Natuurkunde

1. Elektromagnetisme

Gegeven door:
Felix Kuyken
Beschrijving Begrippen Examenvragen

In deze video met uitleg voor natuurkunde gaan we elektromagnetisme behandelen. Eerst doen we een korte recap waarin we de belangrijke concepten van elektrische velden en magnetische velden apart behandelen. Als deze zijn opgehelderd gaan we door met leren hoe een elektrisch magneet rondom een spoel ontstaat. Tot slot kunnen we hiermee de elektromagneet begrijpen. Je kunt deze video gebruiken om te leren voor het eindexamen natuurkunde, of natuurlijk voor andere toetsen!

Elektrisch veld

Het elektrisch veld beschrijft de grootte en richting van elektrische krachten in de ruimte bij een gegeven landing in de ruimte.

Magnetisch veld

Een magnetisch veld is een veld in de ruimte die een magnetische kracht op bewegende elektrische ladingen en magnetische dipolen uitoefent.

Veldlijnen

Een veldlijn, ook krachtlijn genoemd, is een denkbeeldige lijn in een veld die voor elk punt de richting van het veld aangeeft.

Dipool

Een dipool is een object met twee polen, twee uiteinden met tegengestelde polariteit.

Spoel

Een spoel is een elektrische component bestaande uit geleidende wikkelingen, meestal van koperdraad. De spoel kan een magnetiseerbare weekijzeren kern bevatten om een elektromagneet te maken.

Handregel

Met de handregel kun je de richting van de Lorentzkracht bepalen. Voor de rechterhand geldt het volgende: met de duim bepaal je de stroomrichting en met de vingers de magnetische veldlijnen richting de Lorentzkracht

Elektromagnetisme

Een natuurkunde term die aangeeft dat elektrische en magnetische verschijnselen verstrengeld zijn

Ingenieurs van het Sandia National Laboratory hebben Star Wars technologie gebruikt om een nieuw soort magnetische trein te ontwikkelen. 


LOS ALAMOS – In de jaren tachtig experimenteerde Sandia met een methode om kogels de ruimte in te schieten met behulp van een zogenaamde ‘coil gun’. De loop van dit geweer bestond uit een buis omgeven door een serie elektromagnetische spoelen. Een elektrische puls door de spoelen veroorzaakte een magnetisch veld, waardoor een kogel met grote snelheid door de buis geduwd werd.

 

De ‘Seraphim’ trein (Segmented Rail Phased Induction Motor) werkt volgens hetzelfde principe als de ‘coil gun’, maar bij de trein bewegen de elektromagneten en staat het metaal stil. Het basisontwerp, dat men gaat testen, is relatief eenvoudig. Onder aan een gewone trein worden spoelen aangebracht. Een generator aan boord zorgt voor stroompulsen van enkele milliseconden waardoor in de spoelen een magnetisch veld wordt opgewekt. Die magnetische velden zetten zich af tegen de randen van geïsoleerde, neutrale aluminium platen, die tussen de rails zijn aangebracht. Hierdoor wordt de trein vooruit geduwd. Sensoren schakelen de stroom in zodra een spoel het midden van de aluminium plaat is gepasseerd. De stroom en dus ook het magnetisch veld wordt uitgeschakeld zodra het veld de plaat verlaten heeft. De Seraphim zal zijn topsnelheid van 300 km/h gemakkelijk kunnen halen. Proberen veel sneller te gaan heeft weinig zin, omdat de luchtweerstand dan te groot wordt. Dit is overigens een probleem waar alle extra snelle treinen mee te kampen hebben.

 Naar: Technisch Weekblad, augustus 1995


Noem één overeenkomst en één verschil tussen het principe van de werking van de ‘coil gun’ en de ‘Seraphim’ trein.

C1: Elektrische systemen

C2: Elektrische en magnetische velden

Samenvatting voor natuurkunde: Elektromagnetisme


Wat zijn elektrische velden?

Elektrische velden ontstaan rondom geladen deeltjes of bronnen. Een elektrisch veld oefent een elektrische kracht uit op andere geladen deeltjes. Een dergelijk veld kan grafisch worden weergegeven met behulp van veldlijnen. Deze geven aan in welke richting de kracht loopt als een positief geladen deeltje in het veld zou worden geplaatst. Een deeltje in een elektrisch veld kan je losjes vergelijken met een vlieger in de wind. De veldlijnen (windrichting in de analogie) en veldsterkte (windkracht in de analogie) bepalen waar het betreffende deeltje naartoe beweegt. Hier zijn twee soorten elektrische velden te zien.  




Zoals we zien lopen de veldlijnen van de “plus” naar de “min”. Dus even kort samenvattend: elektrische velden ontstaan door ladingen. Ze oefenen een kracht uit op andere ladingen en de richting daarvan is de bepalen aan de van van de veldlijnen. 


Wat zijn magnetische velden?

Magnetische velden werken op vergelijkbare manier. Een magnetisch veld oefent een magnetische kracht uit op zowel bewegende elektrisch geladen deeltjes als magnetische dipolen. Een elektrisch geladen deeltje is een monopool. Dit houdt het ofwel een positieve ofwel een negatieve lading heeft. Een magneet is een dipool. Dit betekent dat een magnetisch voorwerp twee polen bevat: een noordpool en een zuidpool, vaak te vinden aan de uiteinden van het voorwerp. 


Net als elektrische velden, kunnen we magnetische velden grafisch weergeven met veldlijnen. Deze lijnen lopen van de noord naar ze zuidpool. In de video zien we de veldlijnen van een zogenoemde “permanente magneet”. Dit is een voorwerp dat gepolariseerd is (dus twee magnetische polen heeft).


Magnetische inductie wordt weergeven met de grootheid B.


Elektromagnetisch veld in een draad

In een draad waar stroom doorheen loopt, zal zowel een elektrisch als een magnetisch veld ontstaan. De stroomrichting is vaak gemakkelijk te bepalen; die loopt immers van de + naar de -, net als bij de elektrische velden. Het is noemenswaardig dat de elektronen in een draad in de tegengestelde richting van de stroom lopen. Elektronen zijn negatief geladen en worden afgestoten door de “-” kant en aangetrokken door de “+” kant. Dit is tegen de stroomrichting in. Houdt dat goed in je achterhoofd, voor het geval je opdrachten krijgt waarin ze enkel de richting van de elektronen geven!


Maar hoe zit het nu met de richting van het magnetische veld? Terugdenkend aan de magnetische velden hebben we eerder beweerd dat veldlijnen van de Noordpool naar de Zuidpool lopen. Ik hoor je al denken: “Een draad heeft toch geen noord- en zuidpool?" Goede observatie, dat klopt, toch ontstaat er een magnetisch veld! Hou de vraag over de polen nog heel even in je achterhoofd. Bij het behandelen van de spoel komen we erop terug. 


Handregels

Om de richting van het magnetisch veld door een draad te vinden maken we gebruik van de zogenoemde “rechterhandregel”. Let op: je kunt dit onderdeel beter begrijpen door de beelden in 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. Logischerwijs neemt de veldsterkte toe naarmate we dichter bij de draad zitten. Neem even een paar seconden om dit te laten bezinken. Voor een rechte draad loopt het magnetische veld dus in cirkels om de draad. De richting van het magnetische veld staat dan ook altijd loodrecht op de richting van de stroom. Ofwel, de grootheden I en B staan altijd loodrecht op elkaar. Dit gaat later belangrijk zijn als ze we Lorentzkracht behandelen. 


De elektromagneet

Nu we begrijpen hoe een magnetisch veld ontstaat uit een stroomdraad, kunnen we de elektromagneet begrijpen. Een elektromagneet is een magneet waaruit het magnetische veld ontstaat uit een stroom. Bij deze magneet wordt gebruik gemaakt van een spoel.


Als je een draad zoals we bij het vorige onderwerp besproken hebben op gaat winden, dan zal het magnetisch veld in dezelfde richting wijzen. Je kunt dit altijd checken door met je duim de draad te volgen in de richting van de stroom. 


Om een spoel te maken, moeten we een lange stroomdraad opwinden zoals we net hebben gezien. Het kost een klein beetje ruimtelijk inzicht om ons voor te stellen dat het magnetische veld rondom een spoel er als volgt uit kan zien. Nogmaals: bekijk de video voor een betere uitleg!


De veldlijnen gaan aan één kant de spoel in en aan de andere kant de spoel uit. Buiten de spoel loopt het in grote cirkels terug, precies zoals dat bij de draad met enkele winding het geval was. Je kan checken of de veldlijnen dezelfde kant op lopen door met je rechterduim te beginnen bij de “plus” en dan vervolgens de stroomdraad te volgen. Je zal zien dat je vingers steeds naar links wijzen. Zoals we weten geven de vingers de richting van de magnetische veldlijnen aan. 


Als we nog eens goed kijken naar de figuur in de video kijken, is er nog iets opvallends aan de hand. We zien dat de magneet-veldlijnen van een spoel zich gedraagt als een permanente magneet zoals we die aan het begin van dit filmpje hebben gezien (alleen dan zijn in deze figuur de noord en zuidpool omgedraaid). Nu zien we dat een spoel dus wel een noord en zuidpool heeft!


Een elektromagneet kan worden gemaakt door zo’n spoel om een ijzeren kern te wikkelen. Als de stroom aanstaat, zal de kern zich magnetisch gedragen. Als je de stroom vervolgens uitzet, dan verdwijnt ook de magnetische werking van de kern.