MAGNETISME: MAGNETISCHE EIGENSCHAPPEN VAN MATERIALEN, TOEPASSINGEN - FYSIEK - 2024

Het magnetisme of magnetische energie is een met kracht geassocieerde natuurbeweging en kan elektrische aantrekking of afstoting veroorzaken in bepaalde substantiële belastingen. Magneten zijn bekende bronnen van magnetisme.

Daarbinnen zitten interacties die zich vertalen in de aanwezigheid van magnetische velden, die hun invloed uitoefenen op bijvoorbeeld kleine stukjes ijzer of nikkel.

De prachtige kleuren van het noorderlicht zijn te danken aan kosmische deeltjes die energie uitzenden terwijl ze worden afgebogen door het magnetisch veld van de aarde. Bron: Pixabay.

Het magnetische veld van een magneet wordt zichtbaar wanneer deze onder een papier wordt geplaatst waarop ijzervijlsel wordt uitgespreid. De depots worden onmiddellijk langs de veldlijnen georiënteerd, waardoor een tweedimensionaal beeld van het veld ontstaat.

Een andere bekende bron zijn draden die elektrische stroom voeren; Maar in tegenstelling tot permanente magneten, verdwijnt het magnetisme wanneer de stroom stopt.

Wanneer ergens een magnetisch veld optreedt, moest een of andere agent werk doen. De energie die in dit proces wordt geïnvesteerd, wordt opgeslagen in het gecreëerde magnetische veld en kan vervolgens worden beschouwd als magnetische energie.

De berekening van hoeveel magnetische energie in het veld is opgeslagen, hangt af van het veld en de geometrie van het apparaat of het gebied waarin het is gemaakt.

Inductoren of spoelen zijn goede plaatsen om dit te doen, waarbij magnetische energie wordt opgewekt op vrijwel dezelfde manier als elektrische energie wordt opgeslagen tussen de platen van een condensator.

Geschiedenis en ontdekking

Oude apps

De legendes die door Plinius over het oude Griekenland worden verteld, spreken over de herder Magnes, die meer dan 2000 jaar geleden een mysterieus mineraal vond dat stukken ijzer kon aantrekken, maar geen ander materiaal. Het was magnetiet, een ijzeroxide met sterke magnetische eigenschappen.

De reden voor de magnetische aantrekkingskracht bleef honderden jaren verborgen. In het beste geval werd het toegeschreven aan bovennatuurlijke gebeurtenissen. Hoewel niet om deze reden, zijn er interessante toepassingen voor gevonden, zoals het kompas.

Het door de Chinezen uitgevonden kompas maakt gebruik van het eigen magnetisme van de aarde om de gebruiker tijdens het navigeren te begeleiden.

Eerste wetenschappelijke studies

De studie van magnetische verschijnselen kende een grote vooruitgang dankzij William Gilbert (1544 - 1603). Deze Engelse wetenschapper uit het Elizabethaanse tijdperk bestudeerde het magnetische veld van een sferische magneet en kwam tot de conclusie dat de aarde een eigen magnetisch veld moet hebben.

Door zijn studie van magneten realiseerde hij zich ook dat hij geen afzonderlijke magnetische polen kon krijgen. Wanneer een magneet in tweeën is gedeeld, hebben de nieuwe magneten ook beide polen.

Het was echter aan het begin van de 19e eeuw toen wetenschappers zich het bestaan ​​van de relatie tussen elektrische stroom en magnetisme realiseerden.

Hans Christian Oersted (1777 - 1851), geboren in Denemarken, had in 1820 het idee om een ​​elektrische stroom door een geleider te laten gaan en het effect daarvan op een kompas te observeren. Het kompas zou afwijken, en als de stroming ophield, zou het kompas weer zoals gewoonlijk naar het noorden wijzen.

Dit fenomeen kan worden geverifieerd door het kompas dichter bij een van de kabels te brengen die uit de autoaccu komen, terwijl de startmotor wordt bediend.

Op het moment van het sluiten van het circuit moet de naald een waarneembare afbuiging ervaren, aangezien de batterijen van de auto's stromen kunnen leveren die hoog genoeg zijn zodat het kompas afwijkt.

Op deze manier werd duidelijk dat bewegende ladingen magnetisme veroorzaken.

Moderne onderzoeken

Een paar jaar na de Oersted-experimenten markeerde de Britse onderzoeker Michael Faraday (1791 - 1867) een nieuwe mijlpaal door te ontdekken dat wisselende magnetische velden op hun beurt elektrische stromen veroorzaken.

Beide verschijnselen, elektrisch en magnetisch, zijn nauw met elkaar verbonden, waarbij de ene aanleiding geeft tot de andere. Ze werden samengebracht door de leerling van Faraday, James Clerk Maxwell (1831 - 1879), in de vergelijkingen die zijn naam dragen.

Deze vergelijkingen bevatten en vatten de elektromagnetische theorie samen en zijn zelfs geldig binnen de relativistische fysica.

Magnetische eigenschappen van materialen

Waarom vertonen sommige materialen magnetische eigenschappen of verwerven ze gemakkelijk magnetisme? We weten dat het magnetische veld het gevolg is van bewegende ladingen, daarom moeten er in de magneet onzichtbare elektrische stromen zijn die magnetisme veroorzaken.

Alle materie bevat elektronen die in een baan om de atoomkern draaien. Het elektron is te vergelijken met de aarde, die een translatiebeweging rond de zon heeft en ook een rotatiebeweging om zijn eigen as.

De klassieke fysica schrijft soortgelijke bewegingen toe aan het elektron, hoewel de analogie niet helemaal juist is. Het punt is echter dat beide eigenschappen van het elektron ervoor zorgen dat het zich gedraagt ​​als een kleine lus die een magnetisch veld creëert.

Het is de spin van het elektron die het meest bijdraagt ​​aan het magnetische veld van het atoom. In atomen met veel elektronen zijn ze gegroepeerd in paren en met tegengestelde spins. Hun magnetische velden heffen elkaar dus op. Dit is wat er in de meeste materialen gebeurt.

Er zijn echter enkele mineralen en verbindingen waarin zich een ongepaard elektron bevindt. Op deze manier is het netto magnetische veld niet nul. Dit creëert een magnetisch moment, een vector waarvan de grootte het product is van de stroom en het gebied van het circuit.

Aangrenzende magnetische momenten werken met elkaar samen en vormen gebieden die magnetische domeinen worden genoemd, waarin veel spins in dezelfde richting zijn uitgelijnd. Het resulterende magnetische veld is erg sterk.

Ferromagnetisme, paramagnetisme en diamagnetisme

Materialen die deze kwaliteit bezitten, worden ferromagnetisch genoemd. Het zijn er een paar: ijzer, nikkel, kobalt, gadolinium en sommige legeringen daarvan.

De overige elementen in het periodiek systeem missen deze zeer uitgesproken magnetische effecten. Ze vallen in de categorie paramagnetisch of diamagnetisch.

In feite is diamagnetisme een eigenschap van alle materialen, die een lichte afstoting ondervinden in aanwezigheid van een extern magnetisch veld. Bismut is het element met het meest geaccentueerde diamagnetisme.

Aan de andere kant bestaat paramagnetisme uit een minder intense magnetische respons dan ferromagnetisme, maar even aantrekkelijk. Paramagnetische stoffen zijn bijvoorbeeld aluminium, lucht en sommige ijzeroxiden zoals goethiet.

Maakt gebruik van magnetische energie

Magnetisme maakt deel uit van de fundamentele krachten van de natuur. Omdat mensen er ook deel van uitmaken, zijn ze aangepast aan het bestaan ​​van magnetische verschijnselen, evenals aan de rest van het leven op de planeet. Sommige dieren gebruiken bijvoorbeeld het magnetische veld van de aarde om zich geografisch te oriënteren.

Er wordt zelfs aangenomen dat vogels hun lange migraties maken dankzij het feit dat hun hersenen een soort organisch kompas hebben waarmee ze het aardmagneetveld kunnen waarnemen en gebruiken.

Hoewel mensen zo'n kompas niet hebben, hebben ze in plaats daarvan het vermogen om de omgeving op veel meer manieren te veranderen dan de rest van het dierenrijk. Dus leden van onze soort hebben magnetisme in hun voordeel gebruikt vanaf het moment dat de eerste Griekse herder de magneetsteen ontdekte.

Enkele toepassingen van magnetische energie

Sindsdien zijn er veel toepassingen van magnetisme. Hier zijn een paar:

- Het eerder genoemde kompas, dat gebruik maakt van het aardmagneetveld van de aarde om zich geografisch te oriënteren.

- Oude schermen voor televisies, computers en oscilloscopen, gebaseerd op de kathodestraalbuis, die spoelen gebruiken die magnetische velden opwekken. Deze zijn verantwoordelijk voor het afbuigen van de elektronenbundel zodat deze bepaalde plaatsen op het scherm raakt en zo het beeld vormt.

- Massaspectrometers, gebruikt om verschillende soorten moleculen te bestuderen en met vele toepassingen in de biochemie, criminologie, antropologie, geschiedenis en andere disciplines. Ze maken gebruik van elektrische en magnetische velden om geladen deeltjes af te buigen in trajecten die afhankelijk zijn van hun snelheid.

- Magnetohydrodynamische voortstuwing, waarbij een magnetische kracht een straal zeewater (een goede geleider) achteruit drijft, zodat volgens de derde wet van Newton een voertuig of boot een voorwaartse impuls krijgt.

- Magnetische resonantiebeeldvorming, een niet-invasieve methode om beelden van het inwendige van het menselijk lichaam te verkrijgen. In wezen gebruikt het een zeer intens magnetisch veld en analyseert het de respons van de waterstofkernen (protonen) die aanwezig zijn in de weefsels, die de bovengenoemde eigenschap van spin hebben.

Deze toepassingen zijn al ingeburgerd, maar in de toekomst wordt aangenomen dat magnetisme ook ziekten zoals borstkanker kan bestrijden, door middel van hyperthermische technieken, die magnetisch geïnduceerde warmte produceren.

Het idee is om vloeibaar magnetiet rechtstreeks in de tumor te injecteren. Dankzij de warmte die wordt geproduceerd door de magnetisch geïnduceerde stromen, zouden de ijzerdeeltjes heet genoeg worden om de kwaadaardige cellen te vernietigen.

Voor-en nadelen

Wanneer men nadenkt over het gebruik van een bepaald type energie, moet het worden omgezet in een soort beweging, zoals die van bijvoorbeeld een turbine, een lift of een voertuig; of dat het wordt omgezet in elektrische energie die een apparaat inschakelt: telefoons, televisies, een geldautomaat en dergelijke.

Energie is een omvang met meerdere manifestaties die op veel manieren kunnen worden gewijzigd. Kan de energie van een kleine magneet worden versterkt zodat deze continu meer dan een paar munten beweegt?

Om bruikbaar te zijn, moet de energie een groot bereik hebben en uit een zeer overvloedige bron komen.

Primaire en secundaire energieën

Dergelijke energieën worden in de natuur aangetroffen, waaruit de andere typen worden geproduceerd. Ze staan ​​bekend als primaire energieën:

- Zonne energie.

- Atoom Energie.

- Geothermische energie.

- Windkracht.

- Biomassa-energie.

- Energie uit fossiele brandstoffen en mineralen.

Hieruit worden secundaire energieën, zoals elektriciteit en warmte, geproduceerd. Waar is de magnetische energie hier?

Elektriciteit en magnetisme zijn niet twee afzonderlijke verschijnselen. In feite staan ​​de twee samen bekend als elektromagnetische verschijnselen. Zolang een van hen bestaat, zal de andere bestaan.

Waar elektrische energie is, zal er in een of andere vorm magnetische energie zijn. Maar dit is een secundaire energie, die de voorafgaande transformatie van enkele primaire energieën vereist.

Kenmerken van primaire en secundaire energieën

De voor- of nadelen van het gebruik van een soort energie worden aan de hand van veel criteria vastgesteld. Deze omvatten hoe gemakkelijk en goedkoop de productie is, en ook in hoeverre het proces in staat is om het milieu en de mensen negatief te beïnvloeden.

Iets belangrijk om in gedachten te houden is dat energieën vele malen transformeren voordat ze kunnen worden gebruikt.

Hoeveel transformaties moeten er hebben plaatsgevonden om de magneet te maken die de boodschappenlijst aan de koelkastdeur plakt? Hoeveel kunnen er een elektrische auto bouwen? Zeker genoeg.

En hoe schoon is de magnetische of elektromagnetische energie? Er zijn mensen die geloven dat constante blootstelling aan elektromagnetische velden van menselijke oorsprong gezondheids- en milieuproblemen veroorzaakt.

Momenteel zijn er tal van onderzoekslijnen gericht op het bestuderen van de invloed van deze velden op gezondheid en milieu, maar volgens prestigieuze internationale organisaties is er tot dusver geen sluitend bewijs dat ze schadelijk zijn.

Voorbeelden van magnetische energie

Een apparaat dat dient om magnetische energie vast te houden, staat bekend als een inductor. Het is een spoel die wordt gevormd door koperdraad met een voldoende aantal windingen op te wikkelen, en het is in veel circuits nuttig om de stroom te beperken en te voorkomen dat deze abrupt verandert.

Koperen spoel. Bron: Pixabay.

Door een stroom door de windingen van een spoel te laten circuleren, wordt daarin een magnetisch veld gecreëerd.

Als de stroom verandert, veranderen ook de magnetische veldlijnen. Deze veranderingen veroorzaken een stroom in de bochten die hen tegenwerkt, volgens de inductiewet van Faraday-Lenz.

Wanneer de stroom plotseling toeneemt of afneemt, is de spoel ertegen en kan deze daarom beschermende effecten hebben op het circuit.

De magnetische energie van een spoel

In het magnetische veld dat wordt gecreëerd in het volume dat wordt begrensd door de windingen van de spoel, wordt de magnetische energie opgeslagen, die wordt aangeduid als U _B en die afhankelijk is van:

- De intensiteit van het magnetische veld B.

- De dwarsdoorsnede van spoel A.

- De lengte van de spoel l.

- De doorlaatbaarheid van het vacuüm μ _o.

Het wordt als volgt berekend:

Deze vergelijking is geldig in elk gebied van de ruimte met een magnetisch veld. Als het volume V van dit gebied bekend is, de permeabiliteit en de intensiteit van het veld, is het mogelijk om te berekenen hoeveel magnetische energie het bezit.

Oefening opgelost

Het magnetische veld in een met lucht gevulde spoel met een diameter van 2,0 cm en een lengte van 26 cm is 0,70 T. Hoeveel energie wordt in dit veld opgeslagen?

Oplossing

De numerieke waarden zijn vervangen in de vorige vergelijking, waarbij u ervoor zorgt dat de waarden worden geconverteerd naar de eenheden van het internationale systeem.

1. Giancoli, D. 2006. Fysica: principes met toepassingen. Zesde editie. Prentice Hall. 606-607.
2. Wilson, JD 2011. Physics 12. Pearson. 135-146.