Door S. Hussain Ather • Bijgewerkt op 30 augustus 2022

Magneten duwen elkaar soms weg en trekken op andere momenten samen. Het begrijpen van de subtiele fysica die dit gedrag regelt, is essentieel voor alles, van elektrische motoren tot medische beeldvormingsapparatuur.

De basisprincipes van magnetische polen

Net als elektrische ladingen zijn er twee soorten magnetische polen:noord (N) en zuid (S). Een noordpool trekt altijd een zuidpool aan, terwijl twee noordpolen of twee zuidpolen elkaar afstoten. Deze eenvoudige regel ligt ten grondslag aan de werking van kompassen, magnetische lagers en vele industriële toepassingen.

Magnetische krachten op bewegende ladingen

Wanneer geladen deeltjes bewegen, genereren ze magnetische velden die krachten uitoefenen op andere bewegende ladingen. De wet van Biot-Savart kwantificeert deze interactie:

F = \frac{\mu_0 q_1 q_2}{4\pi |r|^2} \; v_1 \times (v_2 \times r)

Hier geldt μ₀ =12,57×10⁻⁷H/m is de vacuümpermeabiliteit, q₁ en q₂ zijn de kosten, v₁ en v₂ hun snelheden, en r de scheidingsvector. Het kruisproduct geeft aan dat de kracht afhangt van de relatieve bewegings- en scheidingsrichtingen.

In tegenstelling tot elektrische krachten werken magnetische krachten alleen op bewegende ladingen en nooit op statische magnetische monopolen – deeltjes die slechts één magnetische pool zouden bezitten. Er is nog geen experimenteel bewijs voor dergelijke monopolen gevonden.

Aantrekking versus afstoting:vectorrichting is belangrijk

Het teken van het kruisproduct bepaalt of twee bewegende ladingen elkaar aantrekken of afstoten. Als de resulterende krachtvectoren naar elkaar toe wijzen, trekken de ladingen elkaar aan; als ze wegwijzen, stoten de ladingen af. Hetzelfde principe geldt voor macroscopische magneten:de oriëntatie van hun magnetische momenten bepaalt of ze duwen of trekken.

Interactie tussen stroomvoerende draden

Stroom in een draad produceert een magnetisch veld dat kan worden gevisualiseerd met de rechterhandregel. Wijs met uw duim in de richting van de conventionele stroom; je gekrulde vingers geven de veldrichting aan. Twee parallelle draden die stromen in dezelfde richting geleiden, trekken elkaar aan, terwijl stromen in tegengestelde richtingen elkaar afstoten – een effect dat wordt uitgebuit in elektromagneten en magnetische levitatie.

De Lorentz-krachtwet breidt dit idee uit naar geladen deeltjes die door externe velden bewegen:

F = qE + qv \times B

waarbij E is het elektrische veld, B het magnetische veld, en v de snelheid van het deeltje. Het kruisproduct bepaalt opnieuw de richting van de magnetische component.

Magnetische dipolen en koppel

Elke magneet gedraagt zich als een kleine dipool met een magnetisch moment m . Wanneer geplaatst in een extern veld B , ervaart het een koppel:

τ = m \times B = |m||B|\sin\theta

Dat koppel lijnt de dipool uit met het veld, zoals te zien is in een kompasnaald die naar het geografische noorden wijst. De potentiële energie van een dipool in een veld is U = -m\cdot B = -|m||B|\cos\theta , en bereikt een minimum wanneer de dipool op één lijn staat met het veld.

Materialen:diamagnetisme versus paramagnetisme

Atomen met ongepaarde elektronen (paramagneten) worden aangetrokken door magnetische velden, terwijl atomen met alleen gepaarde elektronen (diamagneten) worden afgestoten. Zuurstofgas (O₂) is paramagnetisch, terwijl stikstofgas (N₂) diamagnetisch is. Het gedrag komt voort uit de interactie van atomaire magnetische dipolen met externe velden.

Praktisch voorbeeld:neodymiummagneet en stalen schroevendraaier

Wanneer een sterke neodymiummagneet langs een stalen schroevendraaier wordt bewogen, wordt de schroevendraaier tijdelijk gemagnetiseerd. Als je de magneet verwijdert, blijft er een restmagnetisme achter:een realistisch voorbeeld van magnetische inductie en de aantrekkingskracht tussen uitgelijnde dipolen.

Door deze principes te begrijpen, kunnen ingenieurs en wetenschappers efficiëntere motoren ontwerpen, magnetische lagers beveiligen en geavanceerde medische beeldvormingssystemen gebruiken.