Prent: Canva
In hierdie artikel skryf Koos Holtzhausen, ’n afgetrede dosent in elektriese ingenieurswese aan die Universiteit Stellenbosch en professionele ingenieur met ’n PhD in ingenieurswese, oor die interessante agtergrond van magnetisme. Magnetisme word deur skoolleerders van alle ouderdomme in Natuurwetenskappe behandel. Boonop sal hierdie skrywe volwassenes interesseer.
’n Ontdekking uit die antieke wêreld
Volgens oorlewering het herders in antieke Griekeland met verbasing opgemerk dat sekere klippies aan die ysterpunte van hul kieries en aan die spykers onder hul skoene vaskleef. Onwetend het hulle so op ’n verskynsel afgekom wat eeue lank sou fassineer: magnetisme. Hierdie klippies, later bekend as magneetsteen, bevat magnetiet, ’n vorm van ysteroksied. Die naam magnetiet en ook die verskynsel magnetisme is ontleen aan die naam Magnesia, die distrik in Griekeland waar die ontdekking plaasgevind het.
In dieselfde era het die Chinese reeds magneetsteen gebruik om primitiewe kompasse te bou, wat later tot wêreldseevaart sou lei.
Van mites tot wetenskap
Aanvanklik is magnetisme beskou as ’n bonatuurlike krag. In die Middeleeue is geglo dat magneetsteen siektes kan genees en selfs beskerming teen bose magte bied. Eeue later, in die 18de eeu, het Franz Anton Mesmer sy teorie van “dierlike magnetisme” voorgestel. Hy het magnete gebruik om pasiënte te behandel, en sommige het selfs in beswyming gegaan. Vandag weet ons dat dit nie magnetisme was nie, maar die krag van suggestie.
Die eerste sistematiese wetenskaplike werk oor magnetisme het egter reeds in 1600 verskyn. William Gilbert, die hofarts van Elizabeth I, het aangevoer dat die aarde self soos ’n reuse magneet funksioneer. Hierdie insig het die werking van die kompas verduidelik en die weg gebaan vir verdere ontdekkings.
’n Ware keerpunt het in 1820 gekom toe Hans Christian Ørsted gewys het dat ’n elektriese stroom ’n kompasnaald laat afwyk. Sy werk het die verband tussen elektrisiteit en magnetisme bevestig en het die grondslag gelê vir die begrip elektromagnetisme. Wetenskaplikes soos Ampère, Faraday en Maxwell het dié ontdekking verder ontwikkel, en dit vorm die grondslag van die moderne elektrisiteits- en kommunikasiebedryf.
Waarom is sekere materiale magneties?
Ten spyte van al hierdie vooruitgang het die antwoord op een vraag steeds agterweë gebly: Waarom word slegs sommige materiale, soos yster, permanente magnete en ander nie? Die antwoord lê opgesluit in die mikroskopiese wêreld van die atoom.
........
Ten spyte van al hierdie vooruitgang het die antwoord op een vraag steeds agterweë gebly: Waarom word slegs sommige materiale, soos yster, permanente magnete en ander nie? Die antwoord lê opgesluit in die mikroskopiese wêreld van die atoom.
........
Van Bohr na kwantumspin
Die Deense fisikus Niels Bohr het in 1913 sy baanbrekende atoommodel voorgestel, waarvolgens elektrone om ’n positief gelaaide kern wentel, soortgelyk aan die planete om die son. So bestaan die waterstofatoom uit ’n positiewe kern en ’n enkele elektron (negatiewe lading) wat daaromheen wentel. Die volgende meer komplekse element is helium, wat twee elektrone het wat om die kern wentel wat twee protone (positiewe ladings) bevat. Groter atome is meer kompleks. Die atoom van yster (Fe) het byvoorbeeld 26 elektrone wat in vier bane of skille rondom die positiewe kern gerangskik is.
Hierdie model was nuttig, maar uiteindelik te eenvoudig. Die kwantumfisika het die prentjie verander: Elektrone beweeg nie in vaste bane nie, maar die moontlike trajekte om die kern word beskryf in terme van statistiese waarskynlikhede eerder as presiese bane.
’n Deurslaggewende ontdekking het in 1925 gevolg: Elke elektron besit ’n eienskap genaamd spin. Dit beteken nie dat die elektron letterlik rondtol nie, maar dit tree op asof dit ’n klein magneet met ’n noord- en suidpool is. Elektrone kom gewoonlik in pare voor wat mekaar se magnetiese effekte kanselleer. In sekere elemente, soos yster, kom daar egter ongepaarde elektrone voor, wat ’n netto magneetveld tot gevolg het. Friedrich Hund (1896–1997), ’n Duitse fisikus, het verder verduidelik hoe elektrone hul plek in orbitale inneem, en so bygedra tot ’n beter begrip van ferromagnetisme. Terloops, Hund het 101 jaar oud geword en het die hele era van kwantumfisika beleef van die begin daarvan tot by gevorderde rekenaartoepassings.
Van domeine tot elektromagnete
Binne ’n stuk yster groepeer die ongepaarde elektrone volgens hul magnetiese rigtings in klein gebiede, sogenaamde domeine. Gewoonlik is die domeine lukraak georiënteer en kanselleer hul velde mekaar. Wanneer ’n sterk eksterne veld toegepas word (byvoorbeeld deur ’n stroom wat deur ’n spoel vloei) word die domeine egter herrangskik. Die resultaat is ’n versterkte magneetveld.
Hierdie beginsel is deurslaggewend vir die werking van transformators, motore en generators. By sagte yster verdwyn die magnetiese ordening wanneer die eksterne veld wegval, maar in sekere staalsoorte (ryk aan kobalt of nikkel) bly die domeine gerig. Só ontstaan permanente magnete, wat deesdae ’n al groter rol speel, veral in elektriese voertuie. Magneetstene bestaande uit magnetiet is ook permanente magnete en is waarskynlik gemagnetiseer deur die hoë stroom van weerlig.
’n Onmisbare rol in die moderne wêreld
Ferromagnetisme is nie bloot ’n natuurkundige aardigheid nie. Daarsonder sou ons elektriese infrastruktuur, insluitende kragnetwerke, elektriese motors en elektroniese toestelle eenvoudig nie funksioneer nie. Yster en ander ferromagnetiese materiale vorm die ruggraat van ons industriële beskawing.
Verder is yskasmagneetjies baie nuttig.
’n Slotgedagte
........
Die mikroskopiese wêreld van elektrone en kwantums speel ’n sleutelrol om die makrowêreld in beweging te hou. Dit is merkwaardig dat die onpaar elektrone in ’n atoom die sleutel is tot die reuse masjinerie van ons moderne samelewing.
........
Die mikroskopiese wêreld van elektrone en kwantums speel ’n sleutelrol om die makrowêreld in beweging te hou. Dit is merkwaardig dat die onpaar elektrone in ’n atoom die sleutel is tot die reuse masjinerie van ons moderne samelewing. Sonder ferromagnetisme sou die wêreld soos ons dit ken, eenvoudig nie moontlik gewees het nie.
Lees ook: