Magnetische velden fascineren al eeuwenlang zowel wetenschappers als leken. Van de vroegste waarnemingen van lodestonen die ijzeren voorwerpen aantrokken tot de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van magnetische materialen en technologieën, heeft de studie van magnetische velden geleid tot een dieper begrip van de fundamentele natuurwetten en de ontwikkeling van talloze moderne gemakken.
Dit artikel neemt je mee op een reis door de wetenschap van magnetische velden, van hun fundamentele principes tot het baanbrekende onderzoek dat de grenzen van dit spannende veld verlegt. We verkennen de basisprincipes van magnetisme, de eigenschappen van magnetische materialen en de verschillende manieren waarop magnetische velden worden opgewekt en gebruikt voor praktische toepassingen. We duiken ook in de meer exotische gebieden van magnetische verschijnselen, zoals supergeleiding, kwantummagnetisme en de zoektocht naar nieuwe materialen met buitengewone magnetische eigenschappen.
De basis van magnetisme
Magnetisme is een fundamentele eigenschap van materie die ontstaat door de beweging van elektrische ladingen. De meest bekende voorbeelden van magnetisme zijn de aantrekkingskracht tussen tegenovergestelde polen van magneten en de afstoting tussen gelijke polen. Magneten zijn objecten die een netto magnetisch moment hebben, wat betekent dat de magnetische momenten van hun samenstellende atomen of moleculen in een bepaalde richting zijn gericht.
Het magnetisch moment van een magneet is een vectorgrootheid, met zowel een grootte als een richting. De richting van een magnetisch moment wordt meestal aangegeven door de magnetische momentvector, die van de zuidpool naar de noordpool van de magneet wijst. De grootte van het magnetisch moment is evenredig met de sterkte van het magnetisch veld van de magneet.
Het magnetische veld is een onzichtbaar krachtveld dat gemagnetiseerde voorwerpen en magnetische materialen omringt. Het is verantwoordelijk voor de aantrekkende en afstotende krachten die worden ervaren door andere magneten of ferromagnetische materialen in de omgeving. De richting van de magnetische veldlijnen kan worden gevisualiseerd met behulp van de rechterhandregel: als je je vingers rond de magneet krult in de richting van zijn magnetisch moment, zal je duim in de richting van de veldlijnen wijzen.
De vergelijking voor het magnetische veld
Het magnetische veld dat wordt opgewekt door een magneet of een stroomvoerende draad kan wiskundig worden beschreven met behulp van de wet van Biot-Savart, die de magnetische veldsterkte op een punt in de ruimte relateert aan de stroomdichtheid en de afstand tot de bron. De wet van Biot-Savart kan als volgt worden uitgedrukt:
B = μ0/4π ∫ Idl × r/r^3
Waar:
* B de magnetische veldsterkte is in een punt in de richting van de eenheidsvector r
* μ0 is de vacuümpermeabiliteit (ongeveer 4π × 10^-7 H/m).
* I is de stroomdichtheid (stroom per oppervlakte-eenheid)
* dl is het infinitesimale element van de stroomvoerende draad
* r is de positievector van het nuttige punt naar het infinitesimale element van de draad
De wet van Biot-Savart is een fundamentele vergelijking in elektromagnetisme en vormt de basis voor het begrijpen van het gedrag van magnetische velden in verschillende situaties.
Magnetische materialen
Magnetische materialen zijn stoffen die gemagnetiseerd kunnen worden, wat betekent dat ze gemagnetiseerd kunnen worden in aanwezigheid van een extern magnetisch veld en een bepaalde mate van magnetisatie behouden wanneer het externe veld wordt verwijderd. Het meest voorkomende type magnetisch materiaal is ferromagnetisch materiaal, dat metalen zoals ijzer, nikkel en kobalt omvat.
Ferromagnetisme ontstaat door de uitlijning van de magnetische momenten van individuele atomen in het materiaal. In ferromagnetische materialen hebben de magnetische momenten van naburige atomen de neiging om zich in dezelfde richting uit te lijnen, waardoor regio's van uniforme magnetisatie ontstaan die domeinen worden genoemd. Wanneer een extern magnetisch veld wordt toegepast, richten de domeinen zich opnieuw uit om de energie die nodig is om het magnetisch veld te handhaven te minimaliseren, waardoor het materiaal gemagnetiseerd wordt.
Magnetische hysterese
Wanneer een ferromagnetisch materiaal wordt onderworpen aan een variërend extern magnetisch veld, volgt de magnetisatie een karakteristieke curve die bekend staat als de hysteresislus. De hysteresislus wordt gekarakteriseerd door twee belangrijke parameters: de verzadigingsmagnetisatie (Ms) en de remanente magnetisatie (Mr).
De verzadigingsmagnetisatie is de maximale magnetisatie die een materiaal kan bereiken in aanwezigheid van een sterk extern magnetisch veld. De remanente magnetisatie is de magnetisatie die in het materiaal achterblijft nadat het externe veld is verwijderd. Het verschil tussen Ms en Mr staat bekend als het magnetisch hystereseverlies, dat evenredig is met het gebied dat wordt ingesloten door de hysteresislus.
Andere soorten magnetisme
Hoewel ferromagnetisme de meest voorkomende en bekende vorm van magnetisme is, zijn er andere soorten magnetisme die voortkomen uit verschillende mechanismen. Enkele hiervan zijn:
* Paramagnetisme: Paramagnetisme is een zwakke vorm van magnetisme die wordt vertoond door materialen die ongepaarde elektronen in hun atomaire of moleculaire banen hebben. In aanwezigheid van een extern magnetisch veld richten de ongepaarde elektronen zich naar het veld, waardoor het materiaal zwak gemagnetiseerd wordt. Veel voorkomende paramagnetische materialen zijn aluminium, zuurstof en sommige overgangsmetaalcomplexen.
* Diamagnetisme: Diamagnetisme is een nog zwakkere vorm van magnetisme die in alle materialen tot op zekere hoogte aanwezig is. Het ontstaat door de beweging van elektronen in hun atomaire banen in aanwezigheid van een extern magnetisch veld. Het resulterende magnetische moment is tegengesteld aan het toegepaste veld, waardoor het materiaal zwak wordt afgestoten door het veld. Veel voorkomende diamagnetische materialen zijn koper, goud en de meeste niet-metalen.
* Antiferromagnetisme: Antiferromagnetisme is een type magnetisme dat optreedt in materialen waar aangrenzende magnetische momenten uitlijnen in tegengestelde richtingen, wat resulteert in een netto magnetisch moment van nul. Antiferromagnetische materialen zijn over het algemeen niet magnetisch geordend bij hoge temperaturen, maar kunnen bij lagere temperaturen een faseovergang naar een geordende toestand ondergaan. Voorbeelden van antiferromagnetische materialen zijn mangaanoxide (MnO) en chroom(III)oxide (Cr2O3).
Magnetische velden genereren
Magnetische velden kunnen op verschillende manieren worden opgewekt, afhankelijk van de toepassing en de gewenste veldsterkte en richting. Enkele veelgebruikte methoden om magnetische velden op te wekken zijn:
1. Permanente magneten
Permanente magneten zijn materialen die een netto magnetisch moment hebben door hun intrinsieke magnetische eigenschappen. Ze kunnen worden gemaakt van ferromagnetische materialen zoals neodymium, samarium of ferriet, die tijdens het fabricageproces worden gemagnetiseerd en hun magnetisatie voor onbepaalde tijd behouden. Permanente magneten worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen, van eenvoudige magneten om notities op een koelkast te houden tot meer geavanceerde toepassingen zoals elektromotoren, generatoren en luidsprekers.
2. Elektromagneten
Elektromagneten zijn apparaten die een elektrische stroom gebruiken om een magnetisch veld op te wekken. Ze bestaan uit een spoel van draad (de solenoïde) gewikkeld rond een ferromagnetische kern, die gemaakt kan zijn van materialen zoals ijzer of staal. Wanneer er een elektrische stroom door de solenoïde wordt gestuurd, wordt er een magnetisch veld opgewekt rond de spoel. De richting van het veld kan worden omgekeerd door de stroomrichting om te keren.
Elektromagneten worden veel gebruikt in toepassingen waar instelbare of schakelbare magnetische velden nodig zijn, zoals in elektromotoren, solenoïden, relais en magnetische levitatiesystemen (Maglev).
3. Supergeleidende magneten
Supergeleidende magneten zijn een speciaal soort elektromagneten die gebruik maken van de unieke eigenschappen van supergeleiders om extreem sterke magnetische velden te genereren. Supergeleiders zijn materialen die geen elektrische weerstand en perfect diamagnetisme vertonen onder een kritische temperatuur die bekend staat als de supergeleidende overgangstemperatuur (Tc). Wanneer er een stroom door een supergeleidende lus of spoel (een supergeleidende solenoïde) wordt geleid, wordt het magnetische veld dat door de stroom wordt gegenereerd uit de binnenkant van de lus verdreven door het diamagnetische effect. Dit fenomeen, dat bekend staat als het Meissner-effect, leidt tot het ontstaan van een zeer sterk magnetisch veld rond de supergeleidende spoel.
Supergeleidende magneten worden gebruikt in allerlei toepassingen die extreem sterke en stabiele magnetische velden vereisen, zoals in deeltjesversnellers zoals de Large Hadron Collider (LHC), magnetische resonantiebeeldvormingsmachines (MRI) en onderzoek naar fusie-energie.
Toepassingen van magnetische velden
Magnetische velden hebben een breed scala aan toepassingen op verschillende gebieden, van dagelijks gebruik tot baanbrekend onderzoek. Enkele van de meest voorkomende toepassingen zijn:
1. Elektrische motoren en generatoren
Elektromotoren en generatoren vertrouwen op de wisselwerking tussen magnetische velden en elektrische stromen om mechanische en elektrische energie om te zetten. In een elektromotor ondervindt een stroomvoerende spoel (het anker) een koppel wanneer deze in een magnetisch veld wordt geplaatst, waardoor deze gaat draaien. Deze rotatie wordt vervolgens gebruikt om mechanische belastingen zoals ventilatoren, pompen of machines aan te drijven.
In een generator is het proces omgekeerd. Een roterende magneet (de rotor) wordt in een stationaire spoel (de stator) geplaatst, waardoor een wisselstroom in de spoel wordt opgewekt doordat het magnetische veld door de geleiders snijdt. Deze geïnduceerde stroom kan vervolgens worden gebruikt om elektriciteit op te wekken.
2. Magnetische opslagmedia
Magnetische opslagmedia, zoals harde schijven (HDD's), diskettes en magneetband, zijn afhankelijk van het vermogen van magnetische materialen om magnetische informatie vast te houden. Gegevens worden op deze media opgeslagen door kleine gebieden (bits) op het oppervlak van een ferromagnetisch materiaal te magnetiseren of te demagnetiseren. De magnetisatie van elke bit kan worden gedetecteerd door een kleine stroom door een leeskop in de buurt van de media te laten lopen, die een kracht ondervindt door het magnetische veld van de bits.
Hoewel magnetische opslagmedia al tientallen jaren op grote schaal worden gebruikt, worden ze in veel toepassingen geleidelijk vervangen door solid-state opslagtechnologieën zoals flashgeheugen en solid-state drives (SSD's) vanwege hun hogere gegevensoverdrachtsnelheden, lager energieverbruik en weerstand tegen mechanische schokken.
3. Magnetische levitatie
Magnetische levitatie, of Maglev, is een technologie die magnetische velden gebruikt om objecten te laten zweven en voortbewegen zonder direct mechanisch contact. Maglev-systemen maken meestal gebruik van supergeleidende magneten om sterke en stabiele magnetische velden te genereren.
Maglev technologie is voorgesteld voor een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder hogesnelheidstransportsystemen, waar het potentieel biedt voor verminderde wrijving en slijtage, wat resulteert in hogere snelheden, lager energieverbruik en stillere werking in vergelijking met traditionele treinen op wielen. De hoge kosten voor de ontwikkeling en het onderhoud van de vereiste infrastructuur heeft de wijdverspreide toepassing van Maglev technologie voor commercieel vervoer echter beperkt.
4. Magnetische materialen in de geneeskunde
Magnetische materialen en technologieën spelen een belangrijke rol in verschillende medische toepassingen, waaronder diagnostische beeldvorming, therapeutische apparaten en toediening van medicijnen.
* Magnetic resonance imaging (MRI): MRI is een niet-invasieve medische beeldvormingstechniek waarbij sterke supergeleidende magneten een krachtig magnetisch veld opwekken dat de protonen in de lichaamsweefsels op één lijn brengt. Vervolgens worden radiofrequente pulsen gebruikt om de uitgelijnde protonen te verstoren, waardoor ze signalen uitzenden die kunnen worden gedetecteerd en verwerkt om gedetailleerde beelden van interne organen en weefsels te maken.
* Magnetische nanodeeltjes: Magnetische nanodeeltjes (MNP's) zijn deeltjes op nanometerschaal gemaakt van ferromagnetische of paramagnetische materialen. Ze zijn onderzocht voor verschillende biomedische toepassingen, waaronder gerichte toediening van medicijnen, magnetische hyperthermietherapie voor kanker en als contrastmiddel voor MRI.
* Magnetische prothesen: Magnetische materialen worden ook gebruikt bij de ontwikkeling van prothetische ledematen en andere medische apparaten, waar ze kunnen worden gebruikt om gecontroleerde kracht en koppel te leveren voor beweging en manipulatie.
Grenzen van magnetisch onderzoek
Ondanks onze uitgebreide kennis van magnetische velden en hun toepassingen, zijn er nog veel open vragen en gebieden van actief onderzoek op dit gebied. Enkele van de meest opwindende grenzen in magnetisch onderzoek zijn:
1. Supergeleiding bij hoge temperatuur
Supergeleiding is het fenomeen waarbij bepaalde materialen geen elektrische weerstand en perfect diamagnetisme vertonen wanneer ze worden afgekoeld tot onder een kritische temperatuur. Terwijl traditionele supergeleiders extreem lage temperaturen nodig hebben (dicht bij het absolute nulpunt) om supergeleiding te bereiken, opende de ontdekking van hogetemperatuursupergeleiders in de jaren 1980 nieuwe mogelijkheden voor praktische toepassingen.
Hoge-temperatuur supergeleiders (HTS) zijn materialen die supergeleiding kunnen vertonen bij temperaturen boven het kookpunt van vloeibare stikstof (77 K of -196°C), waardoor ze gemakkelijker te koelen en in een supergeleidende toestand te houden zijn. Het mechanisme achter supergeleiding bij hoge temperaturen wordt echter nog steeds slecht begrepen en veel onderzoek is gericht op het ontwikkelen van nieuwe HTS-materialen met nog hogere kritische temperaturen en verbeterde eigenschappen.
2. Spintronica
Spintronica, of spinelektronica, is een opkomend gebied dat zich richt op het benutten van niet alleen de lading van elektronen maar ook hun intrinsieke spineigenschap om de volgende generatie elektronische apparaten en gegevensopslagtechnologieën te ontwikkelen. Spintronische apparaten maken gebruik van de spin-magnetische interactie om de spintoestand van elektronen te manipuleren en te controleren, wat gebruikt kan worden om informatie te coderen en te verwerken.
Enkele veelbelovende spintronische apparaten en fenomenen zijn spintransistors, spinkleppen, spintkoppelgeheugens en spintronische logische poorten. Spintronische apparaten hebben het potentieel om een hogere gegevensopslagdichtheid, een snellere gegevensoverdracht en een lager energieverbruik te bereiken in vergelijking met conventionele apparaten op basis van halfgeleiders.
3. Kwantummagnetisme
Kwantummagnetisme is een zich snel ontwikkelend vakgebied dat het gedrag van magnetische materialen en systemen op kwantumniveau onderzoekt. Dit onderzoeksgebied combineert concepten uit de natuurkunde van gecondenseerde materie, kwantummechanica en materiaalkunde om de unieke eigenschappen van magnetische materialen op atomaire en subatomaire schaal te begrijpen en te manipuleren.
Een van de meest intrigerende verschijnselen in kwantummagnetisme is de kwantumfaseovergang, die optreedt wanneer een magnetisch materiaal een plotselinge verandering in zijn magnetische eigenschappen ondergaat als gevolg van kleine veranderingen in externe parameters zoals temperatuur, druk of magnetisch veld. Het begrijpen en beheersen van deze kwantumfaseovergangen zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe materialen en apparaten met nieuwe magnetische eigenschappen.
4. Nieuwe magnetische materialen
De zoektocht naar nieuwe magnetische materialen met uitzonderlijke eigenschappen is een doorlopend onderzoeksgebied op het gebied van magnetisme. Enkele van de gewenste eigenschappen in deze materialen zijn hoge magnetisatie, hoge coërciviteit, hoge Curietemperaturen en sterke magnetokristallijne anisotropie. Deze eigenschappen kunnen leiden tot betere prestaties in bestaande toepassingen en de ontwikkeling van nieuwe technologieën mogelijk maken.
Enkele veelbelovende klassen van magnetische materialen die worden onderzocht zijn onder andere:
* Zeldzame aardmetaalvrije permanente magneten: Zeldzame aardmetalen als neodymium en samarium zijn cruciale componenten in veel hoogwaardige permanente magneten, maar door hun beperkte beschikbaarheid en hoge kosten zijn onderzoekers op zoek gegaan naar alternatieve zeldzame aardmetaalvrije magneetmaterialen.