Magnetisme

Selfs in die oertyd het mense ontdek dat magnetietkristalle mekaar aantrek of afstoot afhangende van hul oriēntasie. Die natuurkundige verskynsel word magnetisme genoem. Die woord magnetisme vind sy oorsprong dan ook uit Magnetiet wat op sy beurt afkomstig is van Magnesia, 'n gebied in Thessalië in antieke Griekeland (Tans Manisa, Turkye), waar neerslae van die mineraal gevind is.

Kuns met magnetisme

Illustrasie van 'n magnetiese veld rondom 'n staafmagneet

Die element wat verantwoordelik is vir die magnetisme van magnetiet is yster. Baie ysterlegerings vertoon magnetiese eienskappe. Naas yster vertoon nikkel en kobalt ook magnetiese eienskappe.

Voorwerpe wat sterk magnetiese eienskappe vertoon word dan ook magnete genoem. Daar bestaan natuurlike en kunsmatige magnete (AlNiCo, Fernico, Ferriete ens.). Alle magnete het twee pole wat onderskeidelik die noordpool en suidpool genoem word. Die noordpool van 'n magneet stoot die noordpool van 'n ander magneet af en trek die suidpool van 'n ander magneet aan. Twee suidpole stoot mekaar ook af. Omdat die aarde ook oor 'n magneetveld beskik met 'n suid- en 'n noordpool (magnetiese suidpool naby die noordpool en die suidpool naby die aarde se noordpool), sal 'n vrydraaiende kompas altyd 'n noord-suidrigting aanneem. Die benaming van die pole van 'n magneet is hieruit afgelei. Daar word vir gemak, alhoewel dit uiters verwarrend kan wees, na die "aardmagneet" se suidpool as die magnetiese noordpool verwys en die noordpool van die aarde se magneet is dan die "aardmagneet" se magnetiese suidpool.

'n Verwante verskynsel is elektromagnetisme, magnetisme wat ontstaan as gevolg van 'n elektriese stroom.

Agtergrond

By nadere ondersoek blyk dit dat die magnetisme in natuurlik magnetiese of magnetiseerbare materiale, net soos by elektromagnetisme, ook veroorsaak word deur bewegende elektriese ladings. James Maxwell het, voortbouend op die ondersoeke van onder andere Michael Faraday reeds in die negentiende eeu 'n baie elegante wiskundige formulering van die verband tussen elektrisiteit en magnetisme gegee, wat later deur Heaviside bygewerk is tot slegs vier differensiaalvergelykings, die vergelykings van Maxwell waarmee alle makroskopiese elektriese en magnetiese verskynsels beskryf kan word.

Die teorie van magnetisme sluit nie die moontlikheid uit dat daar ook sogenaamde magnetiese monopole bestaan nie: d.w.s. magnete wat slegs 'n noordpool of slegs 'n suidpool het. Die magnetisme van sulke monopole sou egter van 'n geheel en al ander orde wees as die bogenoemde magnetisme wat immers steeds sy oorsprong vind in bewegende elektriese ladings. Tot nou toe is daar egter geen aanduiding/bewyse dat sulke magnetiese monopole werklik kan bestaan nie.

Magnetiese veld

Magnete wat vryelik in die ruimte kan beweeg blyk om deur magnetisme beïnvloed te word, sodanig dat hul 'n bepaalde rigting aanneem en 'n sekere krag in daardie rigting ondervind. Kennelik is daar aan elke punt van die ruimte 'n magnetiese werking verbonde ('n veld) met 'n bepaalde rigting en grootte. Dié vektorveld is die magnetiese veld, meestal aangedui met die simbool ${\vec {B}}$ en word die magnetiese veldsterkte, magnetiese fluksdigtheid of magnetiese induksie genoem; die sterkte daarvan word gemeet in die SI-eenheid, tesla. Die magnetiese veld kan veroorsaak word deur magnete, elektromagnete en elektriese strome.

Magnetiese gedrag van materiale

Die hoofartikel vir hierdie afdeling is: Magnetochemie.

Die magnetiese eienskappe van 'n materiaal word hoofsaaklik deur sy elektrone bepaal. Die atoomkern kan ook 'n magnetiese moment besit maar die elektron se moment is 960 keer groter as 'n neutron s'n en 658 keer as 'n proton s'n.

Wanneer 'n materiaal blootgestel word aan 'n magnetiese veld kan dit op verskillende maniere daarop reageer. 'n Mens kan die volgende verskynsels onderskei:

• diamagnetisme
• ferromagnetisme
• antiferromagnetisme
• ferrimagnetisme
• paramagnetisme
  • Pauli-paramagnetisme
  • superparamagnetisme
• spinglas-magnetisme

Wanneer 'n mens in normale spreektaal sê dat 'n materiaal magneties is, word daar meestal bedoel dat dit ferromagnetiese gedrag vertoon. Die kragte wat by dia- en paramagnetiese gedrag betrokke is, is baie kleiner en die materiale hierby betrokke vertoon ook geen spontane magnetiese velde nie. Rofweg kan 'n mens hul dus nie as nie-magneties beskou. Diamagnetiese materiale het die neiging om veldlyne uit hulle binneste te verdring, terwyl ferro-, ferri- en paramagnetiese materiale hul juis in 'n mindere of meerdere mate konsentreer.

Die bekendste vorm van magnetisme is ferromagnetisme wat soos die naam aandui in yster voorkom asook in 'n aantal metale en 'n groot aantal legerings. Daar bestaan slegs vier ferromagnetiese elemente, naamlik yster, nikkel, kobalt en gadolinium. Daar is egter baie meer ferromagnetiese legerings en ander gesinterde materiale wat ook magneties is, soos ferriet onder andere.

Yster kan gemagnetiseer word deur die materiaal in 'n magnetiese veld te plaas wat byvoorbeeld deur 'n elektriese klos opgewek word.

Veldlyne is denkbeeldige lyne wat die rigting van die magnetiese veld op 'n bepaalde punt aandui. Die lyne kan by magnete sigbaar gemaak word deur 'n blad papier op 'n magneet te lê en fyn ystervysels daarop te strooi – die vysels sal dan oplyn om die veldlyne sigbaar te vertoon.

In ferromagnetiese materiale word die magnetiese effek opgewek deurdat elektronebane in die atome hulself parallel ten opsigte van mekaar rig sodat die magnetisme van die afsonderlike atome mekaar nie meer uitkanselleer nie maar versterk. Wanneer 'n magneet verhit word gaan hierdie oriēntasie verlore en word die voorwerp gedemagnetiseer. Die temperatuur waarby dit gebeur is afhanklik van die soort materiaal en word die Curietemperatuur genoem. Bo hierdie temperatuur vertoon dié materiaal paramagnetiese gedrag. Naas magnetiese vastestowwe is daar ook magnetiese vloeistowwe. Dit is vloeistowwe met magnetiese deeltjies in suspensie wat kan reageer op 'n magnetiese veld. Die vloeistowwe kan onderverdeel word in magnetorheologiese vloeiers, waar die viskositeit verander en ferrovloeiers wat sterk gepolariseer word in die teenwoordigheid van 'n magnetiese veld.

Elektromagnetisme

Rondom 'n geleidende draad waardeur 'n elektriese stroom vloei, word 'n magnetiese veld opgewek. Die opgewekte magnetiese vloed kan as volg uitgedruk word:

Φ = L * I

waar Φ die magnetiese fluks uitgedruk word in Weber

L die selfinduksie in Henry

en I die stroomsterkte in ampère

'n Sterk magnetiese veld word verkry deur groter strome of 'n hoë mate van selfinduksie. Groot strome is nie altyd haalbaar nie en daarom daar meestal gebruik gemaak van selfinduksie deur 'n draad in die vorm van 'n klos te wikkel – die velde van elke winding word dan sodoende bymekaar getel.

Die aarde se magnetiese veld

Ook die aarde gedra homself soos 'n groot magneet met veldlyne wat vanaf die (magnetiese) noordpool na die suidpool strek. Daar word vermoed dat daar diep binne die aarde groot elektriese strome vloei wat die magnetisme tot gevolg het. Daar is afdoende bewys dat die aarde se magnetiese veld met tye omkeer in 'n proses wat bekend staan as paleomagnetisme. Dit wil voorkom asof die proses al etlike male plaasgevind het sedert die vorming van die aarde na aanleiding van die magnetiseringsrigtings in sedimentêre gesteentes van verskillende ouderdomme. Dit mag dalk selfs ook verband hou met die uitsterwing van spesies in die Perm- en Kryt-tydperke.

Toepassings van magnetisme

Elektromagnetiese straling

In elektromagnetiese straling kom 'n ossilerende elektriese sowel as 'n ossilerende magnetiese veld voor.

Kompas

'n Kompas is 'n meetinstrument waarmee die rigting van 'n magneetveld bepaal kan word. Omdat die aarde 'n magnetiese veld het, kan 'n mens die rigting van die noord- en suidpole van die veld daarmee vasstel. 'n Kompas bestaan uit 'n vryhangende magnetiese naald waarvan sy magnetiese noordpool na die magnetiese suidpool van die aarde wys, omdat die noord- en suidpole mekaar aantrek. Die magnetiese suidpool van die aarde word die noorde genoem, omdat die magnetiese noordpool van die kompas na die noorde wys. Die magnetiese noordpool van die aarde word die suide genoem.

Sien ook: skeepskompas

Supergeleiermagnete

'n Besondere vorm van magneet is een wat met supergeleidende elektriese klosse gebou word. Daarmee kan oor die algemeen sterk magneetvelde opgewek word sonder elektriese weerstandsverliese. As die magneetveld egter te sterk word dring die veld die supergeleierdrade van die klos binne en hou die supergeleidende materiale vervolgens op om supergeleidend te wees. Dié verskynsel waar die magnetiese veld geblus word, beperk die toepasbaarheid van supergeleidende magnete.

Magnetiese swewing

Daar bestaan treine (sonder wiele) wat op 'n magnetiese baan sweef, die sogenaamde magneetsweeftreine. Daar bestaan tans twee ondernemings wêreldwyd wat sulke treine vervaardig (in Japan en Duitsland), maar die tegnologie word nog min toegepas.

Bronnelys

• Die ooreenstemmende artikel in die Nederlandstalige Wikipedia