Magnetische velden zijn onzichtbare krachten die gemagnetiseerde voorwerpen omgeven en een kracht uitoefenen op andere magnetische materialen en zelfs op bewegende geladen deeltjes. De manipulatie van magnetische velden heeft geleid tot talloze technologische doorbraken en innovaties, van het eenvoudige kompas tot geavanceerde medische beeldvormingsapparatuur. In dit artikel duiken we in de fascinerende wereld van magnetische materialen en onderzoeken we hun eigenschappen, classificaties en talloze toepassingen op verschillende gebieden.
Eigenschappen van magnetische materialen
De magnetische eigenschappen van materialen worden bepaald door het gedrag van hun samenstellende elektronen. Wanneer ze worden blootgesteld aan een extern magnetisch veld, kunnen de elektronen in een materiaal zich op verschillende manieren richten, wat resulteert in verschillende magnetische gedragingen. De belangrijkste eigenschappen die magnetische materialen karakteriseren zijn:
- Magnetisatie
- Magnetische susceptibiliteit
- Remanentie
- Dwangkracht
Magnetisatie
Magnetisatie is de mate waarin een materiaal gemagnetiseerd wordt bij blootstelling aan een extern magnetisch veld. Het wordt gemeten aan de hand van het magnetisch moment per volume-eenheid, of het magnetisch dipoolmoment per volume-eenheid, van een materiaal. Het magnetisch moment wordt op zijn beurt bepaald door het aantal uitgelijnde elektronenparen, of magnetische momenten, in het materiaal. Een hogere magnetisatie geeft aan dat meer elektronen in het materiaal in dezelfde richting zijn uitgelijnd, wat resulteert in een sterker netto magnetisch veld.
Magnetische Susceptibiliteit
Magnetische susceptibiliteit is de neiging van een materiaal om gemagnetiseerd te worden wanneer het wordt blootgesteld aan een extern magnetisch veld. Het is een dimensieloze grootheid die de verhouding weergeeft tussen de magnetisatie van een materiaal en de sterkte van het toegepaste magnetische veld. Materialen met een hoge magnetische susceptibiliteit worden gemakkelijker gemagnetiseerd en gedemagnetiseerd dan materialen met een lage susceptibiliteit.
Remanentie
Remanentie, ook bekend als restmagnetisatie, is de magnetisatie die in een materiaal achterblijft nadat het externe magneetveld is verwijderd. Het is een maat voor het vermogen van het materiaal om zijn magnetische eigenschappen te behouden, zelfs wanneer het toegepaste veld afwezig is. Materialen met een hoge remanentie behouden hun magnetisatie langer dan materialen met een lage remanentie.
Dwangmiddel
Coërciviteit is de maat voor de magnetische veldsterkte die nodig is om een materiaal te demagnetiseren tot het punt waarop het geen netto magnetisch moment meer heeft. Materialen met een hoge coërciviteit zijn beter bestand tegen demagnetiseren en hebben sterkere magnetische velden nodig om hun magnetische polariteit om te keren.
Classificatie van magnetische materialen
Op basis van hun magnetische eigenschappen en reacties op externe magnetische velden kunnen materialen grofweg worden ingedeeld in drie hoofdgroepen:
- Diamagnetische materialen
- Paramagnetische materialen
- Ferromagnetische materialen
Diamagnetische materialen
Diamagnetische materialen zijn materialen die een zwakke afstoting vertonen tegen een toegepast magnetisch veld. Wanneer ze worden blootgesteld aan een extern magnetisch veld, richten de magnetische momenten van de elektronen in deze materialen zich in een richting tegengesteld aan het toegepaste veld, waardoor een magnetisch nettomoment ontstaat dat tegengesteld is aan het toegepaste veld. Dit gedrag staat bekend als diamagnetisme.
Diamagnetische materialen hebben een negatieve magnetische susceptibiliteit, wat betekent dat ze lichtjes worden afgestoten door een magnetisch veld. Bekende voorbeelden van diamagnetische materialen zijn koper, zilver en goud. Diamagnetische materialen zijn over het algemeen niet magnetisch in het dagelijks leven, omdat hun magnetische momenten te zwak zijn om de thermische beweging van hun atomen te overwinnen.
Paramagnetische materialen
Paramagnetische materialen hebben een zwakke aantrekkingskracht op een toegepast magnetisch veld. Wanneer ze worden blootgesteld aan een extern magnetisch veld, richten de magnetische momenten van de elektronen in deze materialen zich in dezelfde richting als het toegepaste veld, waardoor er een magnetisch nettomoment ontstaat dat evenwijdig is aan het toegepaste veld. Dit gedrag staat bekend als paramagnetisme.
Paramagnetische materialen hebben een positieve magnetische susceptibiliteit, wat betekent dat ze enigszins worden aangetrokken door een magnetisch veld. Bekende voorbeelden van paramagnetische materialen zijn aluminium, zuurstof en titanium. Paramagnetische materialen zijn over het algemeen ook niet magnetisch in het dagelijks leven, omdat hun magnetische momenten te zwak zijn om de thermische beweging van hun atomen te overwinnen.
Ferromagnetische materialen
Ferromagnetische materialen hebben een sterke aantrekkingskracht op een aangelegd magnetisch veld. Wanneer ze worden blootgesteld aan een extern magnetisch veld, richten de magnetische momenten van de elektronen in deze materialen zich in dezelfde richting als het toegepaste veld, wat resulteert in een sterk magnetisch nettomoment dat evenwijdig is aan het toegepaste veld. Dit gedrag staat bekend als ferromagnetisme.
Ferromagnetische materialen hebben een hoge positieve magnetische susceptibiliteit, wat betekent dat ze sterk worden aangetrokken door een magnetisch veld. Bekende voorbeelden van ferromagnetische materialen zijn ijzer, nikkel en kobalt. Ferromagnetische materialen zijn verantwoordelijk voor de magnetische eigenschappen die worden waargenomen in permanente magneten en worden gebruikt in verschillende toepassingen waar sterke en stabiele magnetische velden nodig zijn.
Toepassingen van magnetische materialen
De unieke magnetische eigenschappen van verschillende materialen hebben geleid tot hun wijdverspreide gebruik in een breed scala van toepassingen in verschillende industrieën. Enkele van de meest voorkomende toepassingen van magnetische materialen zijn:
Energieopwekking en -transmissie
Magnetische materialen, vooral ferromagnetische materialen, spelen een cruciale rol bij het opwekken en overbrengen van elektrische energie. Het basisprincipe achter de meeste elektrische generatoren en motoren is elektromagnetische inductie, die berust op de wisselwerking tussen magnetische velden en geleidende materialen. In generatoren induceert de relatieve beweging tussen een magneet en een geleidende draadspoel een elektrische stroom in de draad. In motoren wekt een elektrische stroom door een geleidende draadspoel in een magnetisch veld een kracht op die ervoor zorgt dat de spoel draait.
Opslag en verwerking van informatie
Magnetische materialen, met name ferromagnetische en ferromagnetische materialen, vormen de ruggengraat van moderne gegevensopslagtechnologieën. Harde schijven (HDD's) en magnetische tapedrives maken gebruik van de magnetisatie- en demagnetisatie-eigenschappen van magnetische materialen om digitale informatie op te slaan en op te halen. Bij harde schijven worden gegevens opgeslagen als een reeks magnetische domeinen op een draaiende schijf die bedekt is met een dunne laag ferromagnetisch materiaal, zoals ijzer-chroom (FeCr) of kobalt-platina (CoPt). Bij magnetische bandstations worden gegevens opgeslagen op een magnetische band van ferromagnetisch materiaal, zoals ijzeroxide (Fe2O3) of chroomdioxide (CrO2), als een reeks gemagnetiseerde en gedemagnetiseerde gebieden.
Medische beeldvorming en therapie
Magnetische materialen, met name superparamagnetische en ferromagnetische materialen, worden steeds vaker gebruikt in medische beeldvorming en therapietoepassingen. Magnetic resonance imaging (MRI) is een niet-invasieve medische beeldvormingstechniek die gebruikmaakt van de magnetische eigenschappen van bepaalde atomen, zoals waterstof, om gedetailleerde beelden van interne organen en weefsels te genereren. MRI-machines gebruiken sterke magnetische velden, meestal gegenereerd door supergeleidende spoelen, om de magnetische momenten van de waterstofkernen in het lichaam van de patiënt op één lijn te brengen.
Daarnaast worden magnetische nanodeeltjes, dit zijn deeltjes op nanometerschaal gemaakt van ferromagnetische materialen, bestudeerd voor hun mogelijke toepassingen in gerichte toediening van medicijnen en hyperthermie bij kankertherapie. Deze nanodeeltjes kunnen magnetisch naar specifieke plaatsen in het lichaam worden geleid, waardoor medicijnen of therapeutische middelen nauwkeuriger en gerichter kunnen worden toegediend.
Magnetische sensoren en actuatoren
Magnetische materialen, vooral ferromagnetische en ferromagnetische materialen, zijn ook essentiële componenten in de ontwikkeling van magnetische sensoren en actuatoren. Magnetische sensoren, zoals Hall-effectsensoren en magnetoresistieve sensoren, vertrouwen op de magnetische eigenschappen van materialen om magnetische velden te detecteren en te meten. Deze sensoren worden gebruikt in verschillende toepassingen, waaronder positiebepaling, stroomdetectie en navigatie.
Magnetische actuatoren daarentegen gebruiken magnetische velden om op een gecontroleerde manier kracht of beweging te genereren. Voorbeelden van magnetische actuatoren zijn solenoïden, lineaire actuatoren en spreekspoelmotoren, die worden gebruikt in toepassingen variërend van klepbediening en robotica tot audioluidsprekers en harde schijven.
Conclusie
De kunst van het manipuleren van magnetische velden heeft geleid tot een breed scala aan technologische ontwikkelingen en innovaties in verschillende industrieën. Magnetische materialen, met hun unieke eigenschappen en gedrag, hebben een centrale rol gespeeld bij het mogelijk maken van deze doorbraken. Van het opwekken en overbrengen van elektrische energie tot gegevensopslag, medische beeldvorming en robotica, magnetische materialen zijn onmisbare hulpmiddelen geworden in onze zoektocht om de kracht van magnetisme te begrijpen en te benutten. Naarmate ons begrip van deze materialen en hun eigenschappen blijft groeien, kunnen we in de toekomst nog meer spannende toepassingen en ontwikkelingen verwachten.
FAQs
Wat is het verschil tussen diamagnetisme, paramagnetisme en ferromagnetisme?
Diamagnetisme, paramagnetisme en ferromagnetisme zijn de drie belangrijkste soorten magnetisch gedrag die materialen vertonen wanneer ze aan een extern magnetisch veld worden blootgesteld.
* Diamagnetisme: Materialen die een zwakke afstoting vertonen van een toegepast magnetisch veld worden diamagnetische materialen genoemd. Ze hebben een negatieve magnetische susceptibiliteit, wat betekent dat ze licht worden afgestoten door een magnetisch veld. Voorbeelden zijn koper, zilver en goud.
* Paramagnetisme: Materialen die een zwakke aantrekkingskracht uitoefenen op een toegepast magnetisch veld worden paramagnetische materialen genoemd. Ze hebben een positieve magnetische susceptibiliteit, wat betekent dat ze enigszins worden aangetrokken door een magnetisch veld. Voorbeelden zijn aluminium, zuurstof en titanium.
* Ferromagnetisme: Materialen die een sterke aantrekkingskracht uitoefenen op een toegepast magnetisch veld worden ferromagnetische materialen genoemd. Ze hebben een hoge positieve magnetische susceptibiliteit, wat betekent dat ze sterk worden aangetrokken door een magnetisch veld. Voorbeelden zijn ijzer, nikkel en kobalt.
Wat zijn enkele veelvoorkomende toepassingen van ferromagnetische materialen?
Ferromagnetische materialen hebben door hun sterke magnetische eigenschappen een breed scala aan toepassingen in verschillende industrieën. Enkele veelvoorkomende toepassingen zijn:
* Permanente magneten: Ferromagnetische materialen worden gebruikt om permanente magneten te maken, die worden gebruikt in toepassingen zoals motoren, generatoren, luidsprekers en magnetische bevestigingsmiddelen.
* Elektrische en elektronische componenten: Ferromagnetische materialen worden gebruikt bij de productie van elektrische en elektronische onderdelen zoals transformatoren, spoelen, solenoïden en relais.
* Gegevensopslag: Ferromagnetische materialen worden gebruikt bij de productie van harde schijven (HDD's) en magnetische bandstations voor gegevensopslag.
* Medische toepassingen: Ferromagnetische materialen worden gebruikt in medische beeldvormingstechnologieën zoals magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) en bij de ontwikkeling van magnetische nanodeeltjes voor gerichte medicijnafgifte en kankertherapie.
Wat zijn enkele veelvoorkomende toepassingen van paramagnetische materialen?
Paramagnetische materialen hebben ondanks hun zwakke magnetische eigenschappen een aantal belangrijke toepassingen op verschillende gebieden. Enkele veelvoorkomende toepassingen zijn:
* Zuurstofscheiding: Paramagnetische materialen, zoals zuurstof, kunnen van andere gassen worden gescheiden met magnetische scheidingstechnieken. Dit is nuttig in toepassingen zoals zuurstofverrijking voor industriële processen of medische toepassingen.
* Magnetische levitatie: Paramagnetische materialen kunnen met behulp van sterke magnetische velden in de lucht zweven. Dit fenomeen, bekend als magnetische levitatie of maglev, wordt onderzocht voor mogelijke toepassingen in transport, zoals maglevtreinen.
* Magnetische koeling: Paramagnetische materialen kunnen worden gebruikt in magnetische koelsystemen, die vertrouwen op het magnetocalorische effect om een systeem te koelen door het magnetische veld rond het materiaal te veranderen. Deze technologie kan energiezuiniger zijn dan traditionele koelmethoden.
Wat zijn enkele veelvoorkomende toepassingen van diamagnetische materialen?
Diamagnetische materialen hebben door hun zwakke afstotende gedrag in magnetische velden een aantal minder voor de hand liggende maar nog steeds belangrijke toepassingen op verschillende gebieden. Enkele veelvoorkomende toepassingen zijn:
* Magnetische levitatie: Net als paramagnetische materialen kunnen ook diamagnetische materialen in de lucht zweven met behulp van sterke magnetische velden. Deze eigenschap wordt onderzocht voor mogelijke toepassingen op gebieden zoals micro- en nanoschaalmanipulatie en -transport.
* Magnetische afscherming: Diamagnetische materialen kunnen worden gebruikt om gevoelige apparatuur af te schermen tegen verdwaalde magnetische velden, omdat ze een zwakke afstoting van magnetische velden vertonen. Deze eigenschap is nuttig in toepassingen zoals deeltjesversnellers, MRI-systemen (Magnetic Resonance Imaging) en supergeleidende kwantumcomputers.
* Supergeleiding: Sommige materialen, zoals lood, worden supergeleidend bij zeer lage temperaturen. Supergeleiding is een fenomeen waarbij een materiaal geen elektrische weerstand heeft en magnetische velden uitstraalt vanuit het inwendige. Hoewel niet alle supergeleidende materialen diamagnetisch zijn bij kamertemperatuur, vertonen ze allemaal diamagnetisch gedrag wanneer ze zich in de supergeleidende toestand bevinden. Supergeleiding heeft toepassingen op het gebied van energieoverdracht, magnetische levitatie en medische beeldvorming.