaam van de patiënt uit te lijnen. Door radiogolven door het lichaam te sturen, kunnen gedetailleerde beelden van de interne structuren worden verkregen.
En dan zijn er de magneetzweeftreinen. Maglev-treinen gebruiken krachtige elektromagneten om de trein boven de rails te laten zweven, waardoor wrijving wordt verminderd en de trein zeer hoge snelheden kan bereiken. Deze elektromagneten zorgen zowel voor het zweven als voor de voortbeweging. Maglev-treinen kunnen snelheden van meer dan 600 km/u bereiken, en doordat er geen contact is met de rails, zijn er minder slijtage en onderhoudskosten.
Zelf een elektromagneet maken
Wie wil begrijpen hoe elektromagnetisme in de praktijk werkt, kan het gewoon thuis uitproberen. Neem een stuk koperdraad van ongeveer één meter, wikkel het meerdere keren om een ijzeren spijker en verbind de uiteindes met een 9 volt batterij. Wanneer je de stroom inschakelt, wordt de spijker een magneet waarmee je kleine metalen voorwerpen kunt oppakken. Schakel de stroom uit, en de magneetwerking stopt. Meer windingen of een sterkere stroom maakt de magneet krachtiger.
Magnetisme als fundament van moderne technologie
Wat begint als een simpele koelkastmagneet blijkt de basis te zijn van vrijwel alle elektromotoren, generatoren, scanners en transportsystemen die er bestaan. Wie begrijpt hoe magnetisme op atoomniveau werkt, begrijpt ook waarom bepaalde materialen in technologie worden gekozen en anderen niet. Dat is kennis die je kunt toepassen, of het nu gaat om het ontwerpen van een luidspreker, het begrijpen van een MRI-scan of het nadenken over de toekomst van treinvervoer.
Terug
