We hebben allemaal wel eens met magneten gespeeld. Hieronder volgt een poging om de basis van de geheime werking van de mysterieuze magneet uit te leggen.
Een magneet is elk materiaal of object dat een magnetisch veld produceert. Dit magnetische veld is verantwoordelijk voor de eigenschap van een magneet: een kracht die op andere ferromagnetische materialen trekt en andere magneten aantrekt of afstoot. Een permanente magneet is een object gemaakt van een materiaal dat is gemagnetiseerd en een eigen persistent magnetisch veld creëert. Materialen die kunnen worden gemagnetiseerd en sterk worden aangetrokken door een magneet, worden ferromagnetisch genoemd. Hoewel ferromagnetische materialen de enigen zijn die sterk genoeg worden aangetrokken om algemeen als magnetisch te worden beschouwd, reageren alle andere stoffen zwak op een magnetisch veld.
Enkele feiten over magneten zijn onder meer:
- de noordpool van de magneet wijst naar de geomagnetische noordpool (een zuidmagnetische pool) in Canada boven de poolcirkel.
- noordpolen stoten noordpolen af
- zuidpolen stoten zuidpolen af
- noordpolen trekken zuidpolen aan
- zuidpolen trekken noordpolen aan
- de aantrekkingskracht of afstoting varieert omgekeerd met de afstand in het kwadraat
- de sterkte van een magneet varieert op verschillende locaties op de magneet
- magneten zijn het sterkst aan hun polen
- magneten trekken sterk staal, ijzer, nikkel, kobalt, gadolinium aan
- magneten trekken lichtjes vloeibare zuurstof en andere materialen aan
- magneten stoten lichtjes water, koolstof en boor af
De mechanica van hoe magneten werken, breekt echt door tot op atomair niveau. Als er stroom in een draad stroomt, ontstaat er een magnetisch veld rond de draad. Stroom is gewoon een stel bewegende elektronen en bewegende elektronen vormen een magnetisch veld. Op deze manier werken elektromagneten.
Rond de atoomkern bevinden zich elektronen. Wetenschappers dachten altijd dat ze cirkelvormige banen hadden, maar ontdekten dat de zaken veel ingewikkelder zijn. In feite houden de patronen van het elektron binnen een van deze orbitalen rekening met de golfvergelijkingen van Schroedinger. Elektronen bezetten bepaalde schillen die de kern van het atoom omringen. Deze schelpen hebben de letternamen K, L, M, N, O, P, Q gekregen. Ze hebben ook nummernamen gekregen, zoals 1,2,3,4,5,6,7 (denk aan kwantummechanica). Binnen de shell kunnen er subshells of orbitalen bestaan, met letternamen zoals s, p, d, f. Sommige van deze orbitalen zien eruit als bollen, sommige als een zandloper, weer andere als kralen. De K-schaal bevat een s-orbitaal die een 1s-orbitaal wordt genoemd. De L-schaal bevat een s- en p-orbitaal, een 2s- en 2p-orbitaal. De M-schaal bevat een s, p en d orbit, een 3s, 3p en 3d orbit genoemd. De N, O, P en Q shells bevatten elk een s, p, d en f orbitaal genaamd een 4s, 4p, 4d, 4f, 5s, 5p, 5d, 5f, 6s, 6p, 6d, 6f, 7s, 7p, 7d en 7f baan. Deze orbitalen hebben ook verschillende suborbitalen. Elk kan slechts een bepaald aantal elektronen bevatten. Maximaal 2 elektronen kunnen een sub-orbitaal bezetten waar de ene een opwaartse draai heeft, de andere een neerwaartse draai. Er kunnen niet twee elektronen zijn met spin-up in dezelfde suborbitaal (het Pauli-uitsluitingsprincipe). Ook als je een paar elektronen in een suborbitaal hebt, zullen hun gecombineerde magnetische velden elkaar opheffen. Als je in de war bent, ben je niet de enige. Veel mensen verdwalen hier en vragen zich gewoon af wat magneten zijn in plaats van verder te onderzoeken.
Als je naar de ferromagnetische metalen kijkt, is het moeilijk te zien waarom ze zo verschillend zijn van de elementen ernaast in het periodiek systeem. Algemeen wordt aangenomen dat ferromagnetische elementen grote magnetische momenten hebben vanwege niet-gepaarde elektronen in hun buitenste orbitalen. Men denkt ook dat de spin van het elektron een miniem magnetisch veld creëert. Deze velden hebben een samengesteld effect, dus als je een aantal van deze velden bij elkaar krijgt, tellen ze op tot grotere velden.
Om de zaken af te ronden: ‘hoe werken magneten?’, Hebben de atomen van ferromagnetische materialen de neiging om hun eigen magnetische veld te creëren dat wordt gecreëerd door de elektronen die er omheen draaien. Kleine groepen atomen hebben de neiging zich in dezelfde richting te oriënteren. Elk van deze groepen wordt een magnetisch domein genoemd. Elk domein heeft zijn eigen noordpool en zuidpool. Wanneer een stuk ijzer niet wordt gemagnetiseerd, zullen de domeinen niet in dezelfde richting wijzen, maar in willekeurige richtingen wijzen, waardoor ze elkaar opheffen en voorkomen dat het ijzer een noord- of zuidpool heeft of een magneet is. Als je stroom introduceert (magnetisch veld), zullen de domeinen beginnen uit te lijnen met het externe magnetische veld. Hoe actueler toegepast, hoe hoger het aantal uitgelijnde domeinen. Naarmate het externe magnetische veld sterker wordt, zullen steeds meer van de domeinen hierop aansluiten. Er zal een punt komen waarop alle domeinen in het ijzer zijn uitgelijnd met het externe magnetische veld (verzadiging), ongeacht hoeveel sterker het magnetische veld is gemaakt. Nadat het externe magnetische veld is verwijderd, zullen zachte magnetische materialen terugkeren naar willekeurig georiënteerde domeinen; harde magnetische materialen houden de meeste domeinen echter op één lijn, waardoor een sterke permanente magneet ontstaat. Dus daar heb je het.
Voor Space Magazine hebben we veel artikelen over magneten geschreven. Hier is een artikel over staafmagneten en hier is een artikel over supermagneten.
Als je meer informatie wilt over magneten, bekijk dan enkele coole experimenten met magneten en hier is een link naar een artikel over supermagneten van Wise Geek.
We hebben ook een hele aflevering van Astronomy Cast opgenomen over Magnetisme. Luister hier, aflevering 42: magnetisme overal.
Bronnen:
Wijsneus
Wikipedia: magneet
Wikipedia: Ferromagnetisme
