Magnetisme — ’s mensen machtige en veelzijdige dienaar
MAGNETISME — wat zou het moderne leven zijn zonder dit verschijnsel? Het brengt ons de elektriciteit waarmee we onze huizen en wegen verlichten, waarmee we ons voedsel verwarmen en nog vele andere bezigheden verrichten! We zouden niet kunnen genieten van mooie muziek op de radio of een leuk televisieprogramma of zelfs maar per telefoon een vriend bereiken, ware het niet dat er magnetisme bestond.
Nauw verbonden met dit bijzondere verschijnsel is een ijzererts dat door de Chinezen werd betiteld als „de steen die ijzer oplikt”. Zeelieden gaven het de naam zeilsteen, een steen om te gebruiken bij het zeilen. Wij noemen het een magneet, een naam die is afgeleid van de naam van het ijzererts magnetiet, dat in overvloed voorhanden was in Magnesia, een landstreek in Klein-Azië. Ongeacht echter de naam van dit ijzererts, de mysterieuze kracht die het bezat, maakte het even kostbaar als goud. Koningen raakten erdoor gefascineerd. En zeelieden navigeerden met behulp van een kleine schilfer ervan over de wereldzeeën. De heidenen dachten dat de goden deze steen hadden gezonden om hen te leiden. Maar ondanks alle aandacht die dit gesteente ontving, kan niemand in de oudheid hebben voorzien welke geweldige mogelijkheden er in het verschijnsel dat wij magnetisme noemen, lagen besloten.
Tegenwoordig is het bijzonder eenvoudig om aan een magneet te komen. Hoewel een natuurmagneet van magnetiet niet algemeen voorhanden is, kan men nu voor een luttel bedrag krachtige door mensen vervaardigde magneten kopen. Al menig kind heeft zich uren geamuseerd met een stel kleine magneten. Ja, tegenwoordig komen magneten zoveel voor dat men er vaak ongemerkt aan voorbijgaat.
Maar wat is nu feitelijk magnetisme? Hoe is het op ons van invloed? En wat is de bron van dit mysterieuze verschijnsel? Laten we deze veelzijdige en machtige dienaar van de mens eens nader beschouwen.
Kenmerken van magnetisme
Enkele experimenten met twee staafvormige magneten zullen ons bepaalde fundamentele kenmerken van het magnetisme onder de aandacht brengen. Leg over de eerste magneet een stuk papier en strooi wat ijzervijlsel (van een spijker bijvoorbeeld) over het papier. Betik het papier enkele keren met de top van uw vinger en het ijzervijlsel zal zich volgens een vreemd patroon gaan rangschikken. Merk op dat alle stukjes vijlsel zichzelf rangschikken in lijnen die vanuit het ene eind van de magneet in het andere eind schijnen te lopen. Wat we hier waarnemen is slechts een klein deel van het magnetische veld. Deze onzichtbare lijnen van magnetische kracht omgeven de magneet volledig, in alle richtingen. De gebieden aan de beide uiteinden van de magneet, waar de lijnen bij elkaar komen, noemt men de polen van de magneet. Elke magneet heeft twee polen die niet van elkaar gescheiden kunnen worden. Als we onze staafmagneet in tweeën zouden delen, zou het resultaat niet twee halve magneten zijn met elk één pool. Nee, we zouden weer twee volledige magneten bezitten, met elk twee polen, zoals die ook bij de oorspronkelijke magneet aanwezig waren.
Nu we het magnetische veld hebben vastgesteld en de twee polen van de magneet hebben geïdentificeerd, zullen we een ander interessant aspect van het magnetisme beschouwen. Bind een touwtje om het midden van de magneet en laat hem vrij in de lucht hangen. U zult opmerken dat een van de einden van de magneet net zolang zal draaien tot hij naar het noorden wijst. Draai hem weg en hij zal opnieuw terugzwaaien naar het noorden. De pool van de magneet die naar het noorden wijst, wordt de noordpool en de pool die naar het zuiden wijst, de zuidpool genoemd. Deze eigenschap van het magnetisme is de basis voor het kompas. Maar wat is de oorzaak van dit verschijnsel?
Om dat te ontdekken hebben we de tweede magneet nodig. Laten we eerst op beide magneten de noordpool met een N en de zuidpool met een Z markeren. Neem ze nu alle twee in de hand en beweeg de noordpool van de ene in de richting van de zuidpool van de andere. Wat gebeurt er? Er schijnt een onzichtbare kracht te werken die ze naar elkaar toetrekt. Keert men een van de magneten echter om, zodat twee noord- of twee zuidpolen naar elkaar toe zijn gericht, dan lijkt er een kracht te bestaan die ze van elkaar wegduwt. Dit demonstreert een onveranderlijke wet van het magnetisme, namelijk, dat tegengestelde polen elkaar aantrekken en gelijknamige polen elkaar afstoten.
Dat vormt ook de verklaring voor het feit dat één einde van een magneet altijd naar het noorden zwaait. De aarde heeft namelijk zelf ook een magnetisch veld, net als de staafmagneet. Dit veld strekt zich tot ver in de ruimte uit en komt bij de polen van de aarde samen.
De meest bekende eigenschap van magneten is waarschijnlijk wel hun vermogen om metalen aan te trekken. Niet alle metalen worden echter door een magneet aangetrokken. Brons, aluminium, goud en zilver ondervinden geen aantrekkingskracht, terwijl dit met ijzer, staal, nikkel, kobalt, chroom en andere metalen, zij het in wisselende mate, wel het geval is. Interessant is daarbij dat de aantrekkende kracht van beide polen even groot is. Een ijzeren spijker, om maar een voorbeeld te noemen, zal even sterk door de noord- als door de zuidpool van onze staafmagneet worden aangetrokken.
Ons onderzoek van deze basiskenmerken van het magnetisme, laat ons echter wel zitten met enkele belangrijke vragen die nog niet zijn beantwoord. Wat is de bron van het magnetisme? En waarom zijn niet alle metalen magnetisch?
De bron van het magnetisme
Voor het beantwoorden van bovenstaande vragen zullen we onze blik moeten wenden naar de bouwstenen van alle materie, de atomen, bestaande uit een kern van dicht opeengepakte protonen en neutronen met daaromheen een rondcirkelend aantal elektronen — in elke stof weer een ander aantal. Deze rondcirkelende beweging van de elektronen (zo ongeveer als de planeten in een baan om de zon bewegen), alsook de wenteling die ze om hun eigen as uitvoeren, verwekken een bijzonder zwak magnetisch veld binnen het atoom. De meeste elektronen zijn dusdanig gepaard dat hun magnetische velden elkaar uitdoven. Wanneer alle elektronen in een atoom gepaard zijn, is het netto-magnetische veld gelijk aan nul. Metalen met dergelijke atomen zijn niet-magnetisch.
Maar als het atoom ook ongepaarde elektronen bezit, heeft het een netto-magnetisch moment zoals de geleerden het noemen. De sterkte van dit magnetische moment bepaalt hoe de atomen in het vaste metaal zich zullen rangschikken. In de meeste metalen is de wanordelijke beweging van de atomen bij gewone temperaturen groot genoeg om de magnetische krachten de baas te blijven en de atomische magneten elke willekeurige richting uit te laten wijzen. Het netto-resultaat van de magnetische velden van een groot aantal atomen komt dan neer op nul.
Anders wordt het echter wanneer zulke metalen in een magneetveld worden geplaatst, dan kan de stof magnetisch worden. Chroom is zo’n metaal. Onder invloed van een uitwendig magneetveld gaan de atomen zich in parallelle rijen rangschikken. Maar zodra het metaal uit het magneetveld wordt gehaald, heeft de warmtebeweging weer de overhand en verdwijnt de ordelijke rangschikking. Chroom verliest dus zijn magnetisme. Dergelijke metalen die geen magnetisme kunnen vasthouden, worden para-magnetisch genoemd.
In tegenstelling daarmee zijn er enkele metalen, waaronder ijzer, kobalt en nikkel, waarbij de individuele atomen een veel sterker magnetisch moment vertonen. Zo sterk zelfs dat wanneer deze metalen na gesmolten te zijn, weer gaan stollen en de atomen zich tot kristallen verenigen, de atomen de invloed van hun buren voelen en er groepjes atomen ontstaan met parallel gerangschikte magnetische assen. Elk afzonderlijk groepje vormt aldus een kleine magneet. Deze groepjes zijn echter zo microscopisch klein en onderling weer zo wanordelijk gerangschikt dat een pas gestold ijzeren voorwerp — bijvoorbeeld een spijker — toch geen magnetisme vertoont.
Gebeurt het echter dat zo’n stuk ijzer in een magnetisch veld wordt geplaatst, dan vertonen de groepen die reeds in richting overeenstemmen met dat magnetische veld, de neiging uit te groeien ten koste van anders gerichte naburige groepen, doordat ze naburige atomen tot een parallelle stand dwingen. Deze werking wordt nog versterkt als men het metaal verhit of door trekkracht onder spanning zet. De ordening die aldus ontstaat, blijft bestaan, ook wanneer het stuk ijzer weer uit het magnetische veld wordt gehaald. Aldus is het metaal een permanente magneet geworden. De metalen die op deze wijze permanent zijn te magnetiseren, worden ferro-magnetisch genoemd. De ijzeratomen in het metaalerts magnetiet zijn kennelijk gericht door het magnetische veld van de aarde, in de tijd dat dit erts aan het stollen was.
Hoe groter de groepen die hetzelfde gericht worden als het magnetische veld, en hoe kleiner de groepen die willekeurig zijn gerangschikt, des te krachtiger zal de ontstane permanente magneet zijn. De geleerden hebben ontdekt dat door het toepassen van warmte of trek op het metaal wanneer het zich in een krachtig magneetveld bevindt, het maximaal mogelijke aantal atoomgroepen permanent gemagnetiseerd kan worden. Op die manier kunnen op betrekkelijk goedkope wijze permanente magneten van grote sterkte worden vervaardigd.
Hemelmagnetisme
Zoals reeds eerder werd vermeld, is de aarde zelf één grote magneet. Wat is de oorzaak van het magnetische veld van onze aardbol? Sommigen hebben verondersteld dat dit veld te danken is aan de natuurlijke magnetische ertsen in de aarde. Met andere woorden, zij beschouwden de aarde als één grote permanente magneet. Maar in recentere tijd is men aan de weet gekomen dat het inwendige van de aarde een bijzonder hoge temperatuur bezit, en dat sluit die mogelijkheid uit.
Tegenwoordig is de meest algemeen aanvaarde verklaring dat het magnetische veld van onze aarde wordt veroorzaakt door elektrische stromen in de kern van de aarde die op de een of andere wijze verband houden met de wenteling van de aarde om zijn as. Er bestaan ook aanwijzingen dat andere planeten een magnetisch veld bezitten. Vooral Jupiter heeft een veld dat veel sterker is dan dat van de aarde. De zon zelf heeft een buitengewoon krachtig magneetveld. En zelfs ons melkwegstelsel met onze zon en zo’n honderd miljard andere sterren vertoont tekenen dat het een magneetveld bezit.
De rol die het aardmagnetische veld speelt bij de bescherming van het leven, is nog niet zo lang geleden door de geleerden aan het licht gebracht. Een voorbeeld hiervan houdt verband met de reusachtige magnetische stormen die op de oppervlakte van onze zon plaatsvinden (en die zich manifesteren als de bekende „zonnevlekken”). De reusachtige gebieden van de zon met geconcentreerde magnetische velden in de hete zonneatmosfeer zijn groter dan de aarde zelf en hebben een sterkte die die van het magneetveld van onze aarde duizenden malen overtreft. De zon stoot voortdurend een stroom van geladen elektrische deeltjes de ruimte in, die gezamenlijk de zogenaamde „zonnewind” vormen. Deze „wind” zou het aardse leven verwoesten, ware het niet dat ons magneetveld de zonnedeeltjes al in de ruimte opvangt voordat ze zelfs maar in de buurt van onze atmosfeer komen. Het buigt hun banen af tot spiraalpaden rond de magnetische veldlijnen en leidt ze via een smalle corridor aan de noord- en zuidpool door de atmosfeer. Wanneer er op de zon een hevige magnetische storm woedt, kunnen we kort daarna een aardmagnetische storm verwachten, die radarsystemen, radioverbindingen en zelfs de elektriciteitsvoorziening kan verstoren. Wat ook ontstaat zijn de grote ’vuurwerken’ in de vorm van het ’noorder-’ en ’zuiderlicht’.
Het magnetische veld van de aarde draagt tevens bij tot onze bescherming tegen de schadelijke kosmische straling, door die naar de poolstreken af te buigen. En waarschijnlijk beseffen we nog nauwelijks in hoeveel andere opzichten dit magnetische „kussen” ons tot voordeel strekt. Het wordt echter steeds duidelijker dat het magneetveld van onze planeet een sleutelrol speelt bij de bescherming van het leven.
Elektriciteit en magnetisme
Magnetisme is vooral een dienaar van de mens dank zij de verhouding waarin het tot de elektriciteit staat. Herinnert u zich nog dat de kleine elektrische stromen in het atoom de uiteindelijke oorzaak van het magnetisme waren? Ja, magnetisme en elektriciteit hangen zo nauw met elkaar samen dat ze elkaar wederzijds „opwekken”. Hoe dan wel?
Wanneer er door een draad een elektrische stroom vloeit, raakt die draad gemagnetiseerd. Nee, hij zal geen andere metalen aantrekken, aangezien het magnetische veld dat de draad omgeeft, een cirkelvormige gedaante heeft en dus geen specifieke polen bezit. Wordt de draad echter spoelvormig gewikkeld dan zullen de magnetische velden rond elke winding elkaar versterken, zodat er één groot magneetveld ontstaat. Hoe talrijker de windingen, hoe sterker het veld. Deze magneet kan aan- en uitgeschakeld worden eenvoudig door de stroom aan en uit te schakelen. Zonder elektrische stroom is er geen magneetveld. Dit soort magneet wordt een elektromagneet genoemd.
Een eenvoudig voorbeeld van zo’n elektromagneet treft men aan in de gewone deurbel. Wanneer u op de belknop drukt, vloeit er een elektrische stroom door een elektromagneet, die daardoor in staat is een stukje metaal aan te trekken. Dit stukje metaal raakt bij zijn beweging naar de elektromagneet toe, een bepaalde gong. Laat u de knop los, dan laat ook de magneet het stukje metaal weer los, dat door een veer in zijn oorspronkelijke stand wordt teruggetrokken en daarbij een andere gong aantikt. Zo ontstaat het bekende „ding-dong”-geluid. Op deze en soms nog ingewikkelder manieren vormen permanente en elektromagneten het hart van de meeste elektrische apparaten.
Ook elektromotoren zijn gebaseerd op de werking van de elektromagneet. Eenvoudig gezegd kan men stellen dat een serie cirkelvormig gerangschikte elektromagneten op precieze tijdstippen aan en uit wordt geschakeld en door hun aantrekkende en afstotende werking aldus een as in het midden van de cirkel aan het draaien brengen. Gebaseerd op dit principe zijn er uiteenlopende soorten elektromotoren gebouwd, die allerlei werkzaamheden voor ons verrichten, variërend van het langzaam verplaatsen van de wijzers van onze klok tot de snelle aandrijving van elektrische treinstellen.
Schakelaars, relais, meters en nog tal van andere instrumenten van de elektrische industrie zijn gebaseerd op deze eenvoudige betrekking tussen magnetisme en elektriciteit. Ja, dank zij magnetisme is het ook mogelijk het geluid van uw stem via telefoonlijnen naar uw dierbaren ver weg te voeren en dan hun stem te horen antwoorden! Elektromagneten in de luidsprekers van uw radio, televisie of stereo-installatie zetten elektrische impulsen om in geluid, dat een verbazend getrouwe kopie van het oorspronkelijke geluid vormt. Dank zij magnetisme is het ook mogelijk de eerste woordjes van uw zoon op de magneetband van uw bandrecorder vast te leggen en die kostbare momenten vele jaren later te doen herleven.
Uw televisiebeelden hebt u te danken aan een bundel elektronen die over uw beeldscherm schiet, na eerst door magnetische velden „gefocusseerd” of tot een punt verdicht te zijn. Het focusseren of tot één punt samentrekken van elektronenbundels met behulp van magnetische velden geschiedt ook in elektronenmicroscopen, waarmee de geleerden de wereld van het zeer kleine bestuderen.
De verwantschap tussen elektriciteit en magnetisme werkt tevens in omgekeerde richting. De generatoren die in een elektrische centrale onze elektriciteit produceren, zijn voor hun werking afhankelijk van magnetisme. Krachtige permanente magneten zijn cirkelvormig gerangschikt rond een as met draadspoelen, die door een stoom- of waterturbine in de krachtige magneetvelden tot draaien wordt gebracht. Deze beweging van de spoelen door de magneetvelden veroorzaakt in de draden het ontstaan van een elektrische stroom, die vervolgens wordt omgetransformeerd tot een geschikt voltage en wordt doorverzonden naar onze huizen.
Het is niet overdreven te stellen dat de gehele huidige elektrische industrie niet zou bestaan zonder magnetisme — die machtige en veelzijdige dienaar van de mens.
Grootse mogelijkheden
Er zijn nog heel veel bijzonderheden in verband met het magnetisme te leren, en hoe meer geleerden over dit verschijnsel te weten komen, des te meer toepassingsmogelijkheden ze ervoor vinden. Zo belooft bijvoorbeeld een nieuwe technologie die men de naam magnetohydrodynamica (MHD) heeft gegeven, de opwekking van elektriciteit nog economischer te maken dan ze nu al is. De meeste grote steden gebruiken thans stoomturbines om hun generatoren aan te drijven, en fossiele brandstof als steenkool, aardgas of olie om de stoom te produceren. Door middel van MHD zou het echter mogelijk zijn niet alleen in de generatoren zelf maar ook in de rookkanalen stroom op te wekken. Hoe? Door een magnetisch veld aan te leggen. Wanneer namelijk de hete gassen die bij het verbranden van kolen, olie of gas ontstaan, door een magnetisch veld worden geleid, ontstaat er in het gas een stroming van negatief en positief geladen elektrische deeltjes, en die stroom kan voor gebruik worden „afgetapt”. Met dit revolutionaire systeem zou zo de energie uit kolen of andere brandstof doeltreffender in elektriciteit kunnen worden omgezet dan via enige andere methode mogelijk zou zijn. Volgens sommige onderzoekers zou er zo met behulp van MHD uit één ton kolen wel 50 percent meer elektriciteit te halen zijn. MHD is ook al voorgesteld als methode om met bepaalde typen kernreactoren elektriciteit op te wekken.
Op het gebied van vervoer zijn er progressieve stappen ondernomen om treinen te ontwikkelen die door middel van „magnetische opheffing” boven speciale rails zullen kunnen „vliegen”. Elektromagneten in de trein en in de rails zorgen ervoor dat de trein ongeveer 30 centimeter boven de baan zweeft en dan met opmerkelijke snelheid voorwaarts kan worden bewogen. Proefnemingen in Duitsland en Japan hebben uitgewezen dat zulke treinen snelheden kunnen bereiken van ruim 300 kilometer per uur. Snelle transportsystemen gebaseerd op magnetische opheffing hebben zowel economische als milieutechnische voordelen boven andere soorten systemen. Zo zijn er bijvoorbeeld geen bewegende delen die kunnen verslijten, er wordt minder energie verbruikt, en de trein geeft geen vervuiling of lawaaioverlast.
Ja, de mens heeft nog maar het oppervlak afgetast van alle mogelijkheden die het magnetisme in zich bergt. De toenemende kennis omtrent dit dynamische verschijnsel in ons universum doet ons eens te meer stilstaan bij de macht van Jehovah God, de Schepper van al zulke krachten. Hij is ’overvloedig in dynamische energie en sterk in kracht’, en bij hem vindt het magnetisme — die machtige en veelzijdige dienaar van de mens — zijn oorsprong! — Ps. 147:5; Jes. 40:26.
[Illustraties op blz. 19]
In niet-gemagnetiseerde metalen liggen de magnetische polen van kleine atoomgroepen willekeurig gerangschikt
Bij magnetisatie gaan de atoomgroepen zich herschikken totdat ze evenwijdig aan elkaar liggen
[Illustraties op blz. 20]
Het magnetische veld rond een stroomvoerende draad is ringvormig van karakter en heeft geen specifieke polen
Wanneer de draad spiraalvormig is gewonden, vormt hij een elektromagneet met specifieke polen
[Illustratie op blz. 21]
Men is bezig aan de ontwikkeling van snelle treinen die door middel van „magnetische opheffing” boven speciale banen „vliegen”