Theorie Wrijvingsmagnetisme in vloeibaar metaal2018-02-19T16:57:55+00:00

Theorie Wrijvingsmagnetisme in vloeibaar metaal

Mogelijke verklaring voor de opwekking van een magnetisch veld in een vloeibaar metaal

Theo Wolters, 1 oktober 2010

Uitgangspunt

Er zijn twee vormen van magnetisme bekend:

1. Metaalmagnetisme
Hierbij ontstaat, door een bepaalde kristalstructuur in een metaal, de mogelijkheid voor elektronen om met hun spin permanent dan wel tijdelijk een (statistische?) voorkeursoriëntatie aan te nemen, waarbij een krachtveld blijkt te ontstaan dat andere metalen waarin dit verschijnsel optreedt aantrekt of (bij permanent magnetisme) afstoot.

Ook is een kristalstructuurwijziging genoeg om het effect te elimineren: als je een stuk niet-magnetiseerbaar roestvast staal plastisch buigt, is het opeens in de vervormde gebied wél magnetiseerbaar, omdat hier de legering een andere kristalstructuur heeft aangenomen.
De magneetkracht heeft dus te maken met de aanwezigheid van de kern van het metaalatoom, en met de “ruimte” die er is voor de elektronenbanen om een oriëntatie te kiezen en eventueel (bij permanent magnetisme) vast te houden.

Het uiteindelijke veld is de resultante van de optelling van alle vectoren van de elektronenspins. Ze zullen niet allemaal precies om een noord-zuid as draaien. Maar er resteert een soort statistische afwijking van de normale niet magnetische situatie (waarbij de optelling nul oplevert), waardoor wél een veld ontstaat.

Het bewegen van het metaal zelf, inclusief de elektronen, heeft geen magnetisch effect.

2. Elektromagnetisme
Hierbij beweegt een elektron door een geleider. Ook dit blijkt een magnetisch krachtveld te veroorzaken.
Hier geldt een resulterend veld dat de optelling is van de vectoren van alle bewegingen van elektronen. Bij twee parallelle draden waar dezelfde maar tegengestelde stroom doorloopt resteert dan ook geen veld. Bij kleine hoeken tussen de vectoren ontstaat een veld dat dus ook statistisch te benaderen is.

Ook hier geldt weer: het bewegen van de geleider met daarin de elektronen, heeft geen magnetisch effect.

Het is mij niet duidelijk of deze twee vormen van magnetisme wezenlijk van elkaar verschillen.
Zoals ik ze hier definieer, lijkt het er wel op.

Het aardmagnetisch veld

Het aardmagnetisch veld ontstaat in de zeer grote wervelingen van vloeibaar ijzer en nikkel in de buitenkern van de aarde.

Nu is hier geen sprake van permanent metaalmagnetisme, want er is geen kristalstructuur, daarnaast is de temperatuur er te hoog voor. Hoewel deze vloeistof elektrisch geleidend is, is er ook geen aanleiding om te veronderstellen dat er een elektrische stroom doorheen loopt. Daarvoor zouden er vooralsnog onverklaarde spanningsverschillen moeten zijn. Waarom deze wervelingen magnetisme opwekken, is dus niet met de bestaande begrippen te verklaren.

De geldende verklaring (zie laatste hoofdstuk) gaat er van uit dat het ronddraaien van een gesmolten metaal met daarin zoveel vrije elektronen op zich al wél een veld oplevert. Hoe dat mogelijk zou zijn, is me niet duidelijk, maar het is in ieder geval niet verenigbaar met het gedrag van het aardmagnetisch veld: de buitenkern als geheel draait een miljoen maal sneller om zijn as (de aardas) dan de wervelingen. En altijd dezelfde kant op. Dus als deze verklaring juist was, hadden we een veel sterker veld, dat zeker nooit ompoolde. Er moet dus iets anders aan de hand zijn.

Mijn theorie

De basis van mijn theorie over het ompolingsgedrag van het aardmagnetisch veld, is het verschil in rotatiesnelheid tussen harde kern en de aardmantel, als energiebron voor het aardmagnetisch veld. De wervelingen (zie illustratie) gedragen zich dan als een soort kogels in een kogellager.

Doorsnede over de evenaar Noord-zuid doorsnede

Gelijke, tegengestelde rotatie in outer core, dus geen veld

Alleen zijn ze niet hard, en maken ze deel uit van een grote vloeistofmassa. Op zeer veel plaatsen treedt dus wrijving op, met name waar tegengesteld stromingen langs elkaar wrijven, zoals tussen de “kogels” .

Hoe moeten we ons dat op atomair niveau voorstellen?
De elektronen zijn relatief vrij om zich tussen de kernen te bewegen, maar zijn wel gebonden aan bepaalde banen.
Stel je nu een driedimensionale matrix voor van ijzeratoom kernen in de vloeistof, die op afstand gehouden worden door de elektronenschillen. Voor het gemak stellen we ons de atomen voor in lagen, alsof het een kristal betreft.
De opgetelde vectoren van de elektronenspins geven nog nul als uitkomst: er is dus geen veld. Ook al beweegt de matrix als geheel: zoals in de praktijk blijkt, is er dan geen veld.

Plaats deze matrix nu in gedachten in de buitenste laag van een werveling in de vloeibare aardkern, waar deze langs de aardmantel wrijft.
Bij wrijving in de vloeistof gaan de lagen atomen over elkaar glijden, in de vorm van een laminaire stroming.
Wat kunnen we dan zeggen van beweging van de elektronen?
Uit het feit dat er wrijving optreedt, dus energieverlies, volgt dat er tussen de lagen arbeid wordt verricht, en omgezet in warmte, wat letterlijk leidt tot een hogere snelheid van de elektronen.
Is het dan niet zeer aannemelijk dat die snelheidstoename van de elektronen niet random, maar (statistisch) gericht is, samenhangend met de richting van de wrijvingskracht? Puur omdat de wrijvingskracht in een bepaalde richting op de atomen en elektronenschillen werkt.
Ik zou me goed kunnen voorstellen dat hierdoor de elektronenspin van de atomen niet meer geheel random is, maar dat bij constante wrijving, in een constante richting, een statistisch hoger aandeel van de elektronenspins een rotatie-as krijgt die evenwijdig is aan de as van de werveling.

Dit zou precies het magnetisch veld opleveren wat we kennen, precies het gedrag van ompolingen dat we kennen, en geheel overeenstemmen met mijn theorie. Ook blijkt op bijna alle plaatsen in mijn model de wrijving in dezelfde richting te werken, en om te keren op het moment dat de kern de mantel inhaalt..
Overigens zou het ook een stap zijn richting het begrip van het magnetisme in de zon, dat om de 11 jaar ompoolt. Tot nu toe werd er vanuit gegaan de zonnedynamo anders werkt dan de geodynamo, maar dat hoeft dus niet helemaal zo te zijn: de statistische benadering zou ook kunnen gelden voor plasma.

Een extra ondersteunend argument voor de wrijvingstheorie zou kunnen zijn dat de dynamische magnetische anomalieën opvallend lokaal kunnen optreden, waarbij het middelpunt van de wervelingen als virtuele bron van het veld eigenlijk te ver weg ligt. Wrijvingsafwijkingen vlak onder de D-laag liggen al weer een stuk dichter bij de aardkorst.

Deze vorm van magnetisme noem ik wrijvingsmagnetisme. Omdat hij in mijn voorstelling van zaken grotendeels gebaseerd is op de werking van de elektronenspin uit het metaalmagnetisme, zou ik niet willen spreken van een derde vorm van magnetisme.
Het is zeer goed denkbaar dat door de wrijving wel degelijk magnetisme ontstaat, maar op geheel andere basis dan de door mij vermoede elektronenspin. Dat zou dan toch een derde vorm kunnen zijn.

Praktijkproeven

Er zijn, zoals ik al in mijn toelichting schreef, experimenten gedaan (door Danial Lathrop van de Universiteit van Maryland) met metingen aan een draaiende bol met verhit vloeibaar natruim, om te zien of er eigenlijk wel een veld ontstaat.

Draaiende bol met vloeibaar metaal en magneetsensors, en het gemeten magnetisch veld

Het is opvallend dat het opgewekte veld sterk afwijkt van het aardmagnetisch veld, doordat de polariteit weliswaar noord-zuid georiënteerd is, maar dat beide polen gelijke polariteit hebben, en de andere polariteit op de evenaar optreedt. Dit volgt echter precies mijn theorie: de bol met vloeibaar metaal op zich wekt geen veld op, hoe hard hij ook ronddraait, maar door warmteverlies op de “evenaar”, en verwarming op de “polen” ontstaan stromingen langs de binnenwand van de bol van de evenaar naar de polen. Deze hebben wrijving met de bol en veroorzaken dus een veld met gelijke polen op de “polen” en een tegengestelde pool op de evenaar. Bij nieuwe proeven van Maryland is een harde kern aangebracht binnen in de bol met vloeibaar natrium, die een sterk afwijkende rotatiesnelheid gegeven wordt t.o.v. de bol: 4 rps vs. 15 rps.

Draaiende bol (15 rps) met binnenkern (4 rps)

Het gemeten magnetisch veld

Het valt meteen op dat hier wél een in hoofdzaak noord-zuid veld ontstaat. De praktijktests in Maryland tonen dus aan dat het gangbare idee over het ontstaan van het veld niet klopt, en dat mijn verklaring wel zou kunnen kloppen. Sterker nog: het lijkt erop dat men na de eerste tests ook op het idee van wrijvingsmagnetisme is gekomen. Vanwaar anders het zeer dure experiment met 26 ton vloeibaar natruim in een ingewikkeld mechanisme? Het blijft echter de vraag of zij er ook een goede fysische verklaring voor kunnen geven.

Nieuwe ontwikkelingen in de wetenschap

Ik had het in het eerste hoofdstuk al over de geldende verklaring van de Geodynamo. Maar ook in deze opvattingen begint beweging te komen.

De dynamo van Bullard gaat voor zover ik begrijp uit van elektromagnetisme, zoals bij de inductiemotor. Daarbij is een buitenliggend veld nodig om een reactieveld te induceren, met behulp van inductieve wervelstromen. Dat het veld daarna kan voortbestaan is wellicht theoretisch mogelijk maar ik vind het niet plausibel. Er is véél te veel energieverlies. Een zo krachtig veld moet een energiebron hebben, anders dooft het snel uit.

Ik vond over dit onderwerp een interessant artikel (van Schreutelkamp).
Hierin blijkt Bullard ook bij de kenners dus al uit de gratie.

Omdat de viskeuze substantie in beweging is, zullen de daarin voorkomende ijzeratomen mede onder invloed van de warmte elektronen verliezen met als gevolg dat in de buitenkern reusachtige elektrische stromen zullen ontstaan. Deze elektrische stromen wekken op hun beurt weer lokale magnetische velden op. Met andere woorden: elke convectiecel creëert zijn eigen magneetveld.

De richting van elk opgewekt magneetveldje zal tegengesteld zijn aan dat van zijn buurman, met als nettoresultaat dat er geen dipolair magneetveld aan het oppervlak meetbaar zal zijn. Tenzij de convectiecellen niet geheel identiek aan elkaar zijn. Zeer kleine verschillen in bijvoorbeeld de grootte van de convectiecellen, in convectiesnelheid of in dichtheid kunnen enorme gevolgen hebben.

Omdat de opgewekte magneetvelden elkaar dan niet meer volledig opheffen, zal er aan het oppervlak een dipolair magneetveld meetbaar zijn. Dit magneetveld is gelijk aan het verschil in veldsterkte tussen de opgewekte magneetveldjes onderling. Verschillen tussen de convectiecellen onderling in de orde grootte van een procent zijn groot genoeg om het geconstateerde aardmagnetische veld te kunnen verklaren. Met deze theorie, bekend als het convectiecellenmodel, kan niet alleen het aardmagnetische veld worden verklaard, maar ook andere effecten als de seculaire variatie en magnetische jerks. Deze geconstateerde verschijnselen zijn niet te verklaren met de tot voor kort algemeen aanvaarde dynamotheorie van Elsasser en Bullard uit de jaren veertig en vijftig.

De nieuwe theorie doet wel héél erg denken aan de mijne: tot en met de verklaring vanuit wrijving zijn we het eens.
Maar vervolgens gaan ze uit van de gedachte dat veel vrije elektronen een stroom opwekken, die een veld genereert, wat arbeid kost.
Dus geen geheimzinnig ooit ontstaan veld meer dat zichzelf in stand houdt, maar een veld dat continu opgewekt wordt door laminaire stromingen.
Alleen houden zij het niet op een direct veld door spin-oriëntatie, maar indirect via elektrische stromen (de andere vorm van magnetisme).

Met veel vrije elektronen heb je echter nog geen stroom. Voor die stroom is energie nodig in de vorm van een blijvend spanningsverschil. Ze vullen de ene kuil met de andere. Want wat veroorzaakt dat spanningsverschil? Het zou de wrijving kunnen zijn, en dan ben ik tevreden. Maar hoe werkt dat dan precies? Van waar naar waar lopen de stromen? En waarom doen ze dat? Bij statische elektriciteit is het dacht ik essentieel dat je twee verschillende materialen over elkaar wrijft. Als dat principe hier ook van toepassing is, dan is de wrijvingstheorie onderbouwd en kan mijn spintheorie naar het archief.

Bij de gangbare theorie over willekeurige asymmetrische convectiestromen, gecombineerd met een wrijvingsmagnetisme theorie (de bovenstaande of de mijne), zou je vanwege de wrijvings- en inductieverliezen een aarde verwachten die af en toe een opflakkerend magnetisch veld kent, wat daarna wegzakt en verdwijnt tot een volgende opflakkering, niet het omgekeerde.

Mijn theorie, waarbij de convectiestromen asymmetrisch zijn als gevolg van het verschil in omwentelingssnelheid tussen harde kern en aardmantel, valt wél uitstekend te combineren met een op wrijvingsmagnetisme gebaseerde basis van het aardmagnetisch veld.

Voordat er een plausibele theorie is die het ontstaan van magnetisme in een draaiende vloeistof verklaart, gebaseerd op mijn intuïtieve benadering, of op een geheel andere, aarzel ik om mijn ompolingstheorie in Amerika te gaan bepleiten.

By continuing to use the site, you agree to our Privacy Policy and the use of cookies. Privacy Policy

The cookie settings on this website are set to "allow cookies" to give you the best browsing experience possible. If you continue to use this website without changing your cookie settings or you click "Accept" below then you are consenting to this.

Close