Magnetische fluxdichtheid: alles over B-veld meting

Soms is het nodig te weten hoe sterk magnetische velden zijn. Magnetische fluxdichtheid is het sleutelwoord om die vraag te beantwoorden en vormt de basis bij het onderzoek van de effectiviteit van magnetische oplossingen en inovaties.
In dit artikel lees je meer over magnetische velden en wat magnetische fluxdichtheid inhoudt. We geven inzicht in de verschillende eenheden, meetmethoden en praktische voorbeelden.

Wat is magnetische fluxdichtheid en hoe werkt het?

Magnetische fluxdichtheid, ook wel bekend als ‘magnetische inductie’ of het ‘B-veld’, is het basisaspect in het elektromagnetisme.  Het beschrijft de sterkte en de richting van een magnetisch veld in een specifieke omstandigheid. Simpel gezegd: het vertelt ons hoeveel magnetische flux er door een bepaald oppervlak heen gaat. Deze grootheid wordt weergegeven door het symbool B en is een vectorgrootheid, wat betekent dat het zowel een grootte als een richting heeft. Dit maakt het een essentieel onderdeel bij het analyseren van elektromagnetische verschijnselen en het doorgronden van de interactie tussen elektrische stromen en magnetische velden.

De magnetische flux zelf kun je het beste vergelijken met de hoeveelheid water die door een net stroomt. Net zoals je kunt meten hoeveel liter water er per seconde door een vierkante meter net gaat, kun je meten hoeveel magnetische veldlijnen een bepaald oppervlak passeren. De magnetische fluxdichtheid geeft dan de concentratie van die veldlijnen aan – hoe dichter ze bij elkaar staan, hoe sterker het magnetische veld. Dit principe is van groot belang bij het ontwerpen van elektromagnetische apparaten, zoals transformatoren en elektromotoren, waar een hoge fluxdichtheid een belangrijk onderdeel is.

Een belangrijk aspect van magnetische fluxdichtheid is dat het verschilt van magnetische veldsterkte (H). Terwijl de veldsterkte de magnetiserende kracht beschrijft, houdt de fluxdichtheid ook rekening met de invloed van het materiaal waarin het veld zich bevindt. Dit verschil wordt cruciaal wanneer je werkt met verschillende materialen, omdat de eigenschappen van het materiaal de uiteindelijke sterkte van het magnetische veld beïnvloeden:

1. Ferromagnetische materialen (zoals ijzer) concentreren magnetische veldlijnen en verhogen daardoor de fluxdichtheid aanzienlijk.
2. Diamagnetische materialen (zoals koper) verzwakken het veld lichtjes door een tegengesteld magnetisch moment op te wekken.
3. Paramagnetische materialen (zoals aluminium) versterken het veld minimaal en het effect is meestal zwak.
4. In vacuüm zijn B en H direct aan elkaar gerelateerd via een constante, namelijk de magnetische doorlaatbaarheid van het vacuüm.

Tesla, weber en andere eenheden voor B-veld metingen

De standaard SI-eenheid (basiseenheid) voor magnetische fluxdichtheid is de tesla (T), vernoemd naar de beroemde uitvinder Nikola Tesla. Een tesla is gedefinieerd als één weber per vierkante meter (Wb/m²), waarbij de weber de eenheid is voor magnetische flux. In de praktijk betekent dit dat één tesla een behoorlijk sterk magnetisch veld vertegenwoordigt, veel sterker nog dan de meeste mensen zich realiseren.

Om je een beter beeld te geven van wat deze getallen betekenen, hier enkele concrete voorbeelden die het verschil tussen verschillende magnetische velden verduidelijken:

1. Het aardmagnetisch veld: ongeveer 25-65 microtesla (μT), afhankelijk van je locatie op aarde
2. Een gewone koelkastmagneet: rond de 5 millitesla (mT), wat al veel sterker is dan het aardmagnetisch veld
3. Een sterke neodymiummagneet: tot 1,4 tesla, wat indrukwekkend krachtig is voor een permanente magneet
4. Medische MRI-scanners: meestal 1,5 tot 3 tesla, wat nodig is voor gedetailleerde beelden van het menselijk lichaam
5. Onderzoeks-MRI’s: kunnen oplopen tot 7 tesla of meer, vooral in geavanceerde onderzoeksfaciliteiten
6. De sterkste permanente magneten: boven de 1 tesla, gebruikt in gespecialiseerde toepassingen

Naast de tesla wordt soms nog de gauss (G) gebruikt, vooral in de Verenigde Staten en in oudere literatuur. De omrekening is eenvoudig: 1 tesla = 10.000 gauss. Voor de meeste praktische toepassingen is de tesla echter de voorkeurseenheid geworden, zeker in de wetenschap en techniek.

Voor het meten van magnetische fluxdichtheid gebruik je gespecialiseerde instrumenten. Een gaussmeter meet kleinere magnetische velden en geeft de resultaten vaak in gauss weer, terwijl een teslameter geschikt is voor sterkere velden en meet in tesla. Moderne meetapparatuur kan extreem nauwkeurig meten, met resoluties tot in de nanotesla voor wetenschappelijk onderzoek en geavanceerde technische toepassingen.

Praktische toepassingen van magnetische inductie

Magnetische fluxdichtheid speelt een essentiële rol in talloze technologieën die we dagelijks gebruiken. In elektromotoren bepaalt de fluxdichtheid direct de kracht die wordt uitgeoefend op de stroomvoerende geleiders, wat resulteert in rotatie. Hoe sterker het B-veld, hoe meer koppel de motor kan leveren bij dezelfde stroom.

In de medische wereld vormt magnetische inductie de basis voor MRI-scanners. Deze machines creëren een uniform, sterk magnetisch veld dat de waterstofatomen in je lichaam laat “zingen” op een specifieke frequentie. Door kleine variaties in het B-veld aan te brengen, kunnen artsen zeer duidelijke, gedetailleerde beelden van je organen maken zonder schadelijke straling.

De industrie maakt volop gebruik van magnetische fluxdichtheid voor kwaliteitscontrole en materiaalonderzoek. Enkele belangrijke toepassingen zijn:

1. Detectie van scheurtjes in metalen onderdelen door wervelstroomtests
2. Sortering van verschillende metaalsoorten in recyclingprocessen
3. Controle van de dikte van magnetische coatings
4. Onderzoek naar nieuwe magnetische materialen voor dataopslag

Ook in de energiesector is magnetische inductie onmisbaar. Transformatoren in het elektriciteitsnet gebruiken variërende magnetische velden om spanning aan of uit te zetten. De efficiëntie van deze transformatoren hangt direct af van de magnetische eigenschappen van de ijzeren kern en de maximale fluxdichtheid die deze kan verwerken zonder verzadiging.

Als laatste: een bijzondere toepassing vind je in magnetische levitatie (maglev) treinen. Deze futuristische voertuigen gebruiken extreem krachtige elektromagneten om volledig boven de rails te zweven, waarbij de uiterst precieze controle van magnetische fluxdichtheid zorgt voor een stabiele levitatie en voortbeweging zonder enige wrijving.