Magnetisch veld

Het magnetisch veld draagt de krachten van een magneet over. Het is een veld van elektromagnetische energie. De magnetische veldsterkte geeft dus aan hoe sterk een magneet is. Omdat de hoeveelheid aan magnetische energie wordt beschreven door het energieproduct, waarin de magnetische veldsterkte kwadratisch binnenkomt, heeft een magneet met de dubbele magnetische veldsterkte het viervoudige krachteffect vergeleken met een magneet met een enkele veldsterkte.

Magnetische velden verduidelijken door veldlijnen

Het magnetisch veld wordt vaak aanschouwelijk gesymboliseerd door veldlijnen. Deze veldlijnen worden zichtbaar wanneer ijzerpoeder op een papier wordt gestrooid waaronder zich een magneet bevindt. In zo'n geval rangschikken de ijzerdeeltjes zich parallel aan de veldlijnen en visualiseren ze het magnetisch veld.

De magnetische veldlijnen zijn altijd gesloten, lopen volgens definitie van de noordpool naar de zuidpool van een magneet en staan loodrecht op het oppervlak van de magneet. In principe veroorzaken bewegende ladingen magnetische velden. Een doorstroomde draad veroorzaakt dus ook een magnetisch veld.

Het magnetisch veld is een puur dipoolveld. Dat betekent dat er geen magnetische ladingen zijn die als een enkele pool kunnen worden begrepen, maar altijd alleen magneten met een noord- en een zuidpool. Het kan wiskundig bewezen worden dat om deze reden de veldlijnen altijd gesloten zijn. Ze lopen van de noordpool naar de zuidpool en in de magneet weer terug naar de noordpool.

Maxwellvergelijkingen voor de beschrijving van magnetische velden

Het magnetische veld wordt beschreven door de Maxwellvergelijkingen. De Maxwellvergelijkingen geven aan hoe dicht de magnetische veldlijnen zijn bij gegeven stroomverdelingen en in welke richting de magnetische veldlijnen lopen. Met behulp van de Maxwellvergelijkingen kan dus worden berekend hoe sterk een magnetisch veld is bij gegeven stromen en in welke richtingen de magnetische krachten werken. Daarbij zijn er geen bronnen van het magnetische veld, terwijl elektrische ladingen de bronnen zijn van het elektrische veld. Dit komt hierin tot uiting dat de veldlijnen uit de ladingen "uittreden" of erin "intreden". Er zijn geen bronnen van het magnetische veld. Veranderlijke elektrische velden en stromen veroorzaken echter magnetische wervels. Het magnetische veld is dus een puur wervelveld.

Wanneer veel kleine magneten zich overlappen, is de totale meetbare magnetische veldsterkte gelijk aan de som van alle magnetische velden van de kleine magneten. Dit principe wordt het superpositieprincipe genoemd. Uit het superpositieprincipe volgt dat veel kleine microscopische ringstromen in een materiaal, die elk leiden tot een elementaire magneet, samen een meetbare magnetisatie veroorzaken, dus een merkbaar magnetisch veld, wanneer alle elementaire magneten gelijkmatig zijn uitgelijnd. Als de elementaire magneten daarentegen willekeurig zijn georiënteerd, is er naar buiten toe geen magnetisch veld meetbaar.

Magnetische velden berekenen

In tegenstelling tot de wijdverbreide opvatting wordt het magnetisch veld in de natuurkunde niet met de letter B afgekort en niet zoals dit B-veld, dat de magnetische fluxdichtheid aanduidt, gemeten in de eenheden Tesla of Gauss. Het magnetische veld wordt eerder afgekort met de letter H en in de eenheid ampère per meter gemeten.

Er geldt de relatie

\( H = \frac{1}{\mu\mu_0}\cdot {B}\)
Hierbij duidt μ op de magnetische permeabiliteit van het materiaal dat door het magnetisch veld wordt omsloten. μ₀ is de magnetische permeabiliteitsconstante van het vacuüm. Voor het vacuüm en bij benadering voor lucht geldt μ=1. Voor ijzer daarentegen kan μ waarden tot enkele duizenden aannemen.

De magnetische fluxdichtheid van een stroomgeleidende spoel wordt met de factor μ versterkt als er zich een materiaal in de spoel bevindt met de magnetische permeabiliteit μ. De magnetische fluxdichtheid heeft geen bronnen en geen zinkputten. Dienovereenkomstig dringt zij uit het ijzer in de lucht binnen zonder haar grootte te veranderen. Zij veroorzaakt een overeenkomstig groot magnetisch veld in de lucht. Magnetische velden worden dus versterkt door het contact met ferromagnetische materialen.

Dit kan men zich voorstellen alsof door een magnetisch veld in een ferromagnetisch materiaal de aanwezige microscopische magnetische momenten parallel worden uitgelijnd en zelf een magnetische fluxdichtheid veroorzaken. Deze magnetische fluxdichtheid kan veel sterker zijn (met de factor μ sterker) dan de magnetische fluxdichtheid die de vele elementaire magneten oorspronkelijk heeft uitgelijnd.

De kwadratische afhankelijkheid van de magnetische krachten van de magnetische veldsterkte kan men zich aanschouwelijk voorstellen. Bij de magnetisatie van ijzer wordt in het veld van een hypothetische magneet "M4" met dubbele veldsterkte ten opzichte van een andere magneet "M1" het ijzer ook twee keer zo sterk gemagnetiseerd. Het ijzer, zelf in het veld van M4 dubbel zo sterk gemagnetiseerd (ten opzichte van M1), wordt nu per eenheid van de magnetisatie weerom dubbel zo sterk door de magneet M4 aangetrokken (ten opzichte van M1). De totale magnetische krachtwerking en ook de totale hoeveelheid magnetische energie in de magneet M4 zijn dus vier keer zo groot als bij M1. De krachtwerking en het energieproduct stijgen kwadratisch met de magnetische fluxdichtheid respectievelijk het magnetisch veld.