Elementaire magneet

De magnetische eigenschappen van materie, d.w.z. diamagnetisme, paramagnetisme en ferromagnetisme, worden verklaard door elementaire magneten, die op elk atoom van een para- en ferromagnetisch vast lichaam te vinden zijn (zie onderstaande afbeelding). Het gaat hierbij voor het merendeel om elektronspins of kernspins, die als atoomspins een magnetische effect als kleine elementaire magneten hebben. Zulke elementaire magneten worden in de natuurkunde magnetische momenten genoemd.

Uitlijning van elementaire magneten

De magnetische krachten van permanente magneten worden verklaard door het feit, dat de elementaire magneten op de afzonderlijke atomen van het materiaal parallel zijn uitgelijnd. Deze parallelle uitlijning van de atomaire spins treft men inderdaad in ferromagnetische stoffen aan, alhoewel niet noodzakelijkerwijs in het gehele materiaal, maar toch in de zogenaamde gebieden van Weiss. Men kan deze uitlijning zelfs zichtbaar maken in een experiment.

De uitgelijnde magnetische momenten van de elementaire magneten maken dan permanente magnetisatie mogelijk, wanneer de krachten, die de parallelle uitlijning van de elementaire magneten stabiliseren, groot genoeg zijn. Hierbij is de uitwisselingsinteractie van de elektronspins de belangrijkste kracht. Deze zorgt er in de ferromagneten voor, dat uitgelijnde atomaire spins zich niet weer kunnen mengen door thermische beweging en er daardoor een permanente magnetisatie blijft bestaan.

De uitlijning van de elementaire magneten kan echter door de toevoer van thermische energie, dus door sterke verhitting, worden vernietigd. Andere mogelijkheden voor de demagnetisatie zijn sterke klappen op de magneet of het aanleggen van een extern in tegengestelde richting gericht magnetisch veld. Dan vermengen de afzonderlijke magneten zich weer en het buiten het materiaal meetbare veld verdwijnt.

Een goed beeld van de werking van uitgelijnde elementaire magneten kan worden verkregen door een set met magnetische kompasnaalden, die draaibaar op een plaat zijn gerangschikt. De kompasnaalden rangschikken zich door hun onderlinge wisselwerking in bepaalde gebieden parallel. Dit is vergelijkbaar met de gebieden van Weiss in een niet-gemagnetiseerde ferromagneet. Wanneer men van de buitenkant met een permanente magneet over de plaat beweegt, verenigen zich verschillende gebieden van Weiss, doordat de kompasnaalden zich alle onderling parallel ordenen. Dit gebeurt ook met de elementaire magneten in ferromagnetische en paramagnetische materialen, wanneer die in een extern magnetisch veld worden geplaatst. Het verschil van paramagneten t.o.v. ferromagneten is, dat de uitlijning van de elementaire magneten in paramagneten niet stabiel is, in ferromagneten echter wel. Diamagneten beschikken helemaal niet over elementaire magneten, die uitgelijnd kunnen worden.

De meeste elektromagneten hebben een ferromagnetische ijzeren kern, wiens elementaire magneten door het magnetische veld van de elektromagneet uitgelijnd worden en dit vele malen versterken.