Waarom trafo’s brommen

In een grote transformator zoals je bij een energiecentrale vindt, werken krachtige magneetvelden. Die velden trekken het ijzer in de transformator-kern samen: magnetostrictie. De magneetvelden worden opgewekt door wisselstroom, dus golven ze mee op het ritme van die stroom: vijftig cycli per seconde. Een transformator van een meter hoog rekt en krimpt er per cyclus al gauw een micrometer door. Die trilling is hoorbaar als een diep gebrom.

Het klinkt alsof natuurkundigen allang weten waar de brom van de transformator vandaan komt, maar niemand wist nog hoe de losse atomen op de wisselende magneetvelden reageren. Alleen op macro-niveau is magnetostrictie goed bekend. Thierry Strässle en zijn collega’s van de Zwitserse Université P&M Curie hebben het verschijnsel nu op het niveau van atomen uitgezocht. Ze wisten met hun onderzoek een oude theorie van Werner Heisenberg, een van de grootheden van de kwantummechanica, te weerleggen.

Strässle liet industriële transformators achter zich en keek direct naar de betrokken atomen. In plaats van ijzer onderzocht hij een koppeltje mangaan-atomen en keek hoe die elkaar aantrokken in een magnetisch veld. Waarschijnlijk zit u op nog geen meter van een voorraadje mangaan: dit magnetische materiaal wordt veel gebruikt in magnetische media zoals harde schijven.

In zijn onderzoek ‘verdunde’ Strässle de magnetische binding tussen twee van zijn mangaan-atomen door er een aantal magnesium-atomen tussen te zetten; daardoor kon hij de afstand naar believen groter of kleiner maken. Vervolgens schoot hij met neutronen op de atomen en keek hoe die van elkaar terugkaatsten; dit heet neutronen spectroscopie en is een populaire onderzoeksmethode. Strässle kon erdoor bepalen dat Heisenberg’s theoretische beschrijving het gedrag van de atomen niet goed beschreef. Wel lijkt magnetostrictie van atomen volgens hem erg op magnetostrictie van een complete transformator.

Magneetvelden kunnen flinke krachten uitoefenen. Als het magneetveld van de aarde ineens weg zou vallen (zoals in de natuurkundig gezien beroerde film the Core) zou de diameter van de aarde met tien centimeter toenemen. Er zou tien vierkante kilometer aan aardoppervlak bijkomen! Hoewel het aardmagnetisch veld van richting kan wisselen en tijdens dat proces flink in kracht daalt, hoeven we niet bang te zijn voor plotselinge schokken (of een gegroeid gazon): de ompoling is een proces van duizenden jaren.