Magnetisering

Wanneer materie wordt blootgesteld aan een magnetisch veld, vindt er in principe magnetisatie plaats. Door de magnetisatie ontstaat in de materie een extra magnetisch veld, dat zich over het externe magnetische veld legt. Men onderscheidt stoffen met diamagnetische, paramagnetische en ferromagnetische eigenschappen.

Als de magnetisatie gelijkgericht is aan het externe magnetische veld, spreekt men van paramagnetisme. In ferromagnetische lichamen is de magnetisatie ook gelijkgericht aan het externe magnetische veld, maar door een bijzondere interactie, de zogenaamde uitwisselingsinteractie, is hij veel stabieler dan in eenvoudige paramagneten.

In diamagnetische materialen is de magnetisatie tegengesteld aan het externe magnetische veld. Een sterke magnetisatie is vooral bij ferromagnetische stoffen (bijv. ijzer) waarneembaar. Dit kan eenvoudig worden gecontroleerd in een experiment.

Experiment voor de magnetisatie van ferromagnetische stoffen

Wanneer een ijzerhoudend lichaam (bijv. een schaar) wordt blootgesteld aan het sterke magnetisch veld van een magneet, kan worden waargenomen dat de schaar bijvoorbeeld ijzerhoudende spelden kan aantrekken, zelfs nadat de magneet van de schaar is verwijderd. Deze resterende magnetisatie wordt remanentie genoemd.

Kwantificering van magnetisatie door magnetische permeabiliteit

De magnetisatie M, die zich bij een bepaald extern magnetisch veld instelt, wordt gekwantificeerd via de magnetische permeabiliteit μ.

In vereenvoudigde vorm kan men zich voorstellen dat de permeabiliteit μ aangeeft hoe sterk het magnetisch veld H verandert door de invloed van de materie, wanneer er een extern magnetisch veld H₀ aanwezig is. Hierbij geldt: H=μ•H₀. Het magnetisch veld H is wederom de som van het van buiten aangelegde magnetisch veld H₀ en de magnetisatie van het lichaam M: H=H₀+M. Hierdoor geldt voor de magnetisatie:

M=H-H₀=μ•H₀-H₀=(μ-1)•H₀
De permeabiliteit van het vacuüm is μ=1. Zo kan het vacuüm niet gemagnetiseerd worden. De magnetisatie M van het vacuüm is M=0.

Paramagnetische stoffen hebben een permeabiliteit die iets groter is dan 1. De permeabiliteit van diamagnetische stoffen is iets kleiner dan 1. Hierdoor is de magnetisatie negatief. Dit betekent dat deze tegengesteld is aan het van buiten invallende veld H₀. Bij een supergeleider is de permeabiliteit μ=0. De magnetisatie van een supergeleider is dus tegengesteld aan het externe veld en qua grootte gelijk aan het externe veld. Hierdoor is het binnenste van de supergeleider veldvrij en zweeft de supergeleider in het magnetisch veld.

Ferromagneten kunnen zeer grote permeabiliteitsgetallen hebben. Bij ijzer kan μ waarden tot 10 000 bereiken, bijzondere ferromagnetische, zogenaamde amorfe metalen, bereiken waarden van μ = 150 000. Bij zulke grote permeabiliteiten is de magnetisatie in een extern magnetisch veld H₀ bij benadering M ≈ μ•H₀.

Fysische oorzaak van magnetisatie

Om de fysieke oorzaak van magnetisatie te begrijpen, kan men zich voorstellen dat elke stof bestaat uit atomen met atoomkernen en elektronen. Voor de magnetisatie-effecten zijn vooral de elektronen verantwoordelijk.

Wanneer een extern magnetisch veld wordt aangelegd, worden onder invloed van dit magnetisch veld bewegingen van de elektronen, dus stromen, geïnduceerd. Dit veroorzaakt het diamagnetisme (zie afbeelding). Volgens de regel van Lenz zijn deze stromen zo gericht dat ze hun oorzaak tegenwerken. In de stof is daarom de magnetisatie tegengesteld aan het externe veld. Het kan echter zijn dat extra paramagnetische of ferromagnetische eigenschappen het diamagnetisme van de stof overlappen. De elektronen bezitten namelijk een zogenaamde elektronspin, die magnetische eigenschappen heeft. De elektronspins vormen elementaire magneten in het materiaal. De spin heeft een vast magnetisch moment. Als niet bij elk individueel atoom alle elektronspins worden gecompenseerd door een elektron met tegengestelde spin (meestal in materialen met een even aantal elektronen per atoom), kunnen de magnetische momenten van deze spins zich in het externe magnetisch veld oriënteren. In dit geval gedraagt het proefstuk zich als een magneet. De magnetisatie is gelijkgericht met het externe veld.

Van ferromagneten spreekt men wanneer er een stabilisatie van de oriëntatie van de atomische spins optreedt. Dit wordt veroorzaakt door de uitwisselingsinteractie. Elke van de kleine elementaire magneten wordt in zijn oriëntatie gestabiliseerd. Het lichaam blijft dan ook als geheel merkbaar magnetisch wanneer het externe magnetische veld wordt uitgeschakeld en men observeert remanentie. Bij paramagneten verdwijnt daarentegen de magnetisatie onmiddellijk, wanneer het externe veld wordt uitgeschakeld.

Een demagnetisatie van een gemagnetiseerd ferromagnetisch lichaam kan worden bereikt wanneer de georiënteerde elektronspins opnieuw worden gemengd.

Dit kan worden bereikt door hitte (verwarming boven de zogenaamde Curie-temperatuur), door sterke schokken of door een magnetisch veld met omgekeerde polarisatie.