De wetenschap van hoe magneten werken

De kracht die door een magneet wordt geproduceerd, is onzichtbaar en mystificerend. Heb je je ooit afgevraagd hoe magneten werken?

Belangrijkste afhaalrestaurants: hoe magneten werken

• Magnetisme is een fysisch verschijnsel waardoor een stof wordt aangetrokken of afgestoten door een magnetisch veld.
• De twee bronnen van magnetisme zijn elektrische stroom en spin-magnetische momenten van elementaire deeltjes (voornamelijk elektronen).
• Een sterk magnetisch veld wordt geproduceerd wanneer de elektronenmagnetische momenten van een materiaal worden uitgelijnd. Wanneer ze ongeordend zijn, wordt het materiaal niet sterk aangetrokken of afgestoten door een magnetisch veld.

Wat is een magneet??

Een magneet is elk materiaal dat een magnetisch veld kan produceren. Aangezien elke bewegende elektrische lading een magnetisch veld genereert, zijn elektronen kleine magneten. Deze elektrische stroom is een bron van magnetisme. De elektronen in de meeste materialen zijn echter willekeurig georiënteerd, dus er is weinig of geen netto magnetisch veld. Simpel gezegd, de elektronen in een magneet hebben de neiging om op dezelfde manier te worden georiënteerd. Dit gebeurt van nature in veel ionen, atomen en materialen wanneer ze worden afgekoeld, maar is niet zo gebruikelijk bij kamertemperatuur. Sommige elementen (bijv. IJzer, kobalt en nikkel) zijn ferromagnetisch (kunnen worden geïnduceerd om gemagnetiseerd te worden in een magnetisch veld) bij kamertemperatuur. Voor deze elementen is de elektrische potentiaal het laagst wanneer de magnetische momenten van de valentie-elektronen zijn uitgelijnd. Veel andere elementen zijn diamagnetisch. De ongepaarde atomen in diamagnetische materialen genereren een veld dat een magneet zwak afstoot. Sommige materialen reageren helemaal niet met magneten.

De magnetische dipool en magnetisme

De atomaire magnetische dipool is de bron van magnetisme. Op atomair niveau zijn magnetische dipolen voornamelijk het resultaat van twee soorten bewegingen van de elektronen. Er is de orbitale beweging van het elektron rond de kern, die een orbitaal dipool magnetisch moment produceert. De andere component van het magnetische elektronmoment is te wijten aan het magnetische spin-dipoolmoment. De beweging van elektronen rond de kern is echter niet echt een baan, noch is het spin dipool magnetisch moment geassocieerd met het werkelijke 'draaien' van de elektronen. Ongepaarde elektronen hebben de neiging bij te dragen aan het vermogen van een materiaal om magnetisch te worden, omdat het elektronenmagnetische moment niet volledig kan worden opgeheven als er 'vreemde' elektronen zijn.

De atoomkern en magnetisme

De protonen en neutronen in de kern hebben ook een orbitaal en spin hoekmomentum en magnetische momenten. Het nucleaire magnetische moment is veel zwakker dan het elektronische magnetische moment, omdat hoewel het hoekmomentum van de verschillende deeltjes vergelijkbaar kan zijn, het magnetische moment omgekeerd evenredig is met massa (de massa van een elektron is veel minder dan die van een proton of neutron). Het zwakkere nucleaire magnetische moment is verantwoordelijk voor nucleaire magnetische resonantie (NMR), die wordt gebruikt voor magnetische resonantiebeeldvorming (MRI).

bronnen

• Cheng, David K. (1992). Veld- en golf-elektromagnetica. Addison-Wesley Publishing Company, Inc. ISBN 978-0-201-12819-2.
• Du Trémolet de Lacheisserie, Étienne; Damien Gignoux; Michel Schlenker (2005). Magnetisme: basisprincipes. Springer. ISBN 978-0-387-22967-6.
• Kronmüller, Helmut. (2007). Handboek van magnetisme en geavanceerde magnetische materialen. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-02217-7.