Permanente magneten en magnetische polen

Elektromagneten versus permanente magneten

Definitie

Een elektromagneet is een opstelling waarbij een magneetveld enkel wordt opgewekt door het doorstromen van een elektrische stroom door een draadspoel, al dan niet met een ferromagnetische kern. De magnetisering is uitsluitend aanwezig zolang de stroom vloeit. Een permanente magneet is een voorwerp, bestaand uit ferromagnetisch materiaal, dat na blootstelling aan een sterk extern magneetveld een blijvende, interne magnetisatiestatus behoudt, ook nadat het externe veld verwijderd werd. Ferromagnetische materialen worden gekenmerkt door hun hoge permeabiliteit, waardoor de individuele magnetische dipolen binnen het materiaal zich langdurig parallel kunnen oriënteren.

Belangrijke concepten

• Elektromagneet: Het magneetveld in een elektromagneet wordt veroorzaakt door de beweging van elektrische ladingen (stroom), volgens de wet van Ampère. De richting en de sterkte van het veld kunnen geregeld worden door respectievelijk de stroomrichting en de stroomsterkte te variëren. De magnetisering is fundamenteel tijdelijk: als de stroom uitgeschakeld wordt, desoriënteren de magnetische domains binnen het kernmateriaal zich, en verdwijnt het magneetveld onmiddellijk.

• Permanente magneet: Bij het aanbrengen van een intens extern magneetveld op een geschikt ferromagnetisch materiaal (zoals ijzer, nikkel, kobalt of sommige legeringen), oriënteren de interne magnetische domeinen zich grotendeels in dezelfde richting. Wanneer dit externe veld vervolgens weggenomen wordt, behouden veel domeinen hun uitlijning, wat resulteert in een duurzame magnetisering van het materiaal. Deze blijvende uitlijning verklaart waarom permanente magneten hun veld zelfs jaren na de initiële magnetisatie behouden.

• Magnetisatieproces: Het creëren van een permanente magneet verloopt doorgaans via één van volgende methoden: plaatsing in een sterk magneetveld, wrijving met een andere magneet of door kortstondig verwarmen tot net onder de Curietemperatuur gevolgd door afkoeling onder een extern magneetveld. Enkel materialen met een toereikende magnetische hysterese kunnen geschikt gemagnetiseerd worden: bij paramagnetische of diamagnetische materialen verdwijnt de geïnduceerde magnetisatie zodra het externe veld uitgeschakeld wordt.

• Ferromagnetisch materiaal: Een materiaal waarin de elementaire magnetische momenten van atomen spontaan geneigd zijn zich parallel te richten binnen microscopisch kleine domeinen, zelfs zonder extern veld. De mate waarin deze domeinen na het verwijderen van het veld geordend blijven, bepaalt de retentiviteit van het materiaal.

Formules en berekeningen

• Magnetische fluxdichtheid in een spoel: $B = \mu \cdot n \cdot I$ waarbij $B$ de magnetische inductie (Tesla), $\mu$ de geleidbaarheid van het medium (henry/meter), $n$ het aantal windingen per meter, en $I$ de elektrische stroom (ampère) is.

• Remanentie bij permanente magneten: Remanente magnetisatie ($M_r$) is de hoeveelheid magnetisatie die achterblijft nadat een extern veld wordt verwijderd. Dit is een materiaaleigenschap en meet de bruikbaarheid als permanente magneet.

• Coerciviteit ([INLINE_EQUATION]H_c[/INLINE_EQUATION]) bepaalt de weerstand van het materiaal tegen het ontmagnetiseren. Enkel ferromagneten met hoge coerciviteit zijn bruikbaar als permanente magneet.

Praktijkvoorbeelden

Voorbeeld 1: Een elektrische relais gebruikt een elektromagneet die een stroom van 0,5 A door een spoel met 200 windingen op een ijzeren kern stuurt. Zodra de stroom wordt onderbroken, valt het magneetveld direct weg en laat de ankerplaat los. Er kan géén blijvende magnetisering van betekenis worden waargenomen omdat de kern gefabriceerd is uit weekijzer met minimale remanentie.

Voorbeeld 2: Een permanente magneet in een luidspreker bestaat doorgaans uit een legering van neodymium, ijzer en boor (NdFeB). Bij de productie wordt de legering in een zeer krachtig magnetisch veld gebracht, waardoor de interne domeinen optimaal uitgelijnd blijven. Decennia later blijkt de magneet haar kracht grotendeels te behouden, tenzij ze langdurig verhit of blootgesteld wordt aan een tegenwerkend magneetveld.

Veel gemaakte fouten

• Onjuiste veronderstelling dat een elektromagneet zijn magnetisatie behoudt na uitschakelen van de stroom: Veel studenten verwarren de tijdelijke magnetisatie in elektromagneten met blijvende magnetisering.

• Verwarren van alle metalen met ferromagneten: Enkel specifieke materialen zoals ijzer, nikkel, kobalt en hun legeringen vertonen geschikte eigenschappen; koper en aluminium zijn bijvoorbeeld niet ferromagnetisch.

• Negeren van hysteresis en coerciviteit: Niet elk ferromagnetisch materiaal is geschikt als permanente magneet, enkel die met voldoende hoge coerciviteit.

• Overschatten van het effect van externe magneetvelden op bestaande permanente magneten: Het blootstellen aan sterke, tegengestelde velden kan permanente magneten wel degelijk gedeeltelijk of volledig ontmagnetiseren.

Eigenschappen van magnetische polen

Definitie

Elke magneet vertoont steeds twee ruimtelijk onderscheiden regio’s, de zogenaamde polen, aangeduid als noordpool (N) en zuidpool (Z). Deze polen vormen de plaatsen met de grootste dichtheid aan magnetische veldlijnen, waaruit de magnetische interactiekrachten het sterkst naar buiten treden.

Belangrijke concepten

• Onlosmakelijke aanwezigheid van N en Z: Onafhankelijk van de grootte of vorm bestaat er in elke magneet steeds zowel een noord- als een zuidpool. Bij het doorbreken van een magneet ontstaan telkens nieuwe N- en Z-polen aan het breukvlak.

• Symmetrie van krachten: Magnetische krachten treden altijd paarsgewijs op, de kracht die pool N van magneet A uitoefent op pool Z van magneet B is steeds even groot maar tegengesteld aan die van pool Z van magneet B op pool N van magneet A.

• Afstoting en aantrekking: Gelijknamige polen (N-N of Z-Z) stoten elkaar af, ongelijknamige polen (N-Z) trekken elkaar aan. Deze interacties structureren de ordening van veldlijnen in ruimte en zijn bepalend in experimentele opstellingen zoals magneetkoppels of magnetische ophangingen.

• Notatie: In schema’s en vraagstukken worden polen standaard aangeduid met N voor de noordpool en Z voor de zuidpool.

Formules en berekeningen

• Magneetkracht (idealiserend, dipoolbenadering): Voor de kracht $F$ tussen twee magnetische dipolen op afstand $r$: $$F \propto \frac{\mu_0}{4 \pi} \cdot \frac{m_1 \cdot m_2}{r^4}$$ waarbij $m_1$ en $m_2$ magnetische dipoolmomenten zijn en $\mu_0$ de permeabiliteit van vacuum. Let op: Voor het eindexamen is het inzicht in de afhankelijkheid van wederzijdse positie en richting belangrijker dan de numerieke berekeningen.

Praktijkvoorbeelden

Voorbeeld 1: Een staafmagneet wordt in het midden doorgezaagd. In plaats van geïsoleerde polen te krijgen, ontstaan er in elke helft opnieuw een noord- en zuidpool ter hoogte van het breukvlak. Elke helft fungeert nu als aparte magneet met elk een eigen N- en Z-pool. Dit maakt het onmogelijk om zogenaamde “monopolen” in conventionele ferromagneten te creëren.

Voorbeeld 2: Wanneer twee identieke staven met de N-polen naar elkaar gericht worden, ondervinden ze een merkbare afstotende kracht. In een opstelling waarbij een magneet vrij kan bewegen zal die zodanig draaien dat de N van de ene naar de Z van de andere gericht raakt, waarmee de aantrekking maximaal wordt.

Veel gemaakte fouten

• Onjuiste scheiding van N- en Z-pool: Studenten proberen soms een magneet te splitsen in een aparte N- en Z-pool, wat fysisch onmogelijk is. Dit misverstand komt voort uit het verwarren met positieve en negatieve elektrische ladingen, die wel afzonderlijk voorkomen.

• Fout in interactieprincipe: Soms wordt aangenomen dat N-N aantrekt en N-Z afstoot (verkeerd om), terwijl feitelijk alleen ongelijknamige polen elkaar aantrekken.

• Notatieverwarring: In complexe vraagstukken worden de notaties soms omgedraaid (bijvoorbeeld ‘Z’ voor noordpool), het is cruciaal voor het examen de conventie te hanteren dat N de noordpool en Z de zuidpool is.

• Verwaarlozen van het ruimtelijk karakter van de polen: In sommige vragen wordt onvoldoende rekening gehouden met het feit dat de krachten het sterkst zijn aan de uiteinden van de magneet, en niet gelijkmatig over de gehele lengte.

Samenvatting

Belangrijke eindexamengerichte inzichten uit deze les:

• Elektromagneten genereren een tijdelijk magneetveld door elektrische stroom in een spoel; permanente magneten behouden hun magnetisatie na verwijdering van een extern magneetveld via ordening van domeinen in ferromagnetisch materiaal.

• Slechts materialen met hoge coerciviteit zijn geschikt als permanente magneet, omdat ze hun domeinen uitgelijnd houden.

• Elke magneet, ongeacht fragmentatie, bezit altijd zowel een noordpool (N) als een zuidpool (Z); geïsoleerde magnetische monopolen zijn klassiek niet realiseerbaar.

• Alleen ongelijknamige polen (N-Z) trekken elkaar aan; gelijknamige (N-N of Z-Z) stoten af. Dit principe is essentieel bij het oplossen van magneetinteractieproblemen.

• Fysische eigenschappen zoals remanentie en coerciviteit bepalen de praktische toepasbaarheid van (permanente) magneten.

Oefenvragen

1. Een cilinder van zuiver nikkel wordt in een sterk extern magneetveld geplaatst en nadien verwijderd. Leg uit waarom deze cilinder tot een permanente magneet kan worden omgevormd, en geef aan welk fysisch proces hiervoor verantwoordelijk is. - Antwoord: Nikkel is een ferromagnetisch materiaal. Bij blootstelling aan een sterk extern veld richten de magnetische domeinen zich grotendeels parallel uit. Na verwijderen van het veld blijft deze uitlijning grotendeels behouden door de hoge coerciviteit van nikkel, wat resulteert in blijvende magnetisatie.

2. In een experiment worden twee staven magneten met de volgende polen tegenover elkaar gezet: staaf A met N-pool naar staaf B met Z-pool. Wat gebeurt er als ze elkaar naderen? Welk verschil is er indien beide staven met hun N-polen naar elkaar gericht staan? Verklaar op basis van de poleninteractie. - Antwoord: Bij N (A) tegenover Z (B) ontstaat een aantrekking, de staven zullen elkaar trachten te naderen. Indien beide staven met hun N-polen naar elkaar gericht worden (N-N), treedt een afstotende kracht op, waardoor de staven elkaar zullen wegduwen.

3. Een student zaagt een permanente magneet in drie gelijke stukken. Beschrijf hoeveel polen elk stuk zal vertonen en leg fysisch uit waarom. - Antwoord: Elk stuk zal aan beide uiteinden een noordpool en een zuidpool bezitten. Tijdens het zagen herschikken de magnetische domeinen zich in elk deel zodat beide polen aanwezig zijn. Het is onmogelijk om met klassieke middelen een enkelvoudige pool te verkrijgen.

4. Een elektromagneet bestaat uit een koperdraadspoel rondom een kern van permalloy (nikkel-ijzer-legering). Wat gebeurt er met het magneetveld onmiddellijk nadat de stroom wordt uitgeschakeld? Verklaar in termen van materiaal-eigenschappen. - Antwoord: Permalloy is een zacht ferromagnetisch materiaal met zeer lage remanentie en coerciviteit. Na uitschakelen van de stroom vallen de domeinen terug naar een niet-uitgelijnde situatie, waardoor het magneetveld nagenoeg volledig verdwijnt.

5. Geef een reden waarom neodymium-ijzer-boor een zeer krachtig permanent magneetmateriaal is, in termen van structurele of fysische eigenschappen. - Antwoord: Neodymium-ijzer-boor heeft een hoge magnetische anisotropie en zeer hoge coerciviteit, waardoor de magnetische domeinen zeer stabiel uitgelijnd blijven, zelfs onder invloed van externe tegenwerkende velden. Zo ontstaat een krachtig en duurzaam magneetveld.