Permeabiliteit

Basisprincipes

Onder permeabiliteit (Latijn permeare = doorlaten) verstaat men algemeen de doorlaatbaarheid van materie. Dienovereenkomstig duidt de magnetische permeabiliteit μ de doorlaatbaarheid van materie voor de magnetische flux aan.

De grootte van een magneetveld H kan worden uitgedrukt met behulp van de magnetische fluxdichtheid B en de magnetische permeabiliteit μ.

Algemeen geldt:

\(H=\frac{1}{\mu}B\).

Daarbij wordt de magnetische permeabiliteit geschaald via een natuurconstante, de zogenaamde magnetische veldconstante \(\mu_0=4\pi\cdot10^{-7}Vs/Am\). Voor elk materiaal kan dan de magnetische permeabiliteit worden gedefinieerd via een relatieve magnetische permeabiliteit (ook permeabiliteitsgetal genoemd) μ_r en de magnetische veldconstante μ₀: μ=μ_r•μ₀.

Voor het vacuüm geldt per definitie μ_r = 1 en dus:

\(H_0=\frac{1}{\mu_0}B_0\).

De magnetische fluxdichtheid in vacuüm (B₀) kan door de magnetische veldconstante μ₀ worden gedeeld, om het overeenkomstige magneetveld in vacuüm (H₀) te verkrijgen. In vacuüm komt een magnetische fluxdichtheid van B₀ = 1 Tesla (1 Vs/m²) dus overeen met een magneetveld van \(H_0=\frac{10^7}{4\pi} A/m\).

Materie beïnvloedt magneetvelden zodanig dat onder invloed van een extern magneetveld in materie een magnetische fluxdichtheid ontstaat, die afhangt van de magnetische permeabiliteit μ van het materiaal. De magnetische fluxdichtheid in materie is dan bijzonder groot wanneer de magnetische permeabiliteit μ bijzonder groot is.

Het permeabiliteitsgetal μ_r kan via het verband B=μ_r•B₀ door de vacuümfluxdichtheid B₀ worden gedefinieerd. Daarbij komt B overeen met de magnetische fluxdichtheid die zich onder invloed van de materie vormt.

Met de definitie B=μ_r•B₀ volgt dat materie magneetvelden versterkt wanneer μ_r groter dan 1 is en magneetvelden verzwakt wanneer μ_r kleiner dan 1 is. Beide gevallen zijn bekend.

Permeabiliteit bij ferromagnetische stoffen

Ferromagnetische stoffen bezitten microscopische elektronspins, welke in een extern magnetisch veld worden uitgelijnd. Daardoor ontstaat er buiten de stof een extra magnetisch veld, dat wordt veroorzaakt door de uitgelijnde magnetische momenten van de elektronspins. Dit magnetische veld kan vele grootteordes sterker zijn dan het externe magnetische veld dat de elektronspins heeft uitgelijnd.

Zodra de elektronspins eenmaal zijn uitgelijnd, wordt de uitlijning in ferromagneten door de zogenaamde uitwisselingsinteractie gestabiliseerd. μ_r wordt daardoor zeer groot en bedraagt in speciale ferromagnetische materialen (zogenaamde amorfe metalen) tot μ_r = 150 000. IJzer heeft een permeabiliteit van ongeveer μ_r = 10 000.

Deze gehele waarden in de literatuur zijn strikt genomen altijd waarden van de relatieve permeabiliteit of het permeabiliteitsgetal μ_r. In de literatuur vindt men vaak vereenvoudigend de aanduiding μ. Eigenlijk wordt hiermee echter μ_r bedoeld.

Permeabiliteit bij paramagnetische stoffen

Daarnaast zijn er paramagneten, waarin ook elektronspins voorkomen die kunnen worden uitgelijnd. Deze uitlijning wordt in paramagneten echter niet gestabiliseerd. Daarom zijn paramagneten slechts lichte magnetische veldversterkers. μ_r ligt hier in de orde van 1,00001.

Permeabiliteit bij diamagnetische stoffen

Ten slotte zijn er nog de diamagneten. Deze verzwakken het externe magnetische veld, omdat er binnenin geen permanente resulterende elektronspins zijn die in het externe magnetische veld kunnen worden uitgelijnd. In plaats daarvan wordt bij penetratie van een extern magnetisch veld een stroom geïnduceerd, die volgens de Lenz-regel tegengesteld is aan zijn oorzaak en dus het externe magnetische veld verzwakt. Diamagnetisme treedt in materie in principe op, maar in para- en ferromagneten wordt het diamagnetisme overschaduwd door de uitgelijnde elementaire magneten.

Bijzondere gevallen: Supergeleiders

Een bijzonder geval vormen nog de supergeleiders. Want supergeleiders hebben een permeabiliteitsgetal van nul. Hierdoor verdwijnt de magnetische fluxdichtheid in de supergeleider. Supergeleiders hebben dus geen doorlaatbaarheid voor magnetische flux. De veldlijnen worden volledig uit de supergeleider verdrongen en lopen eromheen.

Supergeleiders worden daarom ook wel perfecte diamagneten genoemd.