Waarom bestaan magneten alleen in vaste vorm?

Magneten die permanent magnetisch zijn, bestaan uitsluitend als vaste stof. Dit komt niet door het ontwerp van de mens, maar door de natuurkundige structuur van ferromagnetische grondstoffen zoals ijzer, nikkel en kobalt. Alleen in vaste vorm kunnen de magnetische domeinen – de kleine gebieden waarin atomen in dezelfde richting geordend zijn – stabiel blijven. In dit artikel leggen we uit waarom dat zo is, hoe temperatuur en kristalstructuur hierbij een rol spelen en waarom vloeistoffen en gassen geen permanente magneten kunnen vormen.

Magnetisme begint bij vaste kristalstructuren

Ferromagnetische grondstoffen bevatten atomen met magnetische momenten die zich kunnen organiseren in domeinen, vaak aangeduid als Weiss-domeinen. Deze domeinen ontstaan alleen wanneer de atomen op vaste posities in een kristalrooster zitten. In vaste toestand is dat het geval: de atomen trillen wel door warmte, maar blijven op hun plaats. Hierdoor kunnen magnetische domeinen zich vormen en in een vaste richting blijven wijzen. Dat maakt permanente magneten mogelijk.

Wanneer de temperatuur stijgt, neemt de trilling van atomen toe. Boven de Curie-temperatuur verliezen de domeinen hun geordende structuur en verliest het materiaal zijn permanente magnetisme. Bij ijzer gebeurt dit rond 770 °C. Dit verklaart waarom hitte een magneet blijvend kan verzwakken en waarom magneten in extreme kou en hitte anders kunnen presteren dan bij kamertemperatuur.

Waarom vloeistoffen en gassen geen permanente magneten kunnen vormen

In vloeistoffen en gassen bewegen atomen en moleculen vrij rond. Door deze voortdurende beweging kan geen stabiel kristalrooster ontstaan en daarmee ook geen vaste domeinstructuur. Zelfs wanneer magnetische deeltjes tijdelijk worden uitgelijnd door een extern magneetveld, valt deze ordening direct weg zodra het veld wordt uitgeschakeld.

Dit geldt ook voor ferrofluïden. Deze vloeistoffen bevatten kleine magnetische deeltjes die wel reageren op magneetvelden maar zelf geen permanent magnetisme kunnen vasthouden. Deeltjes bewegen voortdurend ten opzichte van elkaar, waardoor geen blijvende domeinen kunnen ontstaan. Een vloeistof of gas kan daardoor nooit een echte permanente magneet zijn.

Natuurlijke magnetische grondstoffen zonder coating

In de natuur komen verschillende magnetische grondstoffen voor die niet door de mens zijn bewerkt. De bekendste is magnetiet (Fe₃O₄), een natuurlijk ijzeroxide dat al sinds de oudheid wordt herkend vanwege zijn aantrekkingskracht op ijzer. Magnetiet wordt onder meer gevonden in magmatische gesteenten en in sommige zandafzettingen.

Daarnaast zijn er ijzerverbindingen, zoals bepaalde vormen van hematiet en ijzersulfiden (bijvoorbeeld pyrrhotiet), die onder specifieke omstandigheden duidelijke magnetische eigenschappen kunnen vertonen. Gedegen ijzer in meteorieten is vaak sterk magnetisch door de aanwezige ijzer-nikkellegeringen. Deze natuurlijke magnetisatie ontstaat vaak wanneer gesteenten tijdens afkoeling in contact staan met het aardmagnetisch veld.

De studie van dit zogeheten paleomagnetisme helpt onderzoekers te begrijpen hoe het aardmagnetisch veld en de ligging van continenten zich in de loop van miljoenen jaren hebben ontwikkeld. Op onze pagina over soorten magneten lees je meer over de verschillende typen magneten en wanneer ze worden toegepast.

Invloed van kristalstructuur en temperatuur

De precieze kristalstructuur van een ferromagnetische vaste stof bepaalt hoe gemakkelijk domeinen kunnen ontstaan en hoe stabiel ze blijven. IJzer is hiervan een goed voorbeeld: bij kamertemperatuur heeft het een kubische structuur die ferromagnetisme ondersteunt. Bij hogere temperaturen verandert de kristalstructuur en verdwijnen de magnetische eigenschappen tijdelijk.

Wanneer metaal smelt, valt het kristalrooster volledig weg. Gesmolten ijzer kan daarom nooit een permanente magneet zijn. Pas wanneer het weer afkoelt en opnieuw kristalliseert, kunnen magnetische domeinen zich vormen. In de industrie wordt dit proces gecontroleerd om sterke permanente magneten te maken, zoals de neodymiummagneten in ons assortiment. Meer technische achtergrond vind je op onze pagina over de N-waarde van neodymium.

Waarom smeltende magneten hun kracht verliezen

Bij het verhitten van een permanente magneet gebeurt er in feite hetzelfde als bij alle ferromagnetische grondstoffen: de thermische energie neemt toe en de geordende domeinen raken verstoord. Eerst neemt de effectieve houdkracht af, daarna verdwijnt de permanente magnetisatie volledig wanneer de Curie-temperatuur wordt overschreden. Laat men de magneet vanuit die toestand weer afkoelen zonder gecontroleerd magnetisch veld, dan vormt zich geen ideale, geordende domeinstructuur meer. De magneet keert dan niet vanzelf terug naar zijn oorspronkelijke sterkte.

Permanente magneten en elektromagneten vergeleken

Permanente magneten danken hun magneetveld aan de geordende domeinen in een vaste stof en hebben geen externe energiebron nodig. Ze zijn daardoor zeer geschikt voor toepassingen waar een constant magneetveld gewenst is, zoals sensoren, sluitingen en compacte aandrijvingen. Elektromagneten werken anders: zij creëren een magneetveld zodra er stroom door een spoel loopt rondom een vaste, magnetiseerbare kern. Het veld kan worden in- en uitgeschakeld en geregeld in sterkte, maar verdwijnt weer wanneer de stroom wordt uitgeschakeld.

Beide typen maken gebruik van vaste materialen voor de magnetische werking. Het fundamentele gegeven blijft dat duurzame magnetische eigenschappen alleen ontstaan en behouden blijven in een vaste structuur.

Waarom vaste magneten onmisbaar blijven

Doordat magneten alleen in vaste vorm hun structuur behouden, zijn ze betrouwbaar en langdurig bruikbaar. Dit maakt ze geschikt voor talloze toepassingen, van eenvoudige koelkastmagneten tot krachtige magneten in motoren, sensoren en industriële systemen. De vaste kristalstructuur zorgt ervoor dat permanente magneten hun magnetische sterkte jarenlang kunnen vasthouden.

Elektromagneten vormen een aparte categorie: ze bestaan nog steeds uit vaste kernen, maar het magneetveld wordt opgewekt door stroom. De werking ervan verandert niets aan het feit dat permanente magneten uitsluitend in vaste vorm bestaan en dat juist die vaste structuur de basis is voor vrijwel alle magnetische toepassingen in het dagelijks leven.

Bronnen

Dit artikel is gebaseerd op standaardliteratuur en referentiewerken binnen de materiaalkunde en natuurkunde van magnetisme. Onder meer geraadpleegd: Jiles – Introduction to Magnetism and Magnetic Materials, Blundell – Magnetism in Condensed Matter, Encyclopædia Britannica (ferromagnetism, Curie temperature, magnetite), NASA-publicaties over ijzer-nikkellegeringen in meteorieten en universitaire inleidingen in domeinvorming en paleomagnetisme.

Definitie – Weiss-domein: Gebied binnen een ferromagnetische vaste stof waarin de magnetische momenten dezelfde richting hebben.

MagneetjesWinkel.nl – de betrouwbare webshop en bron voor magneten en magneetkennis.

Technisch team MagneetjesWinkel.nl
De informatie op deze pagina is zorgvuldig samengesteld door het technisch team van MagneetjesWinkel.nl. Zo ben je verzekerd van betrouwbare en actuele informatie over magneten en hun toepassingen.