Hoe werken magneten?

Hoe werken magneten?

De werking van magneten en neodymium magneten

Het begon allemaal toen we gingen winkelen voor een magneet voor een demonstratie over vloeibaar kogelvrij vest. We wilden laten zien dat een magnetisch veld ervoor kan zorgen dat bepaalde vloeistoffen zich als vaste stoffen gedragen. Samen met de petrischalen en ijzervijlsel die we nodig hadden, had de Steve Spangler Science-catalogus een neodymium magneet die beschreven werd als ‘supersterk’. We bestelden onze benodigdheden, in de hoop dat de magneet krachtig genoeg zou zijn om een ​​effect te creëren dat we op film konden vastleggen.

De magneet transformeerde niet alleen ons ijzer-en-oliefluïdum in een vaste stof – soms trof de trek in de vloeistof de petrischaal die hem vasthield. Eens vloog de magneet onverwachts uit de hand van een videograaf en in een schaal vol met droge vijlsels, die aanzienlijke vindingrijkheid vereisten om te verwijderen. Het hechtte zich ook zo stevig aan de onderkant van een metalen tafel dat we een paar griptangen moesten gebruiken om het op te halen. Toen we besloten dat het veiliger zou zijn om de magneet tussen de opnames in een zak te houden, stopten mensen even vast aan de tafel, een ladder en de deur van de studio.

Rond het kantoor werd de magneet een object van nieuwsgierigheid en het onderwerp van geïmproviseerde experimenten. Zijn griezelige kracht en zijn neiging om plotseling en luidruchtig van onbewuste grepen naar het dichtstbijzijnde metalen oppervlak te springen, zette ons aan het denken. We kenden allemaal de basis van magneten en magnetisme – magneten trekken specifieke metalen aan, en ze hebben noord- en zuidpool. Tegenover elkaar trekken polen elkaar aan terwijl gelijke polen afstoten. Magnetische en elektrische velden zijn gerelateerd, en magnetisme, samen met de zwaartekracht en sterke en zwakke atoomkrachten, is een van de vier fundamentele krachten in het universum.

Vind ook leuke kado`s op kado idee generator

Maar geen van die feiten leidde tot een antwoord op onze meest elementaire vraag. Wat houdt precies een magneet aan bepaalde metalen vast? Waarom houden ze zich bij uitbreiding niet aan andere metalen? Waarom trekken ze elkaar aan of stoten ze elkaar af, afhankelijk van hun positionering? En wat maakt neodymium magneten zoveel sterker dan de keramische magneten waarmee we als kinderen speelden?

Om de antwoorden op deze vragen te begrijpen, helpt het om een ​​basisdefinitie van een magneet te hebben. Magneten zijn objecten die magnetische velden produceren en metalen aantrekken zoals ijzer, nikkel en kobalt. De krachtlijnen van het magnetisch veld verlaten de magneet van de noordpool en gaan de zuidpool binnen. Permanente of harde magneten creëren voortdurend hun eigen magnetisch veld. Tijdelijke of zachte magneten produceren magnetische velden in de aanwezigheid van een magnetisch veld en een korte tijd na het verlaten van het veld. Elektromagneten produceren alleen magnetische velden als elektriciteit door hun draadspoelen reist.

Tot voor kort waren alle magneten gemaakt van metalen elementen of legeringen. Deze materialen produceerden magneten met verschillende sterkten. Bijvoorbeeld:

Keramische magneten, zoals magneten die worden gebruikt in koelkastmagneten en experimentele experimenten op basisscholen, bevatten ijzeroxide in een keramische composiet. De meeste keramische magneten, ook wel ferri-magneten genoemd, zijn niet bijzonder sterk.
Alnico-magneten zijn gemaakt van aluminium, nikkel en kobalt. Ze zijn sterker dan keramische magneten, maar niet zo sterk als die met een klasse elementen die bekend staat als zeldzame-aardmetalen.
Neodymiummagneten bevatten ijzer, boor en het neodymium met zeldzame aarde.
Samarium-kobaltmagneten combineren kobalt met het samarium van zeldzame aardelementen. In de afgelopen jaren hebben wetenschappers ook magnetische polymeren of plastic magneten ontdekt. Sommige hiervan zijn flexibel en vormbaar. Sommige werken echter alleen bij extreem lage temperaturen en andere halen alleen zeer lichte materialen, zoals ijzervijlsel.
Het kost wat moeite om deze materialen magneten te maken.

Magneten maken: de basis

Veel van de elektronische apparaten van tegenwoordig hebben magneten nodig om te functioneren. Deze afhankelijkheid van magneten is relatief recent, vooral omdat de meeste moderne apparaten magneten nodig hebben die sterker zijn dan die in de natuur. Lodestone, een vorm van magnetiet, is de sterkst natuurlijk voorkomende magneet. Het kan kleine voorwerpen aantrekken, zoals paperclips en nietjes.

Rond de 12e eeuw hadden mensen ontdekt dat ze lodestone konden gebruiken om stukjes ijzer te magnetiseren, waardoor een kompas ontstond. Herhaaldelijk wrijven van lodestone langs een ijzeren naald in één richting magnetiseerde de naald. Het zou zich dan in noord-zuidrichting richten als het wordt opgehangen. Uiteindelijk legde wetenschapper William Gilbert uit dat deze noord-zuid uitlijning van gemagnetiseerde naalden het gevolg was van het feit dat de aarde zich gedroeg als een enorme magneet met noord- en zuidpolen.

Een kompasnaald is lang niet zo sterk als veel van de permanente magneten die tegenwoordig worden gebruikt. Maar het fysieke proces dat kompasnaalden en brokken neodymiumlegering magnetiseert, is in wezen hetzelfde. Het is gebaseerd op microscopische gebieden die bekend staan ​​als magnetische domeinen, die deel uitmaken van de fysieke structuur van ferromagnetische materialen, zoals ijzer, kobalt en nikkel. Elk domein is in wezen een kleine, onafhankelijke magneet met een noord- en zuidpool. In een niet-gemagnetiseerd ferromagnetisch materiaal wijst elk van de noordpolen in een willekeurige richting. Magnetische domeinen die in tegengestelde richtingen zijn gericht, heffen elkaar op, zodat het materiaal geen netto magnetisch veld produceert.

In magneten daarentegen, wijzen de meeste of alle magnetische domeinen in dezelfde richting. In plaats van elkaar op te heffen, vormen de microscopisch kleine magnetische velden samen één groot magnetisch veld. Hoe meer domeinen in dezelfde richting wijzen, hoe sterker het algemene veld. Het magnetische veld van elk domein strekt zich uit van zijn noordpool tot de zuidpool van het domein ervoor.

Dit verklaart waarom het breken van een magneet in tweeën zorgt voor twee kleinere magneten met noord- en zuidpool. Het verklaart ook waarom tegengestelde polen aantrekken – de veldlijnen verlaten de noordpool van één magneet en komen op natuurlijke wijze de zuidpool van een ander binnen, waardoor er feitelijk één grotere magneet ontstaat. Zoals palen stoten elkaar af omdat hun krachtlijnen in tegenovergestelde richtingen reizen, botsen met elkaar in plaats van samen te bewegen.