Hoe werkt een magneet?

Magneten behoren tot de meest bijzondere materialen die de mens kent. Hoewel vrijwel iedereen ooit een magneet heeft vastgehouden, weten maar weinig mensen wat er precies gebeurt wanneer een magneet een metalen voorwerp aantrekt of waarom twee magneten elkaar soms juist afstoten.

Magnetisme is een natuurverschijnsel dat al duizenden jaren bekend is. Toch speelt het vandaag een grotere rol dan ooit tevoren. Zonder magneten zouden moderne technologieën zoals elektromotoren, luidsprekers, windturbines, MRI-scanners, computers en elektrische voertuigen niet kunnen functioneren.

Om te begrijpen hoe een magneet werkt, moeten we eerst kijken naar het onzichtbare fenomeen dat iedere magneet omringt: het magnetische veld.

Het magnetische veld

Rond iedere magneet bevindt zich een magnetisch veld. Dit veld is onzichtbaar voor het menselijk oog, maar kan wel worden aangetoond met behulp van ijzervijlsel of speciale meetapparatuur.

Wanneer ijzervijlsel rondom een magneet wordt gestrooid, vormen de kleine metaaldeeltjes duidelijke patronen. Deze patronen volgen de zogenaamde magnetische veldlijnen. Ze laten zien hoe het magnetische veld zich rondom de magneet verspreidt.

Het magnetische veld is het sterkst aan de uiteinden van de magneet. Deze uiteinden worden de polen genoemd.

Noordpool en zuidpool

Iedere magneet heeft twee polen:

• een noordpool
• een zuidpool

Deze polen kunnen niet van elkaar worden gescheiden. Zelfs wanneer een magneet doormidden wordt gebroken, ontstaan er twee nieuwe magneten die opnieuw een noord- en een zuidpool bezitten.

Een van de fundamentele eigenschappen van magnetisme is dat gelijke polen elkaar afstoten, terwijl tegengestelde polen elkaar aantrekken.

Wanneer twee noordpolen naar elkaar worden gebracht, ontstaat een afstotende kracht. Worden een noordpool en een zuidpool tegenover elkaar geplaatst, dan trekken zij elkaar juist aan.

Dit principe vormt de basis van vrijwel alle toepassingen van magnetisme.

Waarom zijn sommige materialen magnetisch?

Niet alle materialen reageren op een magneet.

Materialen zoals hout, glas, kunststof en aluminium worden nauwelijks beïnvloed door magnetische velden. IJzer, nikkel en kobalt reageren daarentegen zeer sterk op magneten.

Dit verschil ontstaat door de manier waarop elektronen zich binnen een materiaal gedragen.

Elektronen bewegen voortdurend rond de atoomkern en bezitten daarbij een kleine magnetische eigenschap. In de meeste materialen wijzen deze minieme magnetische velden willekeurig alle kanten op, waardoor zij elkaar opheffen.

In ferromagnetische materialen zoals ijzer kunnen grote groepen atomen zich echter in dezelfde richting oriënteren. Hierdoor ontstaat een meetbaar magnetisch effect.

Magnetische domeinen

Binnen een stuk ijzer bevinden zich miljarden kleine gebieden die magnetische domeinen worden genoemd.

Binnen ieder domein wijzen de magnetische eigenschappen van de atomen grotendeels dezelfde kant op.

In een ongemagnetiseerd stuk ijzer wijzen deze domeinen echter willekeurig in verschillende richtingen. Hierdoor heffen zij elkaar grotendeels op en lijkt het materiaal niet magnetisch.

Wanneer een sterk magnetisch veld wordt aangebracht, kunnen veel van deze domeinen zich in dezelfde richting oriënteren. Op dat moment ontstaat een magnetisch materiaal.

Bij permanente magneten blijft een groot deel van deze uitlijning behouden, zelfs nadat het externe magnetische veld is verdwenen.

Permanente magneten en elektromagneten

Niet alle magneten werken op dezelfde manier.

Permanente magneten behouden hun magnetische eigenschappen zonder dat hiervoor energie nodig is. Neodymiummagneten, ferrietmagneten en AlNiCo-magneten zijn voorbeelden van permanente magneten.

Elektromagneten werken anders. Hierbij wordt een elektrische stroom door een spoel geleid. Zolang er stroom loopt ontstaat een magnetisch veld. Zodra de stroom wordt uitgeschakeld, verdwijnt het magnetische effect grotendeels.

Elektromagneten worden veel toegepast in motoren, relais, luidsprekers en industriële machines.

Waarom zijn neodymiummagneten zo sterk?

Neodymiummagneten behoren tot de krachtigste permanente magneten die commercieel verkrijgbaar zijn.

Deze magneten bestaan uit een legering van neodymium, ijzer en borium. Door hun bijzondere kristalstructuur kunnen zij een uitzonderlijk grote hoeveelheid magnetische energie opslaan.

Daardoor kan een relatief kleine neodymiummagneet dezelfde kracht leveren als een veel grotere traditionele magneet.

Dit verklaart waarom moderne apparaten steeds kleiner kunnen worden terwijl hun prestaties blijven toenemen.

Het magnetische veld neemt af met afstand

Een belangrijke eigenschap van magnetische velden is dat hun sterkte snel afneemt naarmate de afstand groter wordt.

Wanneer een magneet direct contact maakt met een stalen oppervlak is de aantrekkingskracht maximaal. Al bij enkele millimeters afstand wordt het effect merkbaar kleiner.

Daarom spelen afstand en contactoppervlak een belangrijke rol bij de uiteindelijke houdkracht van een magneet.

Magnetisme in het dagelijks leven

Hoewel veel mensen magneten vooral associëren met een koelkastmagneet, worden magnetische velden tegenwoordig in vrijwel iedere moderne industrie toegepast.

Magneten spelen een rol in:

• elektrische voertuigen
• windturbines
• computers
• smartphones
• luidsprekers
• sensoren
• MRI-scanners
• productiemachines
• robotica

Vrijwel iedere vorm van moderne technologie maakt op de een of andere manier gebruik van magnetisme.

Conclusie

Een magneet werkt doordat hij een magnetisch veld produceert. Dit veld oefent krachten uit op bepaalde materialen en op andere magneten. De werking van magneten is gebaseerd op de uitlijning van magnetische domeinen binnen een materiaal en de interactie tussen noord- en zuidpolen.

Hoewel magnetisme voor het menselijk oog onzichtbaar is, vormt het een van de belangrijkste natuurkundige verschijnselen achter veel van de technologieën die dagelijks worden gebruikt. Van eenvoudige magneetsluitingen tot geavanceerde elektromotoren: overal speelt magnetisme een cruciale rol.