Elektromagneet: hoe elektriciteit een schakelbare magneet maakt
Een elektromagneet is een magneet die alleen werkt zolang er elektrische stroom doorheen loopt. Zodra je de stroom uitschakelt, verdwijnt het magnetisme vrijwel volledig. Dat is het grote verschil met een gewone koelkastmagneet: die trekt altijd, een elektromagneet trek je aan en uit als een lamp.
Een bekend voorbeeld is de grote ronde magneet aan een kraan op een sloop- of schrootterrein. Zodra de kraanmachinist de stroom inschakelt, klampt de magneet zich vast aan een berg oud ijzer; met een druk op de knop laat hij alles weer los. Diezelfde simpele truc — magnetisme aan- en uitzetten met stroom — zit ook in veel kleinere apparaten, van een deurbel tot de MRI-scanner in een ziekenhuis.
Wat is het precies?
De basis is een ontdekking uit de natuurkunde: elektrische stroom die door een draad loopt, wekt om die draad een magnetisch veld op. Wikkel je die draad in veel lussen om elkaar heen — dat noemen we een spoel of coil — dan tellen al die kleine magnetische veldjes bij elkaar op tot één sterker veld, met een noord- en een zuidpool zoals bij een gewone magneet.
Stop je een staaf ijzer in het midden van die spoel, dan wordt het effect nog veel sterker. IJzer is namelijk een materiaal dat magnetische veldlijnen makkelijk “geleidt” en bundelt; natuurkundigen noemen dit een ferromagnetisch materiaal. Deze ijzeren kern kan het magnetisch veld van dezelfde spoel honderden keren versterken zonder dat er meer stroom nodig is.
Hoe sterk de magneet wordt, hangt af van twee dingen: hoeveel stroom er doorheen loopt en hoeveel windingen de spoel heeft. Meer stroom of meer windingen betekent een sterker veld — tot op zekere hoogte, want te veel stroom door een gewone koperdraad levert vooral warmte op en kan de draad beschadigen.
Voor de allersterkste magneten grijpt men daarom naar een truc genaamd supergeleiding. Sommige metalen en legeringen verliezen bij extreem lage temperatuur — vaak gekoeld met vloeibaar helium tot bijna het absolute nulpunt — hun elektrische weerstand volledig. Er gaat dan geen energie meer verloren aan warmte, waardoor er enorme stromen kunnen lopen en dus zeer sterke magnetische velden ontstaan, zonder dat de spoel doorbrandt.
Wat wil men ermee bereiken?
Het aantrekkelijke van een elektromagneet is de regelbaarheid. Je kunt hem aan- en uitzetten, en de sterkte nauwkeurig instellen door simpelweg de stroom aan te passen. Die eigenschap maakt elektromagneten onmisbaar in tal van technologieën.
In elektromotoren en generatoren zetten elektromagneten elektrische energie om in beweging, en omgekeerd — het principe achter vrijwel alles wat draait, van een föhn tot een windturbine. In ziekenhuizen gebruiken MRI-scanners sterke magneten om met behulp van kernspinresonantie gedetailleerde beelden van organen en weefsel te maken, zonder röntgenstraling.
In de natuurkunde buigen en richten elektromagneten de banen van deeltjes in versnellers. Bij maglev-treinen (magnetische levitatie) laten elektromagneten de trein zwevend boven het spoor bewegen, wat wrijving met de rails wegneemt. En in de zoektocht naar kernfusie-energie moeten extreem sterke magneten een gloeiend heet plasma vasthouden zonder dat het de wanden van de reactor raakt.
Daarnaast zitten elektromagneten in talloze alledaagse toepassingen: relais en schakelaars die op afstand stroomcircuits aan- of uitzetten, luidsprekers die elektrische signalen omzetten in geluid, remsystemen in treinen, en sloopmagneten die metaal optillen en weer laten vallen in de recyclingindustrie.
Voorbeelden uit de praktijk
Bij het CERN-onderzoekscentrum nabij Genève buigen duizenden supergeleidende dipoolmagneten de banen van protonen in de Large Hadron Collider (LHC), een ondergrondse ringtunnel van 27 kilometer. Deze magneten bereiken veldsterktes van ruim 8 Tesla — ter vergelijking: de magneet van een koelkastmagneetje haalt nog geen 0,01 Tesla.
In Cadarache, Frankrijk, wordt sinds het begin van de jaren 2010 gebouwd aan ITER, een internationale experimentele kernfusiereactor. De zogeheten Central Solenoid, de centrale magneetspoel van ITER, moet een van de krachtigste magneten ter wereld worden en is essentieel om het hete plasma in de reactor in bedwang te houden.
Vrijwel elk groot ziekenhuis heeft een MRI-scanner met een supergeleidende magneet, doorgaans met een veldsterkte van 1,5 of 3 Tesla, gekoeld met vloeibaar helium.
In Japan testte de SCMaglev-trein van JR Central op de Yamanashi-testbaan in 2015 een snelheidsrecord voor bemande treinen van ruim 600 kilometer per uur, met magnetische levitatie op basis van supergeleidende magneten.
In China rijdt sinds 2004 de Shanghai Transrapid, een commerciële maglev-verbinding tussen het centrum van Shanghai en de luchthaven, gebaseerd op Duitse Transrapid-technologie.
Hoe ver is de techniek?
De elektromagneet zelf is geen nieuwe uitvinding. In 1820 ontdekte de Deense natuurkundige Hans Christian Ørsted dat elektrische stroom een magnetisch effect heeft, en al rond 1824-1825 bouwde de Brit William Sturgeon de eerste praktische elektromagneet. Het basisprincipe is dus twee eeuwen oud en volledig uitontwikkeld.
De echte vooruitgang zit tegenwoordig in supergeleidende magneten voor extreme toepassingen zoals kernfusie en deeltjesfysica. Een belangrijke ontwikkeling daarbinnen zijn hogetemperatuursupergeleiders (HTS), materialen zoals YBCO (yttrium-barium-kopperoxide) die al bij hogere — nog steeds zeer koude, maar minder extreme — temperaturen supergeleidend worden dan klassieke supergeleiders. Dat kan de koeling goedkoper en compacter maken.
Er zijn ook reële obstakels. Koeling met vloeibaar helium is duur en complex, en helium is een eindige grondstof waarvan de wereldwijde beschikbaarheid onder druk staat. HTS-materialen zijn nog lastig op grote schaal en betaalbaar te produceren in de vorm van lange, sterke draden. En bij zeer hoge veldsterktes komen enorme mechanische krachten vrij die de magneetconstructie zelf kunnen beschadigen. Kernfusie op basis van deze magneten wordt door de sector al decennia als “enkele decennia weg” beschouwd, en het is eerlijk om te zeggen dat commerciële fusie-energie nog geen vaststaand tijdpad kent.
Wie werken eraan?
CERN in Zwitserland en Frankrijk ontwikkelt en gebruikt supergeleidende magneten voor deeltjesfysica op de grootste schaal ter wereld. De internationale ITER-organisatie in Cadarache, Frankrijk — een samenwerking tussen de Europese Unie, de Verenigde Staten, China, Rusland, Japan, Zuid-Korea en India — bouwt aan de krachtigste fusiemagneten ooit.
In de Verenigde Staten werkt het Massachusetts Institute of Technology (MIT) samen met het spin-offbedrijf Commonwealth Fusion Systems aan compacte fusiereactoren op basis van HTS-magneten. Op medisch gebied bouwen bedrijven als Siemens Healthineers en Philips de supergeleidende magneten voor MRI-scanners, terwijl Bruker gespecialiseerd is in supergeleidende magneten voor wetenschappelijk onderzoek. In Japan ontwikkelt JR Central (Central Japan Railway Company) al decennia de SCMaglev-treintechnologie.