Samenvatting voor natuurkunde: Magneetvelden

Magnetische velden

Ten eerste: wat zijn magnetische velden? Magnetische velden zijn eigenlijk een soort gebieden in de ruimte die invloed uitoefenen op bewegende elektrische ladingen én magnetische dipolen. Een elektrisch geladen deeltje noemen binnen de natuurkunde een monopool, omdat het ofwel een positieve, ofwel een negatieve lading heeft. Mono betekent één, 'di' betekent twee. Een magnetisch geladen voorwerp heeft zijn lading heeft opgesplitst in een Noord- en Zuidpool.

Er zijn drie soorten magnetische velden waar we aandacht aan moeten besteden. Laten we beginnen met de meeste elementaire: de permanente magneet.

Permanente magneet

Een permanente magneet is een magnetisch stuk metaal met een Noord- en een Zuidpool. Het voorwerp maakt een magnetisch veld dat we met veldlijnen kunnen weergeven. Deze lijnen lopen van noord naar zuid. De veldlijnen geven aan in welke richting het veld loopt. Om iets preciezer te zijn: Dat betekent dat als we een kompas in het veld plaatsen, dan wijst de naald in de richting van de veldlijnen. Over het algemeen geldt: hoe dichter de veldlijnen op elkaar zitten, hoe sterker de magnetische kracht. In de praktijk komt het erop neer dat de kracht simpelweg groter is als je dicht bij de magneet staat zoals we zouden verwachten.

Hoefijzermagneet

Een interessant verschijnsel is het magnetisch veld van een hoefijzermagneet. De Noord- en Zuidpool maken als het ware twee geladen platen. Tussen deze platen bevindt zich een homogeen magnetisch veld. Dit betekent dat de richting en sterkte van de magnetische kracht overal gelijk is.

Het aardmagnetisch veld

De aarde is in feite een enorme staafmagneet. Hoe het aardmagnetisch veld eruit ziet, zie je in de video. Daar kunnen we zien dat de geografische noordpool in de buurt ligt van de magnetische zuidpool. De Noordpool van je kompas wijst dus naar de geografische Noordpool van de aarde, omdat de magnetische Zuidpool zich daar bevindt!

Magnetisch veld door bewegende ladingen

Een ander type magneetveld wordt veroorzaakt door bewegende elektrische ladingen. Een draad waar stroom doorheen loopt, om zo een magnetisch veld produceren. Stroom bestaat immers uit allemaal bewegende ladinkjes. Om de richting van het magnetisch veld door een draad te vinden maken we gebruik van de zogenoemde “rechterhandregel”. Let op: je begrijpt deze uitleg beter door (ook) de video te bekijken!

Stel: we hebben een draad. We duwen de duim van onze rechterhand in de richting van de stroom, dus van de + naar de -. De kromming van de vingers geeft dan de richting van het magnetisch veld aan. Je duim gaat in de richting van de stroom, dus die wijst naar jezelf toe. Dat zie je dat je vingers inderdaad tegen de klok in gaan. Het veld loopt dus in cirkels rondom de draad. Voor een rechte draad loopt het magnetische veld dus in cirkels om de draad. De richting van het magnetische veld staat in dit geval loodrecht op de stroom.

In de video over de elektromagneet gaan we door op dit onderwerp en behandelen we de spoel.

Formules en berekeningen voor flux

Afgezien van de formules over Lorentzkracht die we in de volgende video’s behandelen, is er ook een belangrijke formule over magnetisme. Dat is de formule voor Flux.

Hierin is phi de magnetische flux, B de magnetische inductie en A de oppervlakte. B is een maat voor de magnetische veldsterkte onder invloed van materie.

Wat is de magnetische flux?

De magnetische flux is eigenlijk de hoeveelheid veldlijnen die door een oppervlakte gaan. Het wordt misschien iets intuïtiever als je een magneetveld in je hoofd visualiseert als een grote bak met water. Als ik een raampje van een bepaalde oppervlakte in de bak maak, zal het water eruit stromen. De hoeveelheid water die eruit stroomt is de flux.

De magnetische inductie B is eigenlijk de druk die er op het water staat in deze analogie. Het is de hoeveelheid water die er vierkante meter uitstroomt. Neem deze analogie wel met een korreltje zout, want magnetische velden en water hebben totaal verschillende eigenschappen. Let op: voor deze formule moeten de veldlijnen loodrecht op het oppervlak staan!

Magnetisch veld ontbinden

In opgaven over magnetisme zul je soms in de situatie komen dat het magneetveld onder een hoek op het object staat. Je kunt de richting van een magnetisch veld gewoon ontbinden in een horizontale en verticale component zoals we dat bij krachten ook gewend zijn. Stel je hebt een magnetisch veld in bijvoorbeeld deze richting, en je wilt de flux door deze oppervlakte bepalen:

Dan kun je het gewoon ontbinden in een loodrechte en parallelle component.

Van wiskunde weten we dat Cos(alpha) gelijk is aan de aanliggende zijde (in dit geval B loodrecht) gedeeld door de schuine zijde (De totale B). Dus dan is B loodrecht gelijk aan B cos(alpha). Vervolgens vul je B loodrecht in in je formules en dan is het verder een fluitje van een cent.

Tot zover de samenvatting over magnetische velden. Veel succes met het leren voor het natuurkunde examen en/of andere toetsen!

8. Oefenopgave: serie en parallelschakeling