Onderzoek naar de fascinerende eigenschappen van magneten

Wat zijn de eigenschappen van magneten? Magneten zijn bijzondere objecten. Ze kunnen aan andere dingen duwen of trekken zonder ze daadwerkelijk aan te raken! Mensen hebben er van gewetenmagnetenvoor duizenden jaren. In het oude Griekenland vonden mensen opmerkelijke rotsen, magneetstenen genaamd, die als magneten werkten. De rotsen konden zichzelf ronddraaien en zo naar het noorden en het zuiden wijzen, in lijn met het magnetische veld van de aarde.

Tegenwoordig worden magneten gebruikt in veel dingen die we dagelijks gebruiken. Er valt nog veel meer te ontdekken over de eigenschappen van magneten en hoe we ze kunnen gebruiken.

Magnetische materialen

Alle dingen in de wereld vertonen een soort magnetisme. Maar de kracht van het magnetisme verschilt heel erg per ding. Gebaseerd op de eigenschappen van magneten, hebben we vijf grote groepen: ferromagnetisch, paramagnetisch, diamagnetisch, ferrimagnetisch en antiferromagnetisch.

Ferromagnetische dingen zoals ijzer, kobalt en nikkel vertonen het sterkste magnetisme. Hun kleine structuur kan hun sterke aantrekkingskracht op magnetische velden verklaren. De atomen in ferromagnetische dingen hebben ongeëvenaarde elektronen die in dezelfde richting wijzen in gebieden die magnetische domeinen worden genoemd. Door in dezelfde richting te wijzen, wordt het magnetische veld vergroot en ontstaat een permanente magneet.

Paramagnetische dingen zoals aluminium en platina worden ook naar magnetische velden getrokken, maar de kracht is veel zwakker dan bij ferromagnetische dingen. De ongeëvenaarde elektronen in paramagnetische atomen wijzen in de richting van een aangelegd veld, maar behouden geen enkele magnetisatie zodra het veld is verwijderd.

Diamagnetische dingen zoals koper en goud vertonen een zwakke weerstand tegen magnetische velden. Wanneer ze in een extern veld worden geplaatst, creëren hun atomen een geïnduceerd magnetisch veld in de tegenovergestelde richting. Ze hebben echter geen permanente atomaire dipolen.

Ferrimagnetische dingen vertonen een complexe magnetische ordening waarbij de ongeëvenaarde elektronen van atomen op verschillende roosters tegenover elkaar staan, zoals in antiferromagneten. Maar ferrimagneten behouden een permanente magnetisatie omdat de tegenoverliggende, ongeëvenaarde elektronen ongelijk zijn. Ferrieten zoals magnetiet zijn alledaagse ferromagnetische dingen.

Tabel 1: Magnetische materialen

Magnetische domeinen

Alle materialen die ferromagnetisch zijn, hebben kleine magneten in zich die atomaire dipolen worden genoemd. Deze kleine magneten wijzen meestal in willekeurige richtingen, waardoor ze elkaar opheffen. Dit betekent dat het materiaal geen algeheel magnetisme heeft als het alleen wordt gelaten. Maar wanneer het materiaal gemagnetiseerd wordt, staan ​​de kleine magneten binnenin op één lijn!

Magnetisatie vindt plaats wanneer groepen atomen, magnetische domeinen genoemd, hun kleine magneten in dezelfde richting laten wijzen. De kleine magneten wijzen binnen elk domein naar elkaar omdat ze sterk met elkaar verbonden zijn. Maar verschillende domeinen zullen in willekeurige richtingen wijzen voordat magnetisatie plaatsvindt.

Externe krachten zoals magnetische velden kunnen de domeinen laten groeien en hun kleine magneten op één lijn brengen. Dit maakt een permanente magneet. Het verwarmen van een materiaal geeft ook energie aan de kleine magneten om te bewegen. Hierdoor kunnen domeinen hun kleine magneten uitlijnen.

Andere dingen die van invloed zijn op de manier waarop domeinen van kleine magneten zijn gerangschikt, zijn onder meer spanning, korrelgrenzen, onzuiverheden en demagnetiserende velden. De sterkte van een magneet hangt af van hoeveel domeinen hun kleine magneten op één lijn krijgen en hoe goed ze weerstand bieden aan externe krachten die proberen ze in de war te brengen.

Magnetische velden

Magneten maken onzichtbare gebieden om hen heen die magnetische velden worden genoemd. De magnetische flux is de ruimte rond een magneet waar je de kracht ervan kunt voelen. Om de magnetische flux te zien, tekenen we magnetische veldlijnen. Meer lijnen betekenen een sterker magnetisch veld. De lijnen komen uit de noordpool van de magneet en buigen rond naar de zuidpool.

Magnetische velden ontstaan ​​wanneer kleine elektrische ladingen zich verplaatsen. Binnen atomen draaien de elektronen en draaien ze rond in banen. Elk atoom is een kleine magneet met zijn eigen noord- en zuidpool. In magnetische materialen staan ​​de kleine magneten in domeinen op één lijn. Dit combineert al hun magnetische velden om één groot magnetisch veld te maken dat één kant op wijst. Dit is hoe permanente magneten zulke sterke magnetische velden krijgen.

Het onzichtbare magnetische veld is sterker en dichter bij de magneet. Het wordt zwakker naarmate je verder weg gaat. Kleinere magneten hebben kleinere en zwakkere magnetische velden. Grotere magneten hebben grotere en sterkere magnetische velden.

Magnetische Polen

Magneten hebben een noord- en een zuidpool. Dit zijn gebieden waar de magnetische kracht het sterkst is. Tegengestelde polen trekken elkaar aan. Noord- en zuidpool blijven bij elkaar. Dezelfde polen duwen zich van elkaar af. Twee noordpolen of twee zuidpolen stoten elkaar af en duwen uit elkaar.

Dit gebeurt vanwege de manier waarop de onzichtbare magnetische veldlijnen stromen. De lijnen lopen van de noordpool naar de zuidpool in de magneet. Op atomair niveau heeft elke kleine magneet binnenin magnetische veldlijnen die van noord naar zuid stromen. In een magneet lijnen alle kleine magneten hun magnetische velden uit.

Permanente magneten

Hoewel sommige materialen, zoals ijzer, van nature magnetisch zijn, worden permanente magneten vaak kunstmatig geproduceerd door magnetisatie. IJzer, nikkel, kobalt of legeringen zijn meestal de beste permanente magneten.

Bij magnetisatie wordt het materiaal blootgesteld aan een sterk extern magnetisch veld van een elektromagneet of een andere permanente magneet. Dit zorgt ervoor dat de magnetische domeinen groeien en zich afstemmen op het externe veld, waardoor een sterke permanente magneet ontstaat. Harde magneten zijn bestand tegen demagnetisatie, terwijl zachte magneten gemakkelijker hun magnetisme verliezen.

De sterkte van een permanente magneet hangt samen met zijn coërciviteit, de veldintensiteit die nodig is om hem te demagnetiseren. Materialen met een hoge coërcitie kunnen krachtige permanente magneten maken, maar zijn in eerste instantie lastiger te magnetiseren. De maximale magnetische fluxdichtheid of verzadigingsmagnetisatie en restmagnetisatie hebben ook invloed op de sterkte van de magneet.

Elektromagneten

Naast permanente magneten gebruiken elektromagneten elektrische stromen om tijdelijk magnetisme te induceren. Wanneer een elektrische stroom door een opgerolde draad gaat, genereert deze een magnetisch veld evenwijdig aan de as van de spoel. De veldsterkte neemt toe met meer lussen en hogere stroom.

Het materiaal in de spoel is ook van belang. Zacht ijzer maakt het magnetische veld sterker. IJzer kan een elektromagneet 100 keer meer laten optillen. Maar ijzer vertraagt ​​ook hoe snel de magneet reageert.

Elektromagneten hebben stroom nodig om magnetisch te blijven. Permanente magneten doen dat niet. Maar elektromagneten kunnen snel aan en uit gaan. Hun macht kan ook onmiddellijk veranderen. Dit maakt ze geschikt voor het tillen van zwaar ijzer en MRI-scans waarbij wisselende magnetische velden nodig zijn.

Magnetische kracht en magnetisch moment

Hoe magnetisch iets is, hangt af van hoeveel magnetisme er in de buurt van een magnetisch veld plaatsvindt. Hoe goed het uitgelijnd is met het magnetische veld, wordt magnetisch moment genoemd. Dit hangt af van de kleine bouwstenen van het materiaal, atomen genaamd, voornamelijk elektronen die alleen zijn en niet in paren. Deze werken als kleine magneetjes.

Een sterke magneet kan veel magnetische kracht vasthouden die er doorheen stroomt. Dit wordt verzadigingsmagnetisatie genoemd. Een sterke magneet behoudt meer van zijn magnetisme als het externe veld verdwijnt. Dit heet remanentie. Magnetisme ontstaat doordat elektronen ronddraaien en in een baan ronddraaien. Dus kleine regels van de kwantumfysica bepalen de magnetische kracht.

Magnetische eigenschappen

Verschillende fundamentele eigenschappen van magneten helpen de magnetische prestaties te karakteriseren:

● Verzadigingsmagnetisatie: de maximaal mogelijke magnetische fluxdichtheid die een materiaal kan genereren in een aangelegd veld. Gemeten in Tesla's.

● Remanentie: de resterende magnetisatie wanneer het aandrijfveld wordt verwijderd. Hoeveel magnetisme blijft er over?

● Coërcief: de omgekeerde magnetische veldsterkte die nodig is om het materiaal terug naar nul te demagnetiseren. Bestand tegen demagnetisatie.

● Permeabiliteit: vermogen om de vorming van een magnetisch veld in zichzelf te ondersteunen. Hoge permeabiliteit concentreert de magnetische flux.

● Hysteresis: neiging om een ​​opgelegd magnetisme vast te houden. Materialen met aanzienlijke hysterese zijn effectieve permanente magneten.

Het optimaliseren van deze eigenschappen van magneten is essentieel bij het selecteren van het geschikte magnetische materiaal voor een bepaalde toepassing, of het nu gaat om het bereiken van de hoogste permanente veldsterkte of het maximaliseren van omkeerbare fluxveranderingen.

Magnetische hysterese

Magneten kunnen op spannende manieren werken! Magneten vertonen een fenomeen dat hysterese wordt genoemd. Hun magnetisatie volgt elke keer dat je door het externe magnetische veld loopt een ander pad. Het precieze pad hangt af van de voorgeschiedenis van magnetisatie van de magneet.

Je kunt dit zien als je uitzet hoe de magnetische fluxdichtheid B verandert naarmate het aangelegde magnetische veld H verandert. Deze grafiek maakt een lus die een hysteresislus wordt genoemd.

In eerste instantie komen de kleine magnetische gebieden in de magneet, domeinen genoemd, langzaam op één lijn te staan ​​naarmate je H vergroot. Als ze eenmaal allemaal op één lijn liggen, verandert B niet langer door verdere toenames in H. Wanneer je vervolgens H verkleint, volgt B een andere curve. Wanneer H nul is, blijft er enige magnetisatie over van de uitgelijnde domeinen. Je moet een magnetisch veld in de tegenovergestelde richting aanleggen om de magnetisatie weer op nul te brengen.

Het gebied binnen de hysteresislus toont energie die verloren gaat als de domeinen elke cyclus veranderen. Harde magneten hebben brede lussen en aanzienlijke energieverliezen. De vorm van de lus vertelt je ook over de eigenschappen van de magneet, zoals hoe goed hij gemagnetiseerd blijft en hoe moeilijk het is om te demagnetiseren.

Temperatuureffecten

Warmte-energie kan het gedrag van magneten beïnvloeden! Naarmate de temperatuur stijgt, worden de kleine uitgelijnde magnetische gebieden in een magneet die domeinen worden genoemd, heen en weer geslingerd door de warmte-energie. Hierdoor neemt de magnetisatie af. Bij een hoge Curietemperatuur verstoort de warmte-energie de magnetische orde en verdwijnt het permanente magnetisme volledig.

Hoe gemakkelijk het is voor een magneet om zijn magnetisatie te verliezen, hangt af van de Curietemperatuur. De hoogste Curietemperatuur van elk puur element is ijzer, namelijk 1043 K. Door stoffen als nikkel en kobalt toe te voegen om legeringen te maken, wordt het Curiepunt hoger. Met hittebestendige permanente magneten kunt u magneten gebruiken in toepassingen zoals generatoren en motoren.

Door het koelen van magneten onder het Curiepunt gaat de magnetisatie weer omhoog. Supergeleidende elektromagneten werken alleen bij lage temperaturen, waarbij de elektrische weerstand verdwijnt en krachtige, langdurige magnetische velden ontstaan.

Tabel 2: Temperatuureffecten op magnetisme

Magnetische toepassingen

Magneten zijn een veelzijdig hulpmiddel dat overal in het industriële landschap te vinden is in toepassingen zoals:

● Motoren - Draaiende elektromotoren zijn afhankelijk van magneten die mechanische en elektrische energie omzetten door middel van elektromagnetische inductie. Kleine motoren drijven apparaten aan, van ventilatoren tot harde schijven.

● Generatoren - Turbinegeneratoren produceren elektriciteit door magneten in de buurt van draadspoelen te draaien, waardoor stroom wordt geïnduceerd.

● Magnetische opslag - Harde schijven schrijven gegevens door de magnetisatie van kleine domeinen op een ferromagnetische schijf om te draaien.

● Levitatie - Maglev-treinen gebruiken magneten om boven de baan te zweven, waardoor wrijving wordt geëlimineerd voor stil en soepel reizen.

● Medische apparatuur - MRI-machines maken gebruik van sterke supergeleidende magneten om veranderingen in het magnetische veld van het lichaam te detecteren voor diagnostische beeldvorming.

● Onderzoek - Massaspectrometers buigen geladen deeltjes met magnetische velden om hun massa en chemische structuur te bepalen.

● Hernieuwbare energie - Magnetische lagers stabiliseren vliegwielen en slaan kinetische energie op die wordt geoogst uit wind- of zonne-energie.

Magnetische levitatie

Magnetische levitatie, of maglev, gebruikt magneten om dingen te laten zweven! Magneten duwen van elkaar weg. Maar unieke magneetopstellingen kunnen ervoor zorgen dat ze stabiel blijven zweven.

In Azië en Europa rijden al snelle magneettreinen. Zweven boven het spoor betekent geen wrijving van de wielen, waardoor magneettreinen ruim 600 km/u kunnen rijden! Omdat ze geen wielen of lagers hebben, zijn ze stiller en soepeler bij het versnellen en stoppen. Ze verbruiken ook minder energie dan reguliere treinen.

Maglev is geldig voor meer dan alleen treinen! Het zou kunnen helpen bij het lanceren van ruimtevaartuigen, het maken van deeltjesversnellers, het creëren van wrijvingsloze lagers en het stoppen van trillingen in gebouwen. Ingenieurs zijn nog steeds bezig met het verbeteren van supersterke magneten. Hierdoor kunnen magneettreinen in de toekomst hele steden met elkaar verbinden.

Door meer toe te voegen over hoe magneetzweef werkt, gebruik in de echte wereld en toekomstige mogelijkheden, wordt dit geavanceerde concept eenvoudig uitgelegd. Jonge studenten kunnen zwevende treinen begrijpen door wrijvingsloze magneetkrachten en zich andere toepassingen van deze coole technologie voorstellen.

Conclusie

Van kleine koelkastmagneten tot kilometerslange magneten die fusiereactoren aandrijven: magneten zijn van onschatbare waarde in ons dagelijks leven. Het begrijpen van de unieke eigenschappen van magneten blijft ontdekkingen stimuleren die tot nieuwe toepassingen leiden. Baanbrekende gebieden zoals spintronica en magnetische monopolen bieden mogelijkheden voor de volgende generatie elektronica en zelfs kwantumcomputers.

Omdat er nog veel te begrijpen valt over de kwantumfundamenten van magnetisme, zal onderzoek hun enorme potentieel verder onthullen. Er valt nog zoveel meer te ontdekken over wat we met de eigenschappen van magneten kunnen bereiken.

Veelgestelde vragen over eigenschappen van magneten

Wat zijn de eenheden van magnetische veldsterkte?

De magnetische veldsterkte wordt gekwantificeerd in ampère per meter (A/m) of tesla (T). Eén Tesla is gelijk aan één Newton per ampèremeter. De magnetische veldsterkte van de aarde bedraagt ​​ongeveer 0,5 gauss of 50 microteslas.

Hoe bereken je de magnetische flux?

De magnetische flux door een oppervlak wordt berekend door de magnetische veldsterkte, het loodrechte gebied en de cosinus van de hoek te vermenigvuldigen.

Welke materialen worden gebruikt in supergeleidende magneten?

Supergeleidende magneten maken doorgaans gebruik van supergeleiders zoals niobium-titanium- of niobium-tin-spoelen die worden gekoeld door vloeibaar helium. Nieuwere supergeleiders voor hoge temperaturen maken minder extreme koelbehoeften voor hoge veldsterkten mogelijk.

Meta omschrijving

Ontdek de fascinerende wereld van magneten. Leer meer over materialen, domeinen, velden en andere eigenschappen van magneten!