Hoe werken magneten? Polen, elektronen en ijzer

Magnetisme komt neer op elektronen, volgens het National High Magnetic Field Laboratory (het MagLab). Elke magneet heeft een noord- en een zuidpool, ongelijknamige polen trekken elkaar aan en gelijknamige polen stoten elkaar af.

1. Wat alle magneten gemeen hebben

Het MagLab noemt een paar eigenschappen die alle magneten delen:

• Elke magneet heeft een noordpool en een zuidpool.
• Ongelijknamige polen trekken elkaar aan en gelijknamige polen stoten elkaar af. Noord trekt zuid aan; noord duwt noord weg.
• Elke magneet is omgeven door een magnetisch veld. Per afspraak wijzen de veldlijnen van de noordpool af en naar de zuidpool toe.

De aarde zelf is een gigantische magneet. Het MagLab legt uit dat wetenschappers denken dat het magnetische veld van de aarde afkomstig is van convectiestromen in de vloeibare buitenkern van de planeet, die grotendeels uit ijzer bestaat. Dit heet een geodynamo.

2. Alles komt neer op elektronen

Volgens het MagLab komt al het magnetisme neer op elektronen, op twee manieren:

1. Bewegende elektronen. Een elektrische stroom, een stroom van elektronen door een draad, maakt altijd een magnetisch veld. Zo werken elektromagneten.
2. Draaiende elektronen. In permanente magneten, zoals die op je koelkast, komt het magnetisme van de spin van de elektronen. Elk elektron gedraagt zich als een piepkleine magneet met een eigen noord- en zuidpool, en zijn as kan in een van twee mogelijke richtingen wijzen.

3. Waarom de meeste dingen niet magnetisch zijn

Als elk elektron een piepkleine magneet is, waarom is dan niet alles magnetisch?

Het MagLab legt uit dat in de meeste materialen de atomen zo zijn gerangschikt dat de magnetische oriëntatie van het ene elektron die van het andere opheft. Al die piepkleine magneten wijzen in tegengestelde richtingen en hun effecten tellen op tot niets wat je kunt merken.

4. Wat ijzer bijzonder maakt: magnetische domeinen

IJzer en een paar andere stoffen zijn anders. Hun atomen groeperen zich in kleine gebieden, de magnetische domeinen. Binnen elk domein hebben de elektronen dezelfde magnetische oriëntatie.

Waarom is een gewone ijzeren spijker dan geen magneet? Omdat de domeinen zelf in verschillende richtingen wijzen, zodat ze elkaar over het geheel nog steeds opheffen.

Leg die spijker in een magnetisch veld en de domeinen beginnen zich in dezelfde richting te rangschikken. Het MagLab beschrijft het resultaat eenvoudig: een permanente magneet is een voorwerp waarin alle domeinen op dezelfde manier zijn uitgelijnd.

Materialen die zich zo gedragen heten ferromagnetisch. Het MagLab merkt op dat slechts vier elementen bij kamertemperatuur ferromagnetisch zijn en blijvend gemagnetiseerd kunnen worden: ijzer, nikkel, kobalt en gadolinium. Een vijfde, dysprosium, wordt alleen bij lage temperaturen ferromagnetisch. Aluminium staat niet op die lijst, daarom glijdt een magneet van een aluminium frisdrankblikje af. Een koelkastdeur is daarentegen een van de alledaagse tijdelijke magneten die het MagLab in zijn klasactiviteit noemt.

5. Permanente magneten en tijdelijke magneten

Permanente magneten houden hun magnetisme zonder enige stroom. Je kunt ze niet uitschakelen. Het MagLab noemt keramische magneten en alnico, een legering van aluminium, nikkel en kobalt, als twee veelvoorkomende typen.

Tijdelijke magneten gedragen zich alleen als magneet zolang ze in een magnetisch veld zijn. Zacht ijzer gedraagt zich zo, en het MagLab merkt op dat het daarom als tijdelijke magneet wordt gebruikt in apparaten als telefoons en elektromotoren.

Dat kun je zien met paperclips. In een klasactiviteit van het MagLab wordt een paperclip die een magneet aanraakt zelf een magneet en kan hij een tweede paperclip vasthouden. Trek je de twee clips voorzichtig weg, dan blijven ze nog een tijdje aan elkaar plakken, omdat hun elektronen nog geordend zijn. Laat je ze op een tafel vallen, dan verstoort de schok die orde en gaat het magnetisme verloren.

6. Hoe magneten hun kracht verliezen

"Permanent" betekent niet voor altijd. Het MagLab beschrijft twee hoofdmanieren om een magneet te demagnetiseren:

• Hitte. Warmte voegt energie toe die de uitlijning verstoort. De temperatuur waarbij een magneet zijn veld niet meer kan vasthouden heet het Curiepunt.
• Schok. Een harde klap, bijvoorbeeld met een hamer, kan uitgelijnde domeinen uit hun uitlijning slaan.

Hoe lang een magneet meegaat, hangt af van het materiaal. Het MagLab merkt op dat zuiver ijzer maar een paar minuten gemagnetiseerd blijft, terwijl veel ijzerlegeringen hun magnetisme veel langer behouden.

7. Elektromagneten: magneten met een aan-knop

In 1819 merkte Hans Christian Ørsted dat een kompasnaald draaide toen hij dicht bij een draad met stroom kwam. Het MagLab legt uit waarom: stroom wekt altijd een magnetisch veld op dat om de draad heen draait.

Eén rechte draad maakt een zwak veld. Het MagLab beschrijft hoe je het sterker maakt:

1. Draai de draad tot een spoel. Door lussen te maken worden de afzonderlijke velden samengevoegd tot een veel sterker veld. Zo'n spoel heet een solenoïde en het veld groeit evenredig met het aantal windingen. Tien windingen geven ongeveer 10 keer het veld van één.
2. Voeg een ijzeren kern toe. De domeinen van het ijzer richten zich naar het veld van de spoel en versterken het aanzienlijk zonder meer elektriciteit te gebruiken.
3. Verhoog de stroom. Meer vermogen door de spoel betekent een sterker veld.

Zet je de stroom uit, dan verdwijnt het veld.

8. Hoe sterk is een magneet?

Wetenschappers meten de sterkte van een magnetisch veld in tesla en gauss, waarbij 1 tesla gelijk is aan 10.000 gauss. Het MagLab geeft een paar vergelijkingen:

Elektromagneten kunnen veel hoger komen dan permanente magneten, daarom vertrouwen onderzoekslaboratoria en MRI-scanners in ziekenhuizen erop.

9. Belangrijkste punten

• Elke magneet heeft een noord- en een zuidpool; ongelijknamige polen trekken elkaar aan en gelijknamige stoten elkaar af.
• Magnetisme komt van elektronen, hetzij stromend als stroom, hetzij ter plekke draaiend.
• In de meeste materialen heffen de elektronenmagneten elkaar op; in ijzer en een paar andere metalen rangschikken ze zich in domeinen.
• Een permanente magneet is een materiaal waarvan de domeinen allemaal dezelfde kant op wijzen; hitte of een harde klap kan ze door elkaar gooien.
• Een elektromagneet is een spoel met stroom, vaak met een ijzeren kern, en hij gaat uit zodra de stroom stopt.