Magnetisme
De Grieken berichten 2000 jaar geleden al over een steen genaamd Magnes, die op wonderbare wijze ijzeren voorwerpen zou kunnen aantrekken.
Het raadsel van de magnetische steen uit de oudheid is inmiddels opgelost. De Grieken waren in aanraking gekomen met het ijzererts magnetiet. De huidige naam is van het woord Magnes afgeleid.
Waarom bepaalde metalen magnetisch zijn
De Grieken benoemde het magnetiet naar Magnus, een schaapsherder die ontdekte dat een bepaald materiaal aangetrokken werd door de spijkers in zijn schoenen. Later is hier het woord magneet uit afgeleid. Magnetiet behoort, naast Hematiet tot de meest gesmolten ijzerertsen en heeft in natuurlijke staat al magnetische eigenschappen.
Met de term "magnetisch" wordt eigenlijk "ferromagnetisch" bedoel. Er zijn slechts een beperkt aantal elementen die ferromagnetische eigenschappen bezitten. De meest bekende zijn ijzer, kobalt en nikkel.
In deze materialen zijn microscopisch kleine gebiedjes, zogenaamde gebieden van Weiss, magnetisch waarbij de richting willekeurig is. Doordat de gebieden elkaars magnetisme opheffen zijn de materialen van zichzelf niet of slechts beperkt magnetisch. Deze gebiedjes, domeinen genoemd, kunnen door een extern magnetisch veld in dezelfde richting geforceerd worden, waardoor het gehele materiaal magnetisch wordt. Na het wegvallen van het externe veld blijft het magnetisme nog een beperkte tijd aanwezig.
Curietemperatuur (Tc) of Curiepunt
Als de temperatuur boven een bepaald punt uitstijgt trillen de atomen zo heftig, dat de evenwijdige polarisatie van de atomen teniet wordt gedaan. Tijdens het oplopen van de temperatuur neemt de magnetische sterkte af tot het punt waarop geen magnetisme meer aanwezig is. Dit punt wordt de Curietemperatuur (Tc) of het Curiepunt genoemd.
| Element | Currietemperatuur (°C) | Currietemperatuur (°F) |
| Staal | 770 | 1.418 |
| Kobalt | 1.115 | 2.039 |
| Nikkel | 354 | 669 |
| Gadolinium | 19 | 66 |
| Dysprosium | -185 | -301 |
|
Bariumferriet (Ba, Fe) Ba-Fe permanent magneten |
450 | 842 |
|
Neodymium (Nd) Nd-Fe-B permanent magneten |
310 ... 400 | 590 ... 752 |
|
Aluminium - Nikkel - Cobalt (Al, Ni, Co) Permanent magneten onder de merknaam Alnico |
700 ... 860 | 1.292 ... 1.580 |
|
Samarium-Kobalt (Sm, Co) Sm-Co permanent magneten |
720 ... 800 | 1.328 ... 1.472 |
|
Strontium - Ferriet (Sr, Fe) Sr-Fe permanent magneten |
450 | 842 |
Terminologie
Bij het verdiepen in wat (ferro)magnetisme is, kom je al snel terecht bij ingewikkelde teksten over kwantumfysica, en moeilijke termen.
Hierbij wat uitleg over enkele termen.
Paramagnetisch materiaal is materiaal wat van zichzelf niet magnetisch is, maar wel wordt aangetrokken door een magneet. In paramagnetische materialen zijn uiterst kleine gebiedjes, spins genoemd, aanwezig die zich als magneten gedragen. Deze gebiedjes zijn slechts enkele tientallen atomen groot. Zonder invloed van een extern magnetisch veld zijn deze spins willekeurig gerangschikt. De kleine magnetische velden die zij elk hebben heffen elkaar op door de willekeurige rangschikking. Zodra er een extern magnetisch veld in de buurt van een paramagnetisch materiaal komt, wordt een deel van de spins gerangschikt en wordt het materiaal (zwak) aangetrokken door de magneet. Zodra het magnetisch veld vervalt, vervalt ook het magnetisch gedrag van paramagnetische stoffen.
Voorbeelden van paramagnetische stoffen zijn zuurstof (O2) en aluminium.
Diamagnetisch materiaal is in principe het tegenovergestelde van paramagnetisch materiaal. Het materiaal stoot juist af tegen een magnetisch veld, ongeacht de pool van het externe veld. De afstotende kracht van diamagnetische materialen is zwak.
Diamagnetisch materialen zijn bijvoorbeeld grafiet, glas en bismut.
Een groot deel van de metalen is noch paramagnetisch, noch diamagnetisch maar pauliparamagnetisch. Hierbij is het aandeel vrije spins in het materiaal dat zich naar het externe magnetische veld kan richten, en dus paramagnetisch wordt, dusdanig klein, dat het diamagnetische gedeelte, waarbij de spins willekeurig georiënteerd blijft, de overhand houdt.
Een bekend voorbeeld van pauliparamagnetisch materiaal is goud.
Magneetvelden
Magneten, gemagnetiseerde objecten en elektromagneten (coils) genereren velden, waardoor krachten worden overgebracht. Het magneetveld word door veldlijnen gekarakteriseerd die tussen de noord- en de zuidpool van de magneet lopen. Afhankelijk van de richting van de magnetische kracht zullen de magneten elkaar aantrekken of afstoten. Deze eigenschappen kunnen technisch worden benut.
Technische toepassing
Permanente of elektromagneet – onze moderne wereld kan niet zonder hen. Zij bevinden zich in televisies, mobiele telefoons, in meetapparaten, worden in de medische sector toegepast en zijn elementaire delen in de machinebouw. In deze context zijn elektromotoren, transformatoren, remsystemen en magneetlagers slechts enkele voorbeelden van magneten in de industrie.
Al deze voorbeelden zijn alleen gebaseerd op deze drie basisprincipes:
- Genereren van mechanische krachten
- Omzetten van energie
- Afscherming of koppelen van elektromagnetische velden
Geheel naar de gewenste toepassing stelt elk van deze principes een uitdaging aan de gebruikte materialen. Niet altijd is magnetiseren gewenst. Vooral bij het afschermen van magneetvelden moeten de materialen niet op magneetvelden reageren. Aluminium en koper laten zich niet magnetiseren. Bij staal is dat een heel ander geval.
Misvattingen
Waarom zijn sommige staalsoorten magnetisch en andere niet? Deze vraag wordt ons vaak gesteld en ook op internetfora en blogs wordt hier over gediscussieerd.
Als verklaring worden deze misvattingen het vaakst genoemd:
- Een bijzonder hoge zuiverheid van de legering.
Het vereist een zo laag mogelijke concentratie van staal begeleidende elementen, zoals zwavel of fosfor om magnetisatie te voorkomen. Dit is fout! Deze elementen hebben geen invloed op de magnetische eigenschappen. Ze worden zeer laag gehouden omwille van de kwaliteit van roestvrij staal, omdat ze het materiaal broos maken.
- Roestvast staal is niet magnetisch
Hardnekkig is het gerucht dat roestvrij staal niet magnetisch is. Dit is niet altijd het geval. Er bestaan ook magnetische roestvaste staalsoorten. Of staal roestvast is of niet is afhankelijk van het chroomgehalte en dit beïnvloedt de magnetische eigenschappen van het materiaal op geen enkele wijze. De verschillende RVS soorten zijn onderverdeeld in verschillende groepen. De ferritische, martensitische en duplex varianten kunnen in meer of mindere mate magnetisch zijn. Zelfs de austeitische varianten kunnen door verschillende (oppervlakte-)bewerkingen onbedoeld licht magnetisch raken.
Hoe het werkelijk zit!
Of een staalsoort magnetisch is, is uitsluitend een kwestie van de structuur. In ons artikel over het ijzer-koolstof-diagram worden de verschillende structuursoorten uitvoerig behandelt.
Staalsoorten die een ferritische of een martensitische structuur hebben zijn magnetisch. Niet of slechts in minimale mate magnetisch zijn daarentegen de staalsoorten met een austenitische structuur. Bevat een staalsoort een gemengde structuur van ferriet en austeniet, dan bepaalt het ferritische aandeel de magnetische eigenschappen van het staal.