Magnetisme <
in
bewerking
>
<laatst bijgewerkt: 2025-12-26>
In het kort:
Magnetisme speelt in de audio- en elektronica techniek een rol bij
o.m. spoelen, transformatoren, luidsprekers, microfoons en elektromotoren.
Verder is magnetisme onverbrekelijk verbonden met alles wat met elektriciteit, radiogolven, licht etc. te maken heeft.
Verwante onderwerpen:
transformatoren, zelfinducties, eenheden en grootheden, elektronen, bouw van de materie.
Wat is magnetisme?
Magnetisme ontstaat als er een elektrische stroom loopt, in essentie
dus als er elektronen bewegen. Dat laatste is het geval bij atomen,
waar de elektronen rond de kern cirkelen. Bij veel atomen heffen de
magneetveldjes van die elektronen elkaar op, maar bij sommige atomen,
waaronder die van ijzer, versterken ze elkaar waardoor het atoom
magnetisch is. (zie noot1) In een simpele klomp ijzer zijn die atomen echter
willekeurig gericht en heffen die veldjes (noot2) elkaar op. Door het aanleggen
van een extern magneetveld kunnen ze echter gericht worden, en bij
sommige materialen blijft die gerichtheid bestaan, ook als het externe
veld weggenomen wordt. We noemen dat remanent magnetisme. Bij sommige
materialen kan dat remanente veld erg sterk zijn en dan spreken we over
permanente magneten.
Permanente magneten kom je o.m. tegen in luidsprekers, in de harddisk van je
computer en vaak op de deur van de koelkast om je geheugensteuntjes
vast te plakken.
Elektromagneten bestaan in principe uit een al-of-niet gebogen ijzeren
staaf met daaromheen een aantal windingen van een geisoleerde
elektrische draad, meestal koperdraad. Als er een stroom door de draad
gestuurd wordt raken de ijzeratomen gericht en ontstaat er een magneetveld
waarmee ijzeren dingen aangetrokken kunnen worden. Als de stroom
uitgeschakeld wordt verdwijnt het magneetveld weer zo goed als.
In en om huis kom je ze o.m. tegen bij de elektrische bel en de
elektrisch bediende kraantjes in de wasmachine. Een flipperkast zit er ook vol mee.
Het magneetveld.
Een enkelvoudige magneet heeft altijd twee polen, twee
uiteinden, een Noordpool en een Zuidpool. Als je zo'n magneet
aan een soepel touwtje ophangt zal de noordpool zich naar het aardse
noorden richten en vanzelfsprekend, de zuidpool naar het zuiden. De
reden is dat de aarde zelf een magneetveld heeft, met de zuidpool in
het noorden van Canada en de noordpool in Antarctica. (Die verwarring is
historisch gegroeid en we laten het maar zo)
Er geldt de regel: gelijke polen stoten elkaar af, ongelijke trekken
elkaar aan.
Krachtlijnen
Bij het magneetveld spreken we veelal over "krachtlijnen", dat zijn
denkbeeldige lijnen die aangeven hoe het veld van de magneet van de ene
pool naar de andere loopt. Je kunt een kompas bij een magneet houden en
dan zal de naald van het kompas zich evenwijdig aan de krachtlijnen ter
plekke richten.
Die
krachtlijnen zijn altijd gesloten, d.w.z. ze lopen van de noordpool
naar de zuidpool, desgewenst via grote een omweg, maar ze verdwijnen nooit in
het niets.
Dit betekent ook dat er geen magnetische monopool bestaat, dus een magneet met alleen een noordpool of alleen een zuidpool.
Er bestaat ook niet zoiets als een "magnetische lading". Mensen die die
term gebruiken begrijpen niet goed waar ze het over hebben.
De magnetische veldsterkte H
De sterkte van een magneetveld, o.m. zoals je dat met een elektrische spoel kunt maken.
We gebruiken de hoofdletter H voor de veldsterkte en de dimensie is A / m. (Ampere per meter)
Voor een lange dunne spoel geldt voor de veldsterkte in het midden: H = N
* I / L, waarin N het aantal wikkelingen, I de stroom in A, en L de
lengte in m.
De magnetische inductie B
De inductie is het effect dat een magneetveld op andere magneetvelden en
elektrische geleiders heeft. Hierbij speelt ook de versterking door
materialen als ijzer een rol. We gebruiken de hoofdletter B en de
dimensie is Tesla. Er geldt: B = μ * H waarbij μ (griekse letter mu) de magnetische permeabiliteit (doordringbaarheid) van het onderhavige materiaal is, bijv ijzer.
De magnetische permebiliteit μ (griekse letter mu)
We maken onderscheid tussen de absolute en de relatieve permeabiliteit. De
absolute permeabiliteit μ0 is die voor lucht of vacuum. Deze bedraagt 4*pi*10-7
Henry / meter.
De relatieve permeabiliteit μr geeft aan hoeveel meer of minder het is voor een
bepaald materiaal. Voor sommige
ijzersoorten kan het oplopen tot 30.000. We spreken dan ook wel over mu-metaal.
De mu van een materiaal is doorgaans frequentie afhankelijk, en neemt meestal af
met de frequentie.
Bij niet magnetiseerbare massieve elektrisch geleidende materialen als koper en aluminium is de mu
kleiner dan 1, maar alleen bij wat hogere frequenties. Dat komt door de wervelstromen
of eddy currents.
Ook een grote bonk ijzer als een auto vertoont een μr kleiner dan 1 bij wat hogere frequenties. De
zelfinductie van een detectielus in de weg wordt kleiner als er een auto overheen
rijdt, en de resonantie frequentie (ca. 150 kHz) neemt toe.
Zie ook noot3
De kracht F op een draad in een magneetveld
Die kracht F = I * B * L, [N] waarbij I de stroom door de draad, B de
inductie van het magneetveld en L de lengte van de draad in het
magneetveld.
We komen het product B * L tegen als 1 van de belangrijke Thiele-Small
parameters voor een luidspreker, nl de krachtfactor, in Newton per
Ampere.
De opgewekte spanning E als een draad beweegt in een magneetveld
Deze spanning is gelijk aan E = B * L * v. [Volt] B en L als hierboven, v de snelheid in m / sec.
We zien dit ook terug bij de luidspreker, als de conus sinusvormig
heen-en weer beweegt wordt er een sinusvormige spanning opgewekt in de
spreekspoel.
Bij een luidspreker
De relaties tussen kracht, snelheid, stroom en opgewekte spanning maken het mogelijk om de
mechanische eigenschappen van een luidspreker te vertalen naar
elektrische equivalenten. Zo verschijnt de massa van de conus als een
capaciteit en de veerkracht van de conus ophanging en de in de kast
opgesloten lucht als een zelfinductie. Je kunt zo het gedrag van een
luidspreker, al of niet met kast en wisselfilter, doorrekenen met een
simulatie programma voor elektronische circuits.
Magnetiseren en magnetisme als
alternatieve
geneeswijze heeft meestal niets met het natuurkundige
begrip magnetisme te maken, er worden doorgaans ook geen magneten
gebruikt bij zulke "behandelingen", waarbij het effect meer op suggestie
berust. (kan best wel eens helpen hoor). Deze termen zijn ontstaan in
de
tijd dat men nog weinig begreep van het magnetisme, en waardoor er
allerlei geheimzinnige en geneeskrachtige werkingen aan werden
toegeschreven.
Magnetische stimulatie van
bepaalde delen van de hersenen (rTMS) heeft wel met magnetisme te maken
en is een inmiddels bekende behandelingsmethode voor bepaalde
aandoeningen.
noot1.
De
voorstelling die ik hier geef is een vereenvoudiging die in de meeste
praktische gevallen voldoet. De volledige en exacte theorie van
magnetische materialen is tamelijk ingewikkeld en nog niet in alle
opzichten begrepen.
noot2
We spreken over "velden" maar
eigenlijk moeten het "ruimtes" zijn. Het magneetveld speelt zich af in
3 dimensies. Op elke plaats in de ruimte heeft het magneetveld een
bepaalde sterkte en een richting. We noemen dit ook wel een vectorveld of vector ruimte.
noot3
Een aardig weetje: De elektrische tegenhanger van de μr is de εr (epsilon-r) die je bij condensatoren tegenkomt. εr = 8.854 10-12 Farad / m
Als je die twee vermenigvuldigt krijg je 4 * pi * 10-7 * 8.854 10-12 = 11.2 10-18. Neem 1/ de wortel daaruit en je krijgt 2.9979 108 m/sec, oftewel de lichtsnelheid.
Als je ze deelt krijg je 4 * pi * 10-7 / 8.854 10-12 = 1.419 105. Neem de wortel en je vindt 376.73. Ohm. Dat is de karakteristieke impedantie van het vacuum.
Het klopt ook met de dimensies: μr is in Henry / m, of A * s / V, en εr in V * s / A.
Je krijgt dan bij de vermenigvuldiging: A * s * V * s / (V * m * A * m ) = s2 / m2. Na 1/wortel m / s, oftewel snelheid
En bij de deling: A * s * A * m / (V * m * V * s) = A2 / V2. Na wortel: A / V = Ohm.
Dit geeft maar weer eens aan hoe elektro-magnetische verschijnselen
(o.a. licht) en ruimte en tijd op een zeer fundamenteel nivo met elkaar
verweven zijn.
monopool
Er
zijn enkele exotische en omstreden theorieën waarbij er een magnetische
monopool zou kunnen bestaan. Er is er echter nog nooit 1 waargenomen.
Het z.g. Standaard Model over de bouw van de materie verbiedt het bestaan ervan niet.
Als het je lukt om er 1 aan te tonen of te maken levert dat ongetwijfeld een
Nobelprijs op.