Waarvoor gebruiken we magneten?

Misschien vind je magneten interessant; misschien vind je ze maar saai! Waarvoor worden ze gebruikt, vraag je je misschien af, behalve voor kinderachtige goocheltrucs en speelgoed?

Hoeveel dingen om je heen werken op basis van magnetisme of elektromagnetisme, zal je misschien verbazen. Elk elektrisch apparaat met een elektromotor (alles van uw elektrische tandenborstel tot uw grasmaaier) maakt gebruik van magneten om elektriciteit in beweging om te zetten. Motoren gebruiken elektriciteit om tijdelijk magnetisme op te wekken in draadspoelen. Het magnetische veld dat zo ontstaat, duwt tegen het vaste veld van een permanente magneet, waardoor het binnenste deel van de motor met hoge snelheid ronddraait. Je kunt deze draaiende beweging gebruiken om allerlei machines aan te drijven.

Er zitten magneten in je koelkast die de deur dichthouden. Magneten lezen en schrijven gegevens (digitale informatie) op de harde schijf van uw computer en op cassettebandjes in ouderwetse stereotoren. Meer magneten in uw hifi-luidsprekers of koptelefoons helpen om opgeslagen muziek weer om te zetten in geluiden die u kunt horen. Als u een ernstige inwendige ziekte hebt, kunt u een soort lichaamsscan laten maken, NMR (kernspinresonantie) genaamd, die de wereld onder uw huid tekent met behulp van patronen van magnetische velden. Magneten worden gebruikt om uw metalen afval te recyclen (stalen conservenblikjes zijn sterk magnetisch, maar aluminium drankblikjes niet, dus een magneet is een gemakkelijke manier om de twee verschillende metalen te scheiden).

Foto: Een NMR-scan zoals deze bouwt een gedetailleerd beeld van het lichaam van een patiënt (of, in dit geval, van zijn hoofd) op een computerscherm op aan de hand van de magnetische activiteit van atomen in zijn lichaamsweefsel. Bovenaan ziet u hoe de patiënt in de scanner gaat en op het scherm daaronder ziet u het beeld van zijn hoofd. Foto met dank aan Warren Grant Magnuson Clinical Center (CC) en US National Institutes of Health (NIH).

Welke materialen zijn magnetisch?

Iron is de koning onder de magnetische materialen – het metaal waar we allemaal aan denken als we aan magneten denken. De meeste andere gewone metalen (zoals koper, goud, zilver en aluminium) zijn op het eerste gezicht niet magnetisch en de meeste niet-metalen (zoals papier, hout, plastic, beton, glas en textiel als katoen en wol) zijn ook niet-magnetisch. Maar ijzer is niet het enige magnetische metaal. Nikkel, kobalt, en elementen die behoren tot een deel van het Periodiek Systeem (de ordelijke ordening die chemici gebruiken om alle bekende chemische elementen te beschrijven) bekend als de zeldzame-aardmetalen (met name samarium en neodymium) maken ook goede magneten. Sommige van de beste magneten zijn legeringen (mengsels) van deze elementen met elkaar en met andere elementen. Ferrieten (verbindingen van ijzer, zuurstof en andere elementen) zijn ook uitstekende magneten. Loodsteen (ook wel magnetiet genoemd) is een voorbeeld van een ferriet dat in de aarde veel voorkomt (het heeft de chemische formule FeO-Fe2O3).

Materialen zoals ijzer worden goede tijdelijke magneten als je er een magneet bij in de buurt zet, maar hebben de neiging hun magnetisme weer geheel of gedeeltelijk te verliezen als je de magneet weer weghaalt. We noemen deze materialen magnetisch zacht. Daarentegen behouden ijzerlegeringen en zeldzame aardmetalen hun magnetisme grotendeels, zelfs als je ze uit een magneetveld haalt, zodat ze goede permanente magneten zijn. We noemen deze materialen magnetisch hard.

Is het waar om te zeggen dat alle materialen magnetisch of niet-magnetisch zijn? Vroeger dacht men dat, maar wetenschappers weten nu dat de materialen die wij als niet-magnetisch beschouwen, ook door magnetisme worden beïnvloed, zij het uiterst zwak. De mate waarin een materiaal gemagnetiseerd kan worden, wordt de gevoeligheid genoemd.

Hoe verschillende materialen op magnetisme reageren

Wetenschappers hebben een aantal verschillende woorden om te beschrijven hoe materialen zich gedragen wanneer je ze in de buurt van een magneet plaatst (wat een andere manier is om te zeggen wanneer je ze in een magnetisch veld plaatst). Globaal genomen kunnen we alle materialen onderverdelen in twee soorten: paramagnetisch en diamagnetisch, terwijl sommige paramagnetische materialen ook aerromagnetisch zijn. Het is belangrijk om duidelijk te zijn wat deze verwarrende woorden eigenlijk betekenen…

Paramagnetisch

Maak een monster van een magnetisch materiaal en hang het aan een draad zodat het in een magnetisch veld bungelt, en het zal magnetiseren en zich zo oplijnen dat zijn magnetisme evenwijdig is aan het veld. Zoals de mensen al duizenden jaren weten, gedraagt een kompasnaald zich precies zo in het magneetveld van de aarde. Materialen die zich zo gedragen worden paramagnetisch genoemd. Metalen zoals aluminium en de meeste niet-metalen (waarvan je zou denken dat ze helemaal niet magnetisch zijn) zijn eigenlijk paramagnetisch, maar zo zwak dat we het niet opmerken. Paramagnetisme hangt af van de temperatuur: hoe heter een materiaal is, hoe minder het waarschijnlijk wordt beïnvloed door nabijgelegen magneten.

Photo: We beschouwen aluminium (dat wordt gebruikt in drankblikjes zoals deze) als niet-magnetisch. Dat helpt ons bij het scheiden van onze aluminium blikjes (die niet aan magneten blijven kleven) en onze stalen blikjes (die dat wel doen). In feite zijn beide materialen magnetisch. Het verschil is dat aluminium zeer zwak paramagnetisch is, terwijl staal sterk ferromagnetisch is. Foto met dank aan US Air Force.

Ferromagnetisch

Sommige paramagnetische materialen, met name ijzer en de zeldzame-aardmetalen, worden sterk gemagnetiseerd in een veld en blijven meestal magnetisch, zelfs als het veld wordt opgeheven. We zeggen dat dergelijke materialen ferromagnetisch zijn, wat eigenlijk alleen maar betekent dat ze “magnetisch zijn als ijzer”. Een ferromagnetisch materiaal verliest echter zijn magnetisme als je het verhit tot boven een bepaald punt, de zogenaamde Curietemperatuur. IJzer heeft een Curietemperatuur van 770°C, terwijl de Curietemperatuur voor nikkel 355°C bedraagt. Als je een ijzermagneet verhit tot 800°C (~1500°F), is hij niet meer magnetisch. Je kunt ferromagnetisme ook vernietigen of verzwakken door herhaaldelijk op een magneet te slaan.

Diamagnetisch

We kunnen paramagnetische en ferromagnetische materialen beschouwen als “fans” van magnetisme: in zekere zin “houden” ze van magnetisme en reageren ze er positief op door zich te laten magnetiseren. Niet alle materialen reageren zo enthousiast. Als je sommige materialen in een magnetisch veld hangt, raken ze van binnen behoorlijk opgewonden en verzetten zich: ze veranderen zichzelf in tijdelijke magneten om magnetisatie tegen te gaan en stoten magnetische velden buiten zich zwak af. We noemen deze materialen diamagnetisch. Water en veel organische (op koolstof gebaseerde) stoffen, zoals benzeen, gedragen zich op deze manier. Bind een diamagnetisch materiaal aan een draad en hang het in een magnetisch veld, dan zal het zo draaien dat het een hoek van 180° maakt ten opzichte van het veld.

Wat veroorzaakt magnetisme?

In het begin van de 20e eeuw, voordat wetenschappers de structuur van atomen en hoe ze werken goed begrepen, kwamen ze met een eenvoudig te begrijpen idee, de zogenaamde domeintheorie, om magnetisme te verklaren. Een paar jaar later, toen zij atomen beter begrepen, ontdekten zij dat de domeintheorie nog steeds werkte maar zelf, op een dieper niveau, kon worden verklaard door de theorie van atomen. Alle verschillende aspecten van magnetisme die we waarnemen kunnen uiteindelijk worden verklaard door te spreken over domeinen, elektronen in atomen, of beide. Laten we de twee theorieën eens bekijken.

Magnetisme verklaren met de domeintheorie

Stel je ergens een fabriek voor die staafmagneetjes maakt en die naar scholen stuurt voor hun wetenschapslessen. Stel je een man voor die Dave heet en die hun vrachtwagen moet besturen om een heleboel kartonnen dozen, elk met een magneet erin, naar een andere school te brengen. Dave heeft geen tijd om zich zorgen te maken over hoe de dozen gestapeld zijn, dus stapelt hij ze in zijn truck, hoe dan ook. De magneet in de ene doos kan naar het noorden wijzen, terwijl de magneet ernaast naar het zuiden, oosten of westen wijst. Over het geheel genomen liggen de magneten door elkaar, dus ook al lekken er magnetische velden uit elke doos, ze heffen elkaar allemaal op.

In dezelfde fabriek werkt een andere vrachtwagenchauffeur, Bill, die niet anders kan zijn. Hij houdt van opgeruimd staat netjes, dus laadt hij zijn truck op een andere manier, stapelt alle dozen netjes op, zodat ze precies op dezelfde manier staan. Zie je wat er dan gebeurt? Het magnetisch veld van de ene doos zal op één lijn staan met het veld van alle andere dozen… en verandert de truck in één grote magneet. De cabine wordt een reusachtige noordpool en de achterkant van de truck een reusachtige zuidpool!

Wat er in deze twee trucks gebeurt, is wat er op kleine schaal in magnetische materialen gebeurt. Volgens de domeintheorie bevat iets als een ijzeren staaf kleine zakjes, domeinen genaamd. Elk domein lijkt een beetje op een doos met een magneet erin. Zie je waar we naar toe gaan? De ijzeren staaf is net als de vrachtwagen. Normaal gesproken zijn alle “dozen” aan boord willekeurig gerangschikt en is er geen algeheel magnetisme: het ijzer is niet gemagnetiseerd. Als je een magneet op een niet gemagnetiseerde ijzeren staaf brengt en hem systematisch en herhaaldelijk op en neer beweegt, herschik je alle magnetische “dozen” (domeinen) binnenin, zodat ze dezelfde kant op wijzen.

De domeintheorie verklaart wat er gebeurt in materialen als ze gemagnetiseerd zijn. In een niet gemagnetiseerd materiaal (links) zijn de domeinen willekeurig gerangschikt, zodat er geen algemeen magnetisch veld is. Als je een materiaal magnetiseert (rechts), door er herhaaldelijk met een staafmagneet in dezelfde richting overheen te strijken, herschikken de domeinen zich zodat hun magnetische velden op één lijn liggen en er een gecombineerd magnetisch veld in dezelfde richting ontstaat.

Deze theorie verklaart hoe magnetisme kan ontstaan, maar verklaart ze ook een aantal andere dingen die we van magneten weten? Als je een magneet doormidden hakt, weet je dat je twee magneten krijgt, elk met een noord- en zuidpool. Dat is logisch volgens de domeintheorie. Als je een magneet doormidden hakt, krijg je een kleinere magneet die nog steeds vol zit met domeinen, en die kunnen net als in de oorspronkelijke magneet noord-zuid gerangschikt worden. En hoe zit het met het verdwijnen van magnetisme als je een magneet slaat of verhit? Dat kan ook verklaard worden. Stel je het busje vol met ordelijke dozen weer voor. Als je er met hoge snelheid tegenaan rijdt, is het net alsof je ermee schudt of hamert. Alle dozen zullen in de war raken, zodat ze verschillende kanten opkijken en het totale magnetisme zal verdwijnen. Het opwarmen van een magneet brengt hem inwendig in beweging en gooit de dozen op ongeveer dezelfde manier in de war.

Magnetisme verklaren met de atoomtheorie

De domeintheorie is gemakkelijk genoeg te begrijpen, maar het is geen volledige verklaring. We weten dat ijzeren staven niet vol zitten met doosjes vol met kleine magneetjes, en als je erover nadenkt, is een magneet proberen te verklaren door te zeggen dat hij vol zit met kleinere magneetjes eigenlijk helemaal geen verklaring, omdat het meteen de vraag oproept: waar zijn die kleinere magneetjes van gemaakt? Gelukkig is er een andere theorie waartoe we ons kunnen wenden.

Terug in de 19e eeuw ontdekten wetenschappers dat zij elektriciteit konden gebruiken om magnetisme te maken en magnetisme om elektriciteit te maken. James Clark Maxwell zei dat de twee fenomenen eigenlijk verschillende aspecten waren van hetzelfde ding – elektromagnetisme – zoals twee kanten van hetzelfde stuk papier. Elektromagnetisme was een briljant idee, maar het was meer een beschrijving dan een verklaring: het liet zien hoe de dingen waren in plaats van uit te leggen waarom ze zo waren. Pas in de 20e eeuw, toen latere wetenschappers de wereld binnenin atomen begonnen te begrijpen, kwam de verklaring voor het elektromagnetisme eindelijk tevoorschijn.

We weten dat alles uit atomen bestaat en dat atomen zijn opgebouwd uit een centraal brok materie, de kern genaamd. Minuscule deeltjes, elektronen genaamd, bewegen in een baan om de kern, een beetje zoals satellieten in de lucht boven ons, maar ze draaien ook tegelijkertijd om hun as (net als tolletjes). Wij weten dat elektronen elektrische stromen (elektriciteitsstromen) geleiden wanneer zij door materialen zoals metalen bewegen. Elektronen zijn in zekere zin kleine elektriciteitsdeeltjes. In de 19e eeuw wisten wetenschappers dat bewegende elektriciteit magnetisme betekende. In de 20e eeuw werd duidelijk dat magnetisme werd veroorzaakt door elektronen die zich in atomen bewogen en magnetische velden rondom hen creëerden. Domeinen zijn eigenlijk groepen atomen waarin ronddraaiende elektronen een algemeen magnetisch veld produceren dat een bepaalde kant op wijst.

Afbeelding: Magnetisme wordt veroorzaakt door elektronen die in atomen ronddraaien. Merk op dat dit plaatje niet op schaal is getekend: het grootste deel van een atoom is lege ruimte en de elektronen bevinden zich in werkelijkheid veel verder van de kern dan ik hier heb getekend.

Net als de domeintheorie kan de atoomtheorie veel van de dingen verklaren die we over magneten weten, waaronder paramagnetisme (de manier waarop magnetische materialen op één lijn liggen met magnetische velden). De meeste elektronen in een atoom bestaan in paren die in tegengestelde richtingen draaien, zodat het magnetische effect van één elektron in een paar het effect van zijn partner tenietdoet. Maar als een atoom een aantal ongepaarde elektronen heeft (ijzeratomen hebben er vier), produceren deze netto magnetische velden die in elkaars verlengde liggen en van het hele atoom een minimagneet maken. Als je een paramagnetisch materiaal als ijzer in een magnetisch veld plaatst, veranderen de elektronen van beweging en produceren ze een magnetisch veld dat op één lijn ligt met het veld daarbuiten.

Hoe zit het met diamagnetisme? In diamagnetische materialen zijn er geen ongepaarde elektronen, dus gebeurt dit niet. De atomen hebben weinig of geen algeheel magnetisme en worden minder beïnvloed door magnetische velden van buitenaf. De elektronen die binnenin de atomen ronddraaien zijn echter elektrisch geladen deeltjes en wanneer zij in een magnetisch veld bewegen, gedragen zij zich als alle andere elektrisch geladen deeltjes in een magnetisch veld en ondervinden zij een kracht. Dat verandert hun banen heel lichtjes, waardoor een netto magnetisme ontstaat dat zich verzet tegen datgene wat het veroorzaakt (volgens de klassieke elektromagnetische theorie die bekend staat als de wet van Lenz, die samenhangt met de wet van behoud van energie). Als gevolg daarvan werkt het zwakke magnetische veld dat ze produceren het magnetische veld dat het veroorzaakt tegen – en dat is precies wat we zien wanneer diamagnetische materialen proberen te “vechten” tegen het magnetische veld waarin ze worden geplaatst.

Een korte geschiedenis van magnetisme

• De oude wereld: Magnetisme is bekend bij de oude Grieken, Romeinen en Chinezen. De Chinezen gebruiken in Feng Shui geomantische kompassen (kompassen met houten opschriften die in ringen rond een centrale magnetische naald zijn aangebracht). Magneten ontlenen hun naam aan Manisa in Turkije, een plaats die ooit Magnesia heette en waar magnetische lodesteen in de grond werd gevonden.
• 13e eeuw: Magnetische kompassen worden voor het eerst gebruikt voor navigatie in westerse landen. De Fransman Petrus Perigrinus (ook Petrus van Maricourt genoemd) maakt de eerste echte studies van magnetisme.
• 17e eeuw: De Engelse arts en wetenschapper William Gilbert (1544-1603) publiceert On Magnets, zijn monumentale wetenschappelijke studie van het magnetisme, en stelt dat de aarde een reuzenmagneet is.
• 18e eeuw: De Engelsman John Michell (1724-93) en de Fransman Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) bestuderen de krachten die magneten kunnen uitoefenen. Coulomb maakt ook belangrijke studies van elektriciteit, maar slaagt er niet in elektriciteit en magnetisme te verbinden als onderdelen van hetzelfde onderliggende verschijnsel.
• 19e eeuw: De Deen Hans Christian Oersted (1777-1851), de Fransen André-Marie Ampère (1775-1836) en Dominique Arago (1786-1853), en de Engelsman Michael Faraday (1791-1867) onderzoeken de nauwe verbanden tussen elektriciteit en magnetisme. James Clark Maxwell (1831-1879) publiceert een betrekkelijk volledige verklaring van elektriciteit en magnetisme (de theorie van het elektromagnetisme) en suggereert dat elektromagnetische energie zich in golven verplaatst (waarmee de weg wordt vrijgemaakt voor de uitvinding van de radio). Pierre Curie (1859-1906) toont aan dat materialen hun magnetisme verliezen boven een bepaalde temperatuur (die nu bekend staat als de Curietemperatuur). Wilhelm Weber (1804-1891) ontwikkelt praktische methoden voor het opsporen en meten van de sterkte van een magnetisch veld.
• 20e eeuw: Paul Langevin (1872-1946) borduurt voort op het werk van Curie met een theorie die verklaart hoe magnetisme door warmte wordt beïnvloed. De Franse natuurkundige Pierre Weiss (1865-1940) stelt voor dat er deeltjes zijn, magnetrons genaamd, gelijkwaardig aan elektronen, die de magnetische eigenschappen van materialen veroorzaken en schetst de theorie van magnetische domeinen.Twee Amerikaanse wetenschappers, Samuel Abraham Goudsmit (1902-78) en George Eugene Uhlenbeck (1900-88), tonen aan hoe de magnetische eigenschappen van materialen het gevolg zijn van de draaiende beweging van elektronen in die materialen.