Veldlijnen

Magnetische veldlijnen visualiseren het magnetische veld. Ze hebben echter ook een echte natuurkundige betekenis, omdat door de dichtheid van de veldlijnen de sterkte van de magnetische krachten en door de richting van de veldlijnen de richting van de magnetische krachten wordt getoond. Wanneer men ijzervijlsel op een blad papier strooit, waaronder zich een magneet bevindt, rangschikken de ijzeren deeltjes zich in lijnvormige structuren en lijken ze de magnetische veldlijnen rechtstreeks af te beelden.

Hoe verlopen magnetische veldlijnen?

De veldlijnen lopen altijd van de noordpool naar de zuidpool van een magneet. De veldlijnen eindigen echter niet aan de zuidpool, maar lopen binnen in de magneet door het materiaal terug naar de noordpool.

De reden hiervoor is, dat er geen bronnen of putten voor het magneetveld bestaan. Er bestaat dus geen stof, waar de magnetische veldlijnen uitlopen, zonder er ook weer in te lopen en omgekeerd. In natuurkundige termen betekent dit dat er geen magnetische ladingen zijn zoals bijvoorbeeld een positieve of negatieve elektrische lading. Alleen vanuit deze bronnen zouden magnetische veldlijnen in een rechte lijn lopen.

Zijn magnetische veldlijnen gesloten?

De B-veldlijnen van het magnetische veld zijn gesloten lijnen zonder begin en einde, die echter ook in het oneindige kunnen uitlopen. Dit komt omdat het magnetisch veld een vortexveld is, zoals wiskundig beschreven door de vergelijkingen van Maxwell. Aangezien er geen individuele magnetische ladingen zijn, is er geen puntbron, van waaruit de magneetveldlijnen "uitlopen" zoals bij ladingen.

Magnetische veldlijnen: relevant bij het beschouwen van het krachteffect van magneten

Veldlijnen zijn relevant bij het beschouwen van het krachteffect van magneten. Als dit krachteffect wordt gevisualiseerd door de veldlijnen, geldt dat de kracht van een magneet op een klein voorbeeldmagneetje tangentieel aan de veldlijnen werkt. Bovendien is de sterkte van de kracht evenredig met de dichtheid van de veldlijnen in het gebied van het preparaat. Als men de veldlijnen geometrisch construeert en hun dichtheid in aanmerking neemt, kan de kracht van de magneet voor bepaalde afstanden van een testmagneet of een ferromagnetisch materiaal worden ingeschat met behulp van de veldlijnen. Omgekeerd kan men uitgaande van de wetten van kracht en energie in de natuurkunde het verloop van de veldlijnen beschouwen.

Magneet op een ferromagnetisch oppervlak: verloop van de veldlijnen

Als men de noordpool van een magneet in de buurt van een ferromagnetisch materiaal (bijv. ijzer) brengt, dringen de veldlijnen door het materiaal heen. Dit moet zo zijn, aangezien ook het ijzer wordt gemagnetiseerd. Het ijzer richt zijn door magnetisatie ontstane zuidpool op de noordpool van de magneet, zodat de veldlijnen van de noordpool van de magneet rechtstreeks naar de zuidpool van het gemagnetiseerde ijzer wijzen. Aan de achterzijde van het ijzeren lichaam of, meer in het algemeen, uitgaand van de noordpool van het gemagnetiseerde ijzer lopen de veldlijnen dan terug naar de zuidpool van de magneet.

Waarom verlopen magnetische veldlijnen van noord naar zuid?

De richting van de magnetische veldlijnen, dus de definitie, das deze van de noordpool naar de zuidpool lopen en niet andersom, is een natuurkundige conventie. De enige wetenschappelijk rechtvaardiging is dat er twee polen moeten zijn. Welke daarvan de noordpool en welke daarvan de zuidpool is werd gewoon vastgelegd.

Waarom kruisen veldlijnen elkaar niet?

Veldlijnen zijn een fundamenteel concept in de natuurkunde, dat ontwikkeld werd om de onzichtbare krachten van elektrische en magnetische velden of ook van zwaartekrachtvelden te visualiseren. Ze dienen als abstracte voorstellingen, die de richting en de sterkte van deze velden op verschillende punten in de ruimte afbeelden. Het principe, dat veldlijnen elkaar niet kruisen is gebaseerd op de logische aanname, dat er slechts één enkele, unieke kracht kan heersen op een bepaald punt in de ruimte.

In werkelijkheid bestaan veldlijnen niet fysiek; ze zijn eerder een hulpmiddel voor wetenschappers en ingenieurs om de eigenschappen van velden te beschrijven en te analyseren. De voorstelling, dat veldlijnen elkaar niet kruisen, is gebaseerd op de wiskundige beschrijving van velden met behulp van vectorvelden. In een vectorveld is aan elk punt een vector toegedeeld, die de grootte en de richting van de kracht op dit punt aangeeft. De uniciteit van deze vectoren op elk punt betekent, dat het onmogelijk is, op dezelfde locatie twee verschillende richtingen te hebben voor de resulterende kracht op ferromagnetische deeltjes (die door veldlijnen worden weergegeven), zonder de grondbeginselen van de vectorrekening te schenden.

Dit concept helpt niet alleen bij de visualisering en het begrip van de eigenschappen van velden, maar maakt ook het gebruik van wiskundige en natuurkundige wetten, zoals de wet van Gauss voor elektriciteit en magnetisme of de zwaartekrachtwet van Newton. Hierdoor zijn precieze voorspellingen over het gedrag van deeltjes binnen deze velden mogelijk en vormt de basis voor de ontwikkeling van technologische toepassingen, van elektrische motoren tot satellietbanen.

Samengevat zijn veldlijnen een essentieel gereedschap in de natuurkunde, dat abstracte concepten grijpbaar maakt. De regel dat ze elkaar niet kruisen weerspiegelt de uniciteit en consistentie van natuurkundige wetten, ook al zijn de veldlijnen zelf slechts een gemodelleerde afbeelding.

Veldlijnen geven in elektromagnetische velden dus de richting van de kracht weer, die op ferromagnetische materialen (in het geval van magnetische velden) op elk punt in de ruimte werkt. Ze snijden elkaar niet, aangezien de kracht op elk punt in de ruimte een unieke richting heeft. Wanneer de veldlijnen elkaar zouden snijden, zou dit betekenen, dat op dit snijpunt de resulterende magnetische kracht op de deeltjes twee richtingen tegelijkertijd heeft, dus dat het deeltje zich bij toeval in twee verschillende richtingen zou kunnen bewegen, hetgeen natuurkundig niet klopt voor macroscopische objecten. Wanneer verschillende krachten elkaar overlappen ontstaat een resulterende kracht, door deze beide „partiële krachten“ vectorieel bij elkaar op te tellen. De veldlijn zou dan op deze plek in de richting van deze resulterende kracht wijzen. De uniciteit van de krachtvectoren in elk punt garandeert, dat veldlijnen altijd evenwijdig zijn en elkaar niet snijden. Dit principe helpt om de continue en consistente aard van krachtvelden te begrijpen en te visualiseren.

Magnetische veldlijnen zichtbaar maken

Met behulp van ijzerpoeder kunt u magnetische veldlijnen zichtbaar maken. Het ijzerpoeder rangschikt zichzelf in een magnetisch veld in lineaire structuren. Men gebruikt graag staafmagneten of hoefijzermagneten voor zulke experimenten. Verder onderstaand vindt u een paar geschikte producten uit de online shop van supermagnete.

U kunt inspiratie voor spannende experimenten vinden in het project Veldlijnen in 3D of in de video, die hieronder gelinkt is.