AstronomieAntwoorden: AstronomieAntwoordenBoek: Magnetische Velden

AstronomieAntwoorden
AstronomieAntwoordenBoek: Magnetische Velden

1. Elektrische velden en magnetische velden ... 2. Kompassen ... 3. Uitstoot van materie ... 3.1. Elektronen en magnetische veldlijnen ... 3.2. Permanente magneten en energie

\(\def\|{&}\DeclareMathOperator{\D}{\bigtriangleup\!} \DeclareMathOperator{\d}{\text{d}\!}\)

Deze bladzijde beantwoordt vragen over magnetische velden. De vragen zijn:

[539]

1. Elektrische velden en magnetische velden

Elektrische velden zijn vaak verbonden met niet-bewegende elektrische ladingen, en magnetische velden met bewegende elektrische ladingen. Of een elektrische lading beweegt hangt niet alleen af van die lading maar ook van de waarnemer, dus verschillende waarnemers op (bijna) dezelfde plek kunnen verschillende elektrische velden en magnetische velden meten, als die waarnemers ten opzichte van elkaar bewegen. Meestal worden daarom elektrische velden en magnetische velden beschouwd als verschillende aanzichten van een gecombineerd veld dat het elektromagnetische veld heet.

Een variatie in een elektrisch veld kan een magnetisch veld veroorzaken, en een variatie in een magnetisch veld kan een elektrisch veld veroorzaken. Elektromagnetische straling zoals zichtbaar licht of radiogolven of rőntgenstraling zijn een oneindige kringloop van een klein magnetisch veldje dat een klein elektrisch veldje veroorzaakt dat weer een klein magnetisch veldje maakt, en zo door, zonder dat er een elektrische lading nodig is.

Zie //nl.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetisch_veld voor meer informatie.

[71]

2. Kompassen

Een kompas is een apparaatje dat de horizontale richting van het magnetische veld aangeeft. Een kompas heeft meestal een kompasnaald die in het midden op een verticaal staafje balanceert zodat de naald vrij rond kan draaien en zich naar het magnetische veld kan richten.

Een kompasnaald steekt altijd naar twee kanten uit en richt zich naar onzichtbare magnetische lijnen die van de magnetische noordpool van de Aarde recht naar de magnetische zuidpool lopen. Van de twee kanten van een kompasnaald wijst er een langs de magnetische lijn naar de magnetische noordpool en de andere naar de magnetische zuidpool. De kant die naar de magnetische noordpool wijst heeft meestal een likje rode verf.

De magnetische noordpool van de Aarde ligt in noord-Canada op ongeveer 1000 km van de geografische noordpool (die de "echte" noordpool is waar de draaias van de Aarde doorheen prikt) en de magnetische zuidpool ligt bij de kust van Antarctica, ongeveer 2500 km van de geografische zuidpool (waar de draaias ook doorheen prikt). Landkaarten van die gebieden geven vaak aan waar de magnetische polen liggen.

Omdat de magnetische polen ver van de geografische polen liggen wijst een kompas bijna nergens precies naar het noorden en het zuiden. De afwijking die een kompas heeft van de noord-zuid lijn heet de magnetische declinatie en die is anders voor elke plek op Aarde. Op topografische (heel gedetailleerde) landkaarten staat die declinatie vaak aangegeven voor dat gebied. In Nederland en België is de magnetische declinatie toevallig klein, minder dan 10 graden, maar op andere plekken is hij groter, vooral dicht bij de magnetische polen.

[510]

3. Uitstoot van materie

Sommige hemellichamen (zoals T-Tauristerren) stoten materie uit, en dat gaat dan bij voorkeur langs de draaias (net alsof de materie uit de polen komt). Als reden denk ik meteen aan magnetische velden.

De materie die uitgestoten wordt is zo heet dat het een plasma is. Een plasma is vergelijkbaar met een gas, maar bestaat uit ongebonden elektrisch geladen deeltjes (meest negatief geladen elektronen en positief geladen protonen) die in een gas met elkaar verbonden zouden zijn tot atomen. Een plasma is op grote schaal elektrisch neutraal (net als een gas), omdat het (net als een gas) evenveel positieve als negatieve lading bevat, maar in een plasma bewegen de elektrisch geladen deeltjes meestal vrij langs elkaar heen (in tegenstelling tot in een gas). Dat betekent dat een plasma heel goed elektrische stroom geleidt, in tegenstelling tot een gas. En dat betekent weer dat een plasma heel gevoelig is voor magnetische velden, in tegenstelling tot een gas.

Magnetische velden hebben een voorkeursrichting (de richting van de zogenaamde "veldlijnen"). Elektrisch geladen deeltjes draaien rondjes rondom die veldlijnen, waardoor ze wel grote afstanden langs die veldlijnen kunnen afleggen maar niet loodrecht op de veldlijnen. Elektrisch geladen deeltjes kunnen daarom alleen op een grote afstand van hun bron komen langs magnetische veldlijnen, die dan dus zelf ook tot zo ver moeten reiken.

De meeste magnetische velden van hemellichamen hebben globaal de struktuur van een dipool, met een magnetische as van symmetrie: Als je het hemellichaam over een willekeurige hoek rond die as draait, dan ziet het magnetische veld er globaal nog hetzelfde uit. In de meeste hemellichamen valt de magnetische as ongeveer samen met de draai-as, omdat de draai-as via de centrifugaalkracht invloed op de balans van krachten in het hemellichaam heeft, waardoor de beweging van materie in of rond het object vaak afhangt van de afstand tot de draai-as en daarom vaak de draai-as als as van symmetrie heeft. Het magneetveld is weer verbonden met de beweging van materie in of rond het hemellichaam. Zo is ook aan de vorm van de Aarde de draai-as te herkennen: de doorsnede van de Aarde is kleiner van pool tot pool dan van de ene naar de andere kant van de evenaar. En de magnetische as van de Aarde ligt dicht bij de draai-as van de Aarde.

Elektrische veldlijnen beginnen op positieve elektrische lading en eindigen op negatieve lading. Magnetische veldlijnen moeten altijd gesloten zijn (zonder begin of einde), omdat er geen magnetische ladingen bestaan. Daarom moet elke magnetische veldlijn die door het oppervlak van een hemellichaam omhoog steekt uiteindelijk omkeren en weer terug door het oppervlak naar beneden steken. Vanwege de symmetrie moeten de "terugkeerpunten" ongeveer boven de magnetische evenaar liggen, dus kunnen alleen magnetische veldlijnen die heel dicht langs de magnetische as lopen tot op grote afstand van het hemellichaam komen. Daarom kan alleen plasma dat dicht langs de magnetische as beweegt heel ver van het hemellichaam komen. Dat zal in veel gevallen er de verklaring voor zijn dat materie bij voorkeur in de poolstreken aan hete hemellichamen ontsnapt.

Omgekeerd kunnen ook plasma-deeltjes van ver weg langs de magnetische as het dichtste bij een hemellichaam komen. Dat is er de reden van dat de Aarde "poollichten" heeft, en niet ook "evenaarlichten": alleen nabij de magnetische polen kunnen de elektrisch geladen deeltjes van ver weg de bovenste lagen van de dampkring van de Aarde bereiken.

[569]

3.1. Elektronen en magnetische veldlijnen

Elektronen worden door magneetvelden afgebogen. Als het magneetveld overal even sterk is dan zullen de elektronen cirkelbanen rond de veldlijnen afleggen (of kurketrekkerbanen als ze ook nog een snelheid langs de veldlijnen hebben). De straal van de cirkelbanen hangt af van de snelheid van het elektron (hoe sneller het elektron, hoe groter de straal) en van de sterkte van het magneetveld (hoe sterker het veld, hoe kleiner de straal):

\begin{equation} r = \frac{m v}{q B} \end{equation}

waarin \(r\) de straal van de cirkelbaan is, \(m\) de massa van het elektron, \(v\) de snelheid van het elektron gemeten loodrecht op de richting van het magneetveld, en \(B\) de sterkte van het magneetveld.

Elektronen kunnen dus niet willekeurig ver weg van de veldlijnen bewegen, dus zou je kunnen zeggen dat ze (gezien vanaf grote afstand) langs de veldlijnen bewegen.

Fotonen worden niet door magneetvelden beïnvloed.

[553]

3.2. Permanente magneten en energie

Een permanente magneet heeft geen energie nodig om zijn magnetisch veld te onderhouden. Magnetisme is een eigenschap, net zoals elektrische lading of massa, die niet vanzelf weglekt. Veranderingen in energie komen er pas bij als voorwerpen gaan bewegen onder invloed van het magneetveld.

Radioactieve stoffen vervallen omdat dat geen energie kost maar juist energie vrijmaakt. Als er niet meer energie vrijgemaakt kan worden dan veranderen ze niet verder, behalve misschien als er van buitenaf energie wordt toegevoerd. Bij zwaartekracht werkt dat hetzelfde: een bal op een helling heeft de neiging om naar beneden te rollen, omdat dat energie vrijmaakt. Je moet er werk voor doen om een bal de helling op te krijgen, dus heeft een bal hoger op de helling meer (zwaartekrachts)energie dan een bal lager op de helling. De bal op die helling gaat alleen rollen als hij niet toevallig in een kuiltje op de helling ligt, want als hij wel in zo'n kuiltje ligt dan heeft hij eerst een beetje extra energie nodig om iets omhoog te komen om uit die kuil te komen, en omhoog komen tegen de zwaartekracht in kost energie. Als de bal in zo'n kuiltje ligt dan moet je wachten op een windvlaag of een schop door een kind voor die bal de helling af gaat rollen. Bij radioactiviteit is er net zoiets aan de hand. De radioactieve deeltjes liggen energetisch gesproken in een kuiltje op een helling. Om met dezelfde beeldspraak door te gaan: Pas bij een voldoende grote windvlaag komen ze uit de kuil en kunnen ze de helling af naar een lagere energietoestand: dan vervalt het deeltje radioactief.

Als er twee magneten dicht bij elkaar gebracht worden dan is het alsof je ze in een heuvellandschap van magnetische energie legt, waarbij de ligging van de heuvels af hangt van de oriëntatie en onderlinge afstand van de magneten. Als de twee magneten in dat magnetische landschap op hellingen liggen, en als er niet teveel wrijving (kuiltjes) is, dan hebben ze de neiging langs die hellingen naar beneden te schuiven. In de "echte" wereld kan dat betekenen dat ze naar elkaar toe bewegen (aantrekken), of juist van elkaar af (afstoten), of dat ze gaan draaien.

Een elektromagneet heeft een magneetveld vanwege de elektrische stroom die er doorheen loopt. Als die elektrische stroom wegvalt, dan verdwijnt ook dat magneetveld. Een permanente magneet heeft een magneetveld vanwege de eigenschappen van het materiaal. Zolang die eigenschappen niet veranderen (bijvoorbeeld door sterke verhitting of door toepassing van een sterk magneetveld van buiten) blijft het magneetveld in stand.

Als voorwerpen gaan bewegen onder invloed van een permanent magnetisch veld, dan komt de energie die nodig is om voorwerpen te laten bewegen van de oorzaak van de huidige toestand. Als je de magneet en het andere voorwerp dicht bij elkaar brengt dan moet je de magnetische krachten overwinnen die het voorwerp eigenlijk ergens anders heen zouden willen laten gaan. Jij bent dan de bron van de energie die nodig is om later het voorwerp te laten bewegen onder invloed van de magnetische krachten. Dit werkt hetzelfde als bij de zwaartekracht: als je een bal onder invloed van de zwaartekracht wil laten bewegen (dus naar beneden), dan zul je die bal eerst zelf tegen de zwaartekracht in moeten bewegen (dus omhoog), en dat kost jou energie. Jij stopt dan plaatsenergie (potentiële energie heet dat onder natuurkundigen) in de bal, en die wordt dan omgezet in snelheidsenergie (kinetische energie) als je de bal loslaat van zijn hoge positie.

Er is geen principieel verschil tussen magnetische en elektrische velden die worden opgewekt door een elektromagneet en de velden die worden opgewekt door een permanente magneet. Ze worden allemaal even goed beschreven door de wetten van Maxwell.

talen: [en] [nl]