Magnetisme

Veel van onze Magnetisme van A-Z pagina's bevatten formules, die uitsluitend met Javascript kunnen worden getoond. Wij raden u daarom aan, Javascript voor het bekijken van deze pagina's in te schakelen.

Wat is magnetisme?

Magnetisme is een overkoepelende term voor alle verschijnselen, die kunnen worden teruggeleid tot magnetische krachten. In de geschiedenis werden magnetische krachten voor het eerst bij stenen uit de Griekse stad Magnesia waargenomen. De magneet resp. het magnetisme zijn naar deze Griekse stad Magnesia benoemd. De natuurkundige achtergrond van magnetische en elektrische krachten werd pas in de 19e eeuw opgelost en in 1864 door James Clerk Maxwell met behulp van de Maxwell-vergelijkingen wiskundig geformuleerd.

Inhoudsopgave

Geschiedenis van het magnetisme

Men verstaat onder magnetisme het natuurkundige verschijnsel van magnetische krachten. Al in 500 v. Chr. herkenden de Grieken elektrische en magnetische aantrekkings- en afstotingskrachten. Zo bestaan er bewijzen van de observatie van elektrische aantrekkingskrachten tussen papiersnippers en gewreven bernsteen. De hierbij werkende krachten ontstaan door de elektrostatische opalding van het gewreven bernsteen. Thales van Milet beschreef 500 v. Chr. in het oude Griekenland de krachtwerkingen van stenen uit de stad Magnesia op ijzeren deeltjes. De vindplek bij Magnesia gaf de naam aan het fenomeen magnetisme. Er wordt zelfs aangenomen, dat de Chinesen al 800 v. Chr., 300 jaar voor de Griekse vastgelegde waarnemingen, de krachten van de magneetsteen herkenden. Om 1000 na Christus werd in China al een eerst primitief kompas ontwikkeld.

Veel onderzoekers hielden zich sinds de renaissance (rond 1500) bezig met het verschijnsel magnetisme. Hierbij traden vaak verwisselingen op tussen magnetisme en elektriciteit. Omgekeerd beoordeelden bepaalde onderzoekers de beide fenomenen als principieel verschillend. Coulomb bevestigde in 1785, dat er in tegenstelling tot de elektriciteit onmogelijk is, om een magneet in zijn noord- en zijn zuidpool te scheiden. Als een permanente magneet breekt, krijgt men telkens weer kleinere magneten met elk een noord- en een zuidpool.

In 1820 stelde Oersted, die het verschil tussen elektriciteit en magnetisme kende, de samenhang tussen elektrische en magnetische krachten vast, toen hij de afleiding van een kompasnaald door een stroomdoordrenkte draad ontdekte.

Maxwellvergelijkingen: De basisvergelijkingen van het magnetisme

Een volledige verklaring van alle elektrische en magnetische verschijnselen in fysisch-mathematisch exacte zin vond pas in 1864 plaats door de natuurkundige James Clerk Maxwell. Hij schreef de naar hem vernoemde Maxwellvergelijkingen op, welke de elektrische en magnetische velden alsook de resulterende krachten volledig beschrijven. De basisvergelijkingen van magnetisme zijn twee van de vier Maxwellvergelijkingen, welke de vectorvelden van de magnetische fluxdichtheid beschrijven.

Deze beide tijdsafhankelijke Maxwellvergelijkingen voor het verband tussen de magnetische fluxdichtheid \(\vec{B}\) met de stroomdichtheid \(\vec{j}\) en de verandering van de elektrische veldsterkte \(\dot{\vec{E}}\) luiden:

\(\nabla\cdot\vec{B} = 0\)
en

\(\nabla{\times{\vec{B}}} =\mu_0\cdot\vec{j}+\frac1{c^2}\dot{\vec{E}}\).

Daarbij treden de permeabiliteitsconstante van het vacuüm \(\mu_0\), de stroomdichtheid \(\vec{j}\) en de lichtsnelheid c op.

Volgens de Maxwellvergelijkingen zijn er alleen gesloten magnetische veldlijnen. Dit wordt door de vergelijking \(\nabla\cdot\vec{B} = 0\) beschreven. De vergelijking geeft aan dat het "open" deel van de veldlijnen, dat is de zogenaamde divergentie van het magnetische veld, gelijk aan nul is. Wiskundig is dit gelijkwaardig eraan dat er geen magnetische monopolen, dus magneten met alleen een noordpool of alleen een zuidpool bestaan.

\(\nabla{\times{\vec{B}}} =\mu_0\cdot\vec{j}+\frac1{c^2}\dot{\vec{E}}\) geeft aan dat gesloten magnetische veldlijnen hetzij door stromen \(\vec{j}\) worden veroorzaakt, dus door bewegende ladingen, hetzij in het algemeen door de verandering van een elektrisch veld \(\dot{\vec{E}}\). Laatstgenoemde is relevant voor de beschrijving van elektromagnetische golven, die zich als wederzijds opwekkende elektrische en magnetische trillingen in de ruimte verspreiden. De laatstgenoemde vergelijking verklaart de observatie van Oersted: De magnetische kompasnaald is zelf een kleine permanente magneet. De doorstroomde draad veroorzaakt echter magnetische veldlijnen, die met het magnetische veld van de kompasnaald wisselwerken en een kracht op de naald uitoefenen.

Van ladingen zelf gaan opnieuw elektrische krachten uit. Dit beschrijven eveneens twee Maxwellvergelijkingen:

\(\nabla\cdot\vec{E} = \frac\rho\epsilon_0\)
en

\(\nabla{\times{\vec{E}}}+\dot{\vec{B}} = 0\).

Hierbij duidt ρ de ladingsdichtheid aan als belangrijkste bron van het elektrische veld \(\vec{E}\). ε₀ duidt de diëlektrische constante van het vacuüm aan. Gesloten veldlijnen (rotaties) van het elektrische veld \(\nabla{\times{\vec{E}}}\) worden analoog aan gesloten magnetische veldlijnen door de verandering van de magnetische flux \(\dot{\vec{B}}\) veroorzaakt.

Een duidelijke scheiding van elektriciteit en magnetisme en tegelijkertijd de verenigde beschrijving van elektriciteit en magnetisme in de natuurkunde werd voor het eerst door de Maxwellvergelijkingen gerealiseerd. Hier worden de krachten van elektriciteit en magnetisme door velden, namelijk magnetische velden en elektrische velden, verklaard.

De afbeelding toont schematisch het magnetische veld van een stroom I (links) (in de Maxwell-vergelijkingen duidt j de stroomdichtheid aan, dus de stroom gerelateerd aan het oppervlak). Het magnetische veld omringt de geleider in gesloten wervelingen. Dienovereenkomstig ontstaat het magnetische veld van een leidinglus (midden). Veel leidinglussen samen (in 'gestapelde' vorm) resulteren in het magnetische veld van een spoel. Dit is identiek aan het magnetische veld van een permanente magneet (rechts). In een permanente magneet of in principe in gemagnetiseerd materiaal zijn de elektronspins parallel georiënteerd. Dit is gelijkwaardig aan vele kringstromen met onderling parallel georiënteerde bijbehorende magnetische momenten. Het externe magnetische veld ontstaat dan door de superpositie van de bijdragen van alle elementaire magnetische momenten.

Vandaag de dag spreekt men over de theorie van het elektromagnetisme. De theorie van tijdafhankelijke velden van elektriciteit en magnetisme wordt aangeduid als elektrodynamica. In de elektrodynamica worden dus magnetisme en elektriciteit volledig behandeld.

De werking van magnetische velden op materie wordt beschreven door zogenaamde "materiaalparameters" zoals de magnetische permeabiliteit μ. Dit kan ook worden berekend via de Maxwell-vergelijkingen. Daarvoor moeten ook effecten zoals magnetisering en elektrische polarisatie in de vergelijkingen worden geïntegreerd. Tegenwoordig zijn vooral een toenemende nauwkeurigheid bij de bepaling van de materiaalparameters en de behandeling van kwantumobjecten in de kwantumelektrodynamica aan de klassieke elektrodynamica toegevoegd en actuele onderzoeksgebieden.

In 2007 werd de ontdekking van de zogenaamde reuzenmagneetweerstand door de fysicus Grünberg bekroond met de Nobelprijs.

Auteur:
Dr. Franz-Josef Schmitt

Dr. Franz-Josef Schmitt is natuurkundige en de wetenschappelijke leider van het natuurkundepracticum voor gevorderden aan de Martin-Luther-Universiteit Halle Wittenberg. Hij werkte van 2011 tot 2019 aan de Technische Universiteit en leidde diverse onderwijsprojecten en het scheikundeprojectlab. Zijn onderzoek richt zich op tijdgeresolveerde fluorescentiespectroscopie van biologisch actieve macromoleculen. Hij is ook algemeen directeur van Sensoik Technologies GmbH.

Het auteursrecht op de complete inhoud van het compendium (teksten, foto's, afbeeldingen etc.) ligt bij de auteur Franz-Josef Schmitt. Het exclusieve gebruiksrecht van het werk ligt Webcraft GmbH, Zwitserland (als exploitant van supermagnete.de). Zonder uitdrukkelijke toestemming van Webcraft GmbH mag de inhoud noch worden gekopieerd, noch op andere wijze worden gebruikt. Uw suggesties ter verbetering of uw lof aangaande het compendium stuurt u alstublieft per e-mail aan [email protected]
© 2008-2025 Webcraft GmbH