3 Magneten

Proef

Neem een staafmagneet en een aantal voorwerpen (lucifer, lepel, sleutel, stukje hout, steen …). Kijk welke voorwerpen aangetrokken worden door de magneet en welke niet.

We kennen allemaal kunstmatige magneten. Sinds het einde van de 19e eeuw worden deze vervaardigd voor allerlei toepassingen.

Slechts sommige materialen, zoals staal, ijzer, weekijzer … zijn magnetiseerbaar.

Zachte magnetiseerbare materialen, zoals weekijzer, zijn gemakkelijk te magnetiseren, maar verliezen na magnetisatie vrijwel onmiddellijk hun magnetische eigenschappen. Deze materialen worden bijvoorbeeld gebruikt om elektromagneten te maken.

Harde magnetiseerbare materialen, zoals staal, zijn moeilijk te magnetiseren, maar behouden lang hun magnetische eigenschappen na magnetisatie en kunnen dus gebruikt worden voor het vervaardigen van permanente magneten.

Naast kunstmatige magneten bestaat er ook een natuurlijke magneet. In de natuur komt een grijs-zwart mineraal voor dat van nature magnetisch is: magnetiet. Dit mineraal is waarschijnlijk vernoemd naar Magnesia, een Griekse regio waar ruim 2500 jaar geleden al magnetisch ijzererts Fe3O4 werd gevonden.

In de oudheid kende men dus al magnetische stoffen en zag men dat deze, afhankelijk van hun richting, elkaar aantrekken of afstoten.

Magneten oefenen een aantrekkingskracht uit op bepaalde materialen zoals ijzer, nikkel en kobalt.

Een magneet heeft een noordpool (N) en een zuidpool (Z). Op kunstmatige magneten zijn deze polen meestal duidelijk zichtbaar. De noordpool wordt meestal met een rode kleur aangeduid en de zuidpool met een blauwe kleur.

De polen van magneten oefenen een kracht uit op elkaar. Gelijksoortige polen stoten elkaar af, ongelijksoortige polen trekken elkaar aan.

Een kompasnaald is eigenlijk een kleine magneet. De noordpool is ook hier rood gekleurd. De kompasnaald, indien draaibaar opgesteld zoals in een kompas, wijst naar het geografische noorden.

Magneculen of weissgebieden

De magnetische eigenschappen van materie ontstaan door de bewegende ladingen die in de materie voorkomen. Rond de kern van een atoom bewegen de elektronen in banen of orbitalen en daarnaast hebben ook de elektronen zelf een spin, ze draaien rond hun as.

Deze elektronspin en de beweging van de elektronen rondom de atoomkern zorgen voor een mini-magnetisch veld rondom elk atoom. Voor de meeste atomen is dit magnetisch veld echter heel klein en dus verwaarloosbaar.

Bij sommige materialen zoals ijzer, nikkel en kobalt is het magnetisch veld rond elk atoom echter aanzienlijk. Deze materialen noemen we ferromagnetisch. Bij ferromagnetische materialen aligneren de magnetische velden van de verschillende atomen zich. Je kan het magneetveld rond een atoom voorstellen door een pijltje. Normaal wijst dit pijltje in een willekeurige richting, maar bij ferromagnetische materialen gaan de pijltjes van naburige atomen zich allemaal volgens dezelfde richting richten. Deze gealigneerde magnetische velden groeperen zich in gebieden van 0,01 à 0,1 mm (afhankelijk van het soort materiaal, de vorm van het preparaat …). Deze gebieden worden magneculen of weissgebieden genoemd. Ze zijn vernoemd naar hun ontdekker, de Franse fysicus Pierre-Ernest Weiss (1865 – 1940).

De gebieden van Weiss zijn willekeurig georiënteerd als het materiaal niet gemagnetiseerd is. Hierdoor heeft het materiaal geen netto-magnetische eigenschappen. Als je echter een magneet in de buurt van een ferromagnetisch materiaal brengt, gaan de magneculen zich allemaal richten volgens het extern magnetisch veld en wordt het materiaal magnetisch. De gebieden van Weiss hebben dan allemaal dezelfde oriëntatie.

magnetisch veld veroorzaakt door externe magneet geen externe magneet en bijhorend magnetisch veld aanwezig externe magneet en bijhorend magnetisch veld aanwezig

Vaak worden de gebieden van Weiss ook als minimagneetjes voorgesteld.

Bij weekijzer (een zacht magnetisch materiaal) verdwijnen de magnetische eigenschappen weer als het extern magneetveld weggehaald wordt. Dergelijke materialen worden dan opnieuw nietmagnetisch.

Hardstaal (een hard magnetisch materiaal) daarentegen behoudt zijn magnetische eigenschappen als het extern magnetisch veld verwijderd wordt. Het bezit dan permanent magnetisme (ook wel remanent magnetisme genoemd). Remanentie wordt veroorzaakt door de gebieden van Weiss. Als een extern magneetveld wordt aangelegd, hebben de meeste tot alle gebieden van Weiss dezelfde oriëntatie. Als het extern magneetveld wordt weggehaald, behouden bepaalde weissgebieden deze oriëntatie waardoor het materiaal het aangenomen magnetisme behoudt. Zo kunnen dus permanente magneten gemaakt worden.

Het is hierbij belangrijk om te weten dat er een temperatuur bestaat, de curietemperatuur, boven dewelke de atomen in het materiaal zo heftig gaan trillen dat de magneet zijn magnetische eigenschappen verliest. De curietemperatuur is afhankelijk van de materiaalsoort. Bovenstaande uitleg is dus enkel geldig voor temperaturen onder de curietemperatuur.

Magnetisme wordt dus veroorzaakt door de bewegingen van elektronen. Magnetische verschijnselen worden veroorzaakt door elektrische stromen, ze zijn een vorm van ‘elektromagnetisme’. Deze term verwijst naar het feit dat elektrische en magnetische verschijnselen met elkaar verstrengeld zijn.

Magnetische monopolen

Kunstmatige magneten zijn vaak heel breekbaar omdat ze keramisch gebakken zijn, je laat ze dus best niet op de grond vallen.

Als je ze toch laat vallen, heb je nadien twee kleinere magneten aangezien beide delen georiënteerde magneculen bevatten.

Bij magneten komen de noord- en zuidpool steeds samen voor. We kunnen de noord- en zuidpool dus niet van elkaar splitsen.

Hierin verschillen de noord- en zuidpool van een magneet dus van de plus- en minpool bij elektriciteit, deze kunnen namelijk wel afzonderlijk voorkomen.

Z

WIST-JE-DAT N N Z

Proef

Neem een staafmagneet en een ijzeren sleutel. Hou de staafmagneet verticaal en hang de sleutel er onderaan aan (de staafmagneet trekt de sleutel aan). Neem een tweede sleutel en hang die onder de eerste sleutel. De eerste sleutel trekt nu ook de tweede sleutel aan, hij is ook magnetisch geworden. Maak vervolgens de eerste sleutel los van de magneet. Na een korte tijd valt de tweede sleutel. Verklaar de waargenomen fenomenen aan de hand van eerder gegeven uitleg over de weissgebieden.