Magnetisme en waarom bepaalde metalen magnetisch zijn

De mensheid is al millennia lang bekend met magnetisme. De oude Grieken berichten 2000 jaar geleden al over een steen genaamd Magnes, die op wonderbare wijze ijzeren voorwerpen zou kunnen aantrekken.

Het raadsel van de magnetische steen uit de oudheid is inmiddels opgelost. De Grieken waren in aanraking gekomen met het ijzererts magnetiet. De huidige naam is van het woord Magnes afgeleid. Magnetiet behoort, naast Hematiet tot de meest gesmolten ijzerertsen en heeft in natuurlijke staat al magnetische eigenschappen.

Magnetisch is een alledaagse uitdrukking. Daarmee wordt geduid op het ferromagnetisme, een vorm van magnetisme, waarmee de meeste mensen vertrouwt zijn. In totaal zijn er slechts drie metalen die ferromagnetische eigenschappen bezitten. Dit zijn ijzer, kobalt en nikkel, waarin magnetische domeinen aanwezig zijn, die magnetisatie mogelijk te maken.

Magnetische domeinen

De magnetische domeinen van ferromagnetische elementen worden ook gebieden van Weiss genoemd. Elk van deze gebieden is microscopisch klein en heeft aan de binnenzijde een homogeen magnetisch oriëntatie. In de foto links is schematisch weergegeven hoe de domeinen zich uitlijnen met een extern magnetisch veld.

Op zichzelf beschouwd, zijn alle domeinen magnetisch. Echter, de aangrenzende gebieden zijn anders georiënteerd en verzwakken de magnetische eigenschappen of heffen deze op.
Worden ferromagnetische materialen blootgesteld aan een magnetisch veld, dan worden alle domeinen in de metaalstructuur uitgelijnd. Daardoor wordt het materiaal zelf gemagnetiseerd. Wordt het metaal uit het magneetveld gehaald, dan blijft de magnetische lading nog enige tijd aanwezig. Dit effect neemt bij de meeste staalsoorten snel af. Echter bij geharde staalsoorten blijft de magnetisatie gehandhaafd.

Magneetvelden

Magneten, gemagnetiseerde objecten en elektromagneten (coils) genereren velden, waardoor krachten worden overgebracht. Het magneetveld word door veldlijnen gekarakteriseerd die van de noord- naar de zuidpool van de magneet loop. Afhankelijk van de richting van de magnetische kracht zullen de magneten elkaar aan- of afstoten. Deze eigenschappen kunnen technisch worden benut.

Technische toepassing

Permanente of elektromagneet – onze moderne wereld kan niet zonder hen. Zij bevinden zich in televisies, mobiele telefoons, in meetapparaten, worden in de medische sector toegepast en zijn elementaire delen in de machinebouw. In deze context zijn elektromotoren, transformatoren, remsystemen en magneetlagers slechts enkele voorbeelden van magneten in de industrie.

Al deze voorbeelden zijn alleen gebaseerd op deze drie basisprincipes:

  • Genereren van mechanische krachten
  • Omzetten van energie
  • Afscherming of koppelen van elektromagnetische velden

Geheel naar de gewenste toepassing stelt elk van deze principes een uitdaging aan de gebruikte materialen. Niet altijd is magnetiseren gewenst. Vooral bij het afschermen van magneetvelden moeten de materialen niet op magneetvelden reageren. Aluminium en koper laten zich niet magnetiseren. Bij staal is dat een heel ander geval.

Hoe komt het dat sommige staalsoorten magnetisch zijn, en andere niet?

Deze vraag wordt ons vaak gesteld en ook op internetfora en blogs wordt hier over gediscussieerd. Als verklaring worden deze misvattingen het vaakst genoemd:

Een bijzonder hoge zuiverheid van de legering

Het vereist een zo laag mogelijke concentratie van staal begeleidende elementen, zoals zwavel of fosfor om magnetisatie te voorkomen. Dit is fout! Deze elementen hebben geen invloed op de magnetische eigenschappen. Ze worden zeer laag gehouden omwille van de kwaliteit van roestvrij staal, omdat ze het materiaal broos maken.

Roestvast staal is niet magnetisch

Hardnekkig is het gerucht dat roestvrij staal niet magnetisch is. Dit is niet altijd het geval. Er bestaan ook magnetische roestvaste staalsoorten. Of staal roestvrij is of niet is afhankelijk van het chroomgehalte en dit beïnvloedt de magnetische eigenschappen van het materiaal op geen enkele wijze.

Hoe het werkelijk zit!

Of een staalsoort magnetisch is, is uitsluitend een kwestie van de structuur. In ons artikel over het ijzer-koolstof-diagram worden de verschillende structuursoorten uitvoerig behandelt.
Staalsoorten die een ferritische of een martensiet structuur hebben zijn magnetisch. Niet magnetisch zijn daarentegen de staalsoorten met een austenitische structuur. Bevat een staalsoort een gemengde structuur van ferriet en austeniet, dan bepaalt het ferritische aandeel de magnetische eigenschappen van het staal.