Stevin 2016 - vwo - 10 Elektromagnetisme

 

Embed or link this publication

Description

Stevin 2016 - vwo - 10 Elektromagnetisme

Popular Pages


p. 1

10 Elektromagnetisme Een messing cilinder ligt op twee rails. Als we een sterke elektrische stroom inschakelen, schiet de cilinder weg. Wat zit er in de cilinder? Nie tv oo r ge b rui ko ps ch oo l

[close]

p. 2

184 10 Elektromagnetisme 10.1 Magneten en elektromagneten In deze paragraaf onderzoeken we kompassen, magneten en elektromagneten. Het magnetisme van de aarde Als je twee staafmagneten bij elkaar in de buurt houdt, merk je al gauw dat de twee uiteinden elkaar of afstoten of aantrekken. Die uiteinden noemen we de polen. Vaak is één van de polen rood geschilderd en de andere wit. Het kompas is de oudste toepassing van een magneet; je kunt er het noorden mee vinden. Een simpel kompas maak je door een magneet op te hangen. Hij draait dan met zijn rode pool naar het noorden. Die kant van de magneet noemen we de noordpool en de andere kant de zuidpool. Waarschijnlijk ken je deze regel al: Gelijke polen stoten elkaar af en ongelijke polen trekken elkaar aan. Als je blijft reizen in de richting die het kompas aangeeft, kom je overigens niet op de noordpool terecht maar bij de magnetische pool, ergens in het noorden van Canada. De hoek die het kompas verkeerd aanwijst, noemen we de declinatie (in Amsterdam is die hoek ongeveer 4º westelijk). Nie tv oo r ge b rui ko ps ch oo l Magnetische velden Bovendien staat een volkomen uitgebalanceerde kompasnaald niet horizontaal. Een naald in het noord-zuidvlak maakt in Amsterdam een hoek van 67º met het horizontale vlak. Deze hoek noemen we de inclinatie. Trekvogels oriënteren zich bij bewolkt weer met behulp van het magnetisme van de aarde. Plaatselijke verstoringen daarvan zijn er waarschijnlijk de oorzaak van dat walvissen stranden. Op de maan heb je niets aan een kompas omdat de maan vrijwel geen magnetisme bezit. (Lees) Van de aarde en magneten zeggen we dat ze een magnetisch veld om zich heen hebben. Een kompas is daar gevoelig voor en ‘weet’ welke stand het moet aannemen. In 1644 wist Descartes al dat je magnetische velden ‘zichtbaar’ kunt maken met ijzervijlsel. Deze foto is gemaakt door een vel fotopapier op een magneet te leggen en er ijzervijlsel op te strooien. Daarna is het papier even belicht. Waar het ijzervijlsel lag, is de foto wit gebleven.

[close]

p. 3

10.1 Magneten en elektromagneten Veldlijnen Het ijzervijlsel rijgt zich aaneen tot lijnen, die we veldlijnen noemen. Je kunt veldlijnen ook zichtbaar maken met kleine kompasjes. Een veldlijn heeft een richting, hij wijst van de noordpool naar de zuidpool van een magneet. Het veldlijnenpatroon vertelt ons hoe de stand van een kompas wordt als we dat ergens plaatsen. De kompasnaald gaat volgens de raaklijn in dat punt staan. Hieronder zie je het veldlijnenpatroon van een hoefijzermagneet. Van alle mogelijke veldlijnen zijn er twee getekend. Ook zijn de krachten op de polen van een kompasnaald aangegeven. Hoe sterker het veld is, hoe dichter de veldlijnen bij elkaar zitten. De kompaspool die het dichtst bij de pool van de magneet zit, voelt dus de grootste kracht. Veldlijnen die het papier ingaan, geven we aan met  (de achterkant van een pijl) en als ze het papier uitkomen met ∙ (de voorkant van een pijl). Homogene velden tekenen we dus zo: Atomair magnetisme Stel dat zich onder dit blad papier een magneetpool bevond, dan zouden de veldlijnen door het papier heen prikken. Nie tv oo r Als het veld overal even sterk is en dezelfde richting heeft, noemen we het homogeen. We tekenen de veldlijnen dan evenwijdig en op dezelfde afstand van elkaar. Tussen de armen van de hoefijzermagneet is dit min of meer het geval. ge b rui Als je het blad van een ijzerzaag hebt gemagnetiseerd door er met een magneet langs te strijken, ontstaan er een noord- en een zuidpool. Knip je het zaagblad door, dan krijg je twee magneten, ieder weer met een noord- en een zuidpool. Hoe klein je de stukjes ook maakt, steeds houd je een complete magneet over. De polen kunnen dus niet van elkaar losgemaakt worden. Om dit te verklaren stellen we ons voor dat ijzeratomen kleine magneetjes zijn. Zie de modellen hieronder. In een magneet hebben de meeste atomen ongeveer dezelfde richting (links). In ongemagnetiseerd ijzer (rechts) zitten microscopisch kleine gebiedjes waar vele miljarden atomen dezelfde richting hebben; maar in gebiedjes naast elkaar zijn de richtingen verschillend. Naar buiten merk je daarom niets van het atomaire magnetisme. Deze gebiedjes heten weissgebiedjes. (Extra) ko ps ch oo l 185

[close]

p. 4

186 10 Elektromagnetisme Magnetiseren en demagnetiseren Magneten Nie tv oo r ge b Magneten komen in allerlei vormen en maten voor en worden van diverse materialen gemaakt. Vroeger was dat ijzer, maar tegenwoordig worden ze vaak net als klei gebakken, onder andere van ijzeroxiden. Deze moderne magneten zijn magnetisch erg sterk, maar mechanisch nogal bros; ze breken gemakkelijk. Dynamomagneten hebben om en om een noordpool en een zuidpool op hun omtrek. Magneten uit luidsprekers zijn ringvormig, zij hebben hun polen op boven- en ondervlak. De rechthoekige magneet heeft zijn polen op de grootste vlakken. rui Je kunt een stuk ijzer magnetisch maken door er zacht op te kloppen terwijl er een magnetisch veld in de buurt is. De weissgebiedjes worden dan gericht. Vergelijk dat met wat je ziet bij het ijzervijlsel: voorzichtig tikken op het papier geeft mooie veldlijnen. Sterke permanente magneten worden gemaakt door speciale ijzeroxiden of legeringen in een spoel te brengen en dan een sterke gelijkstroom door die spoel te sturen. De stoffen ‘onthouden’ hun magnetisatie ook na afloop; we noemen dit remanent magnetisme. Gewoon ijzer ‘vergeet’ die magnetisatie weer; dit heet weekijzer. De eerste kompasnaalden waren van weekijzer; vandaar dat zeelieden een magneetijzersteen meenamen om de naald telkens opnieuw te magnetiseren. Als je een magneet laat vallen, gaat de interne ordening van de weissgebiedjes voor een deel verloren. Vergelijk dat met een ijzervijlselpatroon dat verdwijnt als je hard tegen het papier tikt. ko ps ch oo l Proef 1 Influentie Houd een magneet een paar mm boven een grote spijker en doop de punt in een stapel kleine spijkertjes. Je kunt dan wat spijkertje uit de stapel opvissen. Ga na hoe groot je de afstand tussen spijker en magneet kunt maken zodat er nog net spijkertjes aan de punt blijven hangen. Dit verschijnsel, waarbij een stuk (week)ijzer magnetisch wordt als er een magneet in de buurt is, heet influentie. Proef 2 De curietemperatuur Bij ieder metaal bestaat er een temperatuur waarbij de weissgebiedjes zó heftig door elkaar worden geschud dat magnetisatie niet meer mogelijk is. Dat verschijnsel is aan te tonen met deze ijzeren schijf waar oude nikkelen dubbeltjes aan vast gesoldeerd zijn. De schijf is horizontaal draaibaar in de buurt van een magneet opgesteld. We verhitten twee van de dubbeltjes met de vlam van een kaarsje. Als de curietemperatuur bereikt wordt, draait de schijf een eindje verder omdat de verwarmde dubbeltjes niet meer aangetrokken worden.

[close]

p. 5

10.1 Magneten en elektromagneten Elektromagneten Als we een elektrische stroom door een spoel sturen, krijgen we een elektromagneet. We kunnen het veldlijnenpatroon onderzoeken met ijzervijlsel. Oersted kende deze (mislukte) proeven en hij wist ook dat rondom de plaats van een blikseminslag vaak gemagnetiseerd ijzer wordt aangetroffen. Zo kwam hij op het idee dat de magnetische invloed van een stroomdraad in de dwarsrichting gezocht moest worden. Toen hij de draad evenwijdig aan de kompasnaald opstelde, zag hij de naald draaien. Met een kompasje vinden we de noord- en de zuidpool: Proef 3 De proef van Oersted Nie tv oo r Ook een rechte stroomdraad veroorzaakt een magneetveld. De eerste die dat ontdekte was Oersted in 1820. Al tientallen jaren hadden andere natuurkundigen tevergeefs naar zo’n effect gezocht, maar ze hadden niets gevonden doordat zij de stroomdraad dwars op de kompasnaald plaatsten. De verwachting was namelijk dat de naald dan evenwijdig aan de draad zou gaan staan. ge b De plaats van de noord- en de zuidpool hangt af van de richting waarin de stroom ronddraait. Je kunt de richting van het veld bepalen met de wijzerstroomregel: Als de stroom met de wijZers van de klok mee draait, kijk je tegen een Zuidpool aan; daar gaan de veldlijnen de spoel binnen. Je kunt ook een grijpende beweging maken met je rechterhand en op je duim letten om de richting van de veldlijnen binnen de spoel te vinden. rui Houd een lange stroomdraad waar 2 à 3 A door gaat, vlak boven een kompas en kijk hoe de naald daarop reageert. Doe de proef op een houten tafel, want ijzer onder de tafel stoort het effekt. a Laat de stroom in verschillende richtingen wijzen: naar het noorden, het oosten, ... b Leg de draad in verschillende richtingen op tafel en houd het kompas er vlak boven. c Houd de stroomdraad verticaal en ga er met een kompas in een horizontaal vlak omheen. ko ps ch oo l 187

[close]

p. 6

188 De ‘kurkentrekkerregel’ 10 Elektromagnetisme Ampère gaf als eerste aan hoe je de richting van het magnetisch veld van een stroom kunt bepalen. Van Maxwell is een variant afkomstig die bekend staat als de kurkentrekkerregel. Stromen die het papier ingaan geven we aan met  en stromen die het papier uitkomen met . De richting van de veldlijnen en de richting van de stroom horen bij elkaar als de bewegingen van een rechtsdraaiende schroef. Het magnetisch veld van een spoel Het magnetisch veld rondom een stroomdraad en rondom een spoel bestaat uit gesloten veldlijnen; zij bijten zichzelf in de staart. Zo lopen de veldlijnen in een spoel niet alleen buitenom van noord naar zuid, maar ook binnendoor van zuid naar noord. Binnen en naast deze spoel zijn kompasjes opgesteld. Met de schakelaar open, zoals in de linkertekening, wijst het kompas naar het noorden. Nie tv oo r ge b rui ko ps ch oo l ITER Als de stroom is ingeschakeld, heb je te maken met twee velden die beide van invloed zijn op de stand van de kompasnaalden. De noordpool van het kompasje in de spoel draait naar de noordpool van de spoel! Zo moet je dat niet onthouden. Je kunt beter letten op de veldlijnen: de noordpolen van de kompasjes wijzen de richting van de veldlijn aan. Sturen we meer stroom door de spoel, dan wordt het veld van de spoel blijkbaar sterker want de kompasnaalden gaan dan steeds meer evenwijdig aan de as van de spoel staan. Het blijkt dat het veld van een spoel sterker is als:  de stroomsterkte groter is  er meer windingen worden gebruikt  de windingen dichter op elkaar zitten  een ijzeren kern in de spoel is aangebracht. ‘We willen de zon in een doos stoppen. Het probleem is dat we niet weten hoe we die doos moeten maken.’ Aldus een wetenschapper die twijfelt of kernfusie wel de energie van de toekomst is. Zo’n fusiereactor is milieuvriendelijk. In Zuid– Frankrijk wordt de reactor ITER gebouwd. Kapotgeslagen atomen waterstof en zwaar waterstof (een plasma) zullen fuseren in een rondgebogen spoel, een toroïde, met een straal van 6 m. Het probleem is de kernen dicht genoeg bij elkaar te brengen en te houden. Het magneetveld (de doos) is zo’n 5 T sterk, want de spoelen zullen gekoeld worden tot −200 ºC en de supergeleidende magneten zelfs tot −269 ºC.

[close]

p. 7

10.1 Magneten en elektromagneten Opgaven 10.1 1 a Leg uit waarom de aarde in het noorden (magnetisch gezien) een zuidpool heeft. b Waar op aarde is de declinatie 180º? c Leg uit waarom magnetische veldlijnen elkaar niet kunnen snijden. 2 a Hoe heet dit verschijnsel? b Op welk halfrond wordt deze proef gedaan? c Hoe doe je die proef op de evenaar? 5 Het ene voorwerp is een magneet en het andere een stuk ijzer. a Hoe kun je zonder hulpmiddelen nagaan wat de magneet is? Een dubbeltje hangt aan een lange koperdraad en wordt door een magneet in een vlam getrokken. - Voorspel wat er gaat gebeuren. b Verklaar waarom je de brokstukken van een gebroken luidsprekermagneet niet meer tegen elkaar kunt leggen. 3 6 a Neem de figuren over en schets de veldlijnen Helemaal links bevindt zich een zuidpool. Geef de noordpolen aan op deze foto: 4 Iemand houdt een kompas bij de ijzeren spijlen van een hek en ontdekt dat aan de onderkant de noordpool naar de spijl wijst en aan de bovenkant de zuidpool. tv oo r De spijlen van het hek zijn door het veld van de aarde gemagnetiseerd. Nie ge b rui 7 b Waar zitten de noordpolen van deze twee spoelen? - Gaat de stroom het papier in of uit? ko ps ch oo l 189 bij deze vier stroomlussen. Deze kompasjes worden min of meer gericht door het veld van een rechte stroomdraad die bij P loodrecht uit het papier naar je toe komt.

[close]

p. 8

190 10 Elektromagnetisme 10.2 De lorentzkracht Omdat er geen eenheidskompassen bestaan, is het wat lastig om de sterkte van een magnetisch veld te definiëren. Daarom maken we gebruik van de kracht die een magneet op een elektrische stroom uitoefent. Proef 4 De lorentzkracht We verbinden twee statiefstangen met een spanningsbron en leggen er een aluminium staafje dwars op. Houden we nu een magneet boven het staafje dan rolt het weg.  Met de noordpool omlaag rolt het staafje naar rechts.  Als we de magneet of de richting van de stroom omkeren, rolt het staafje naar links.  Als we de magneet evenwijdig aan het staafje houden, komt het niet in beweging. De kracht die voor deze beweging zorgt, heet de lorentzkracht FL ge b Nie tv oo r rui ko ps ch oo l Proef 6 Een proef van Ampère Proef 5 Een gloeidraad in een magneetveld Houd een magneet bij de gloeidraad van een kooldraadlamp. Door de gloeidraad loopt wisselstroom. Dat betekent dat de stroom voortdurend van richting omkeert. Daardoor wisselt ook de lorentzkracht steeds van richting en gaat de gloeidraad trillen. Doordat de frequentie van het net 50 Hz is, trilt de gloeidraad ook met die frequentie heen en weer. Binnen een week nadat Ampère hoorde van de ontdekking van Oersted, deed hij tal van belangrijke proeven. Onder andere deze: hij hing twee draden niet al te strak gespannen naast elkaar en stuurde door beide een stroom. De draden trokken elkaar aan als de stromen dezelfde richting hadden en stootten elkaar af als ze tegen elkaar in gingen. Evenwijdige stromen trekken elkaar aan; tegengestelde stromen stoten elkaar af. Blijkbaar maakt deze stroomlus zich zo groot mogelijk om op die manier zoveel mogelijk van zijn eigen veld te omarmen.

[close]

p. 9

10.2 De lorentzkracht De tweede kurkentrekkerregel Tip Teken een kubus met diepte Bij het rollende staafje op de rails spelen drie vectoren een rol:  Het magnetisch veld dat we aanduiden met B ; bij de noordpool van de magneet wijst B naar buiten en bij de zuidpool naar binnen. De officiële naam voor B is magnetische inductie, maar meestal noemen we B de magnetische veldsterkte.  De stroomsterkte I in het staafje; je vindt de richting door op de + en de − van de batterij te letten.  De lorentzkracht FL . Als B loodrecht staat op I is FL maximaal en als B en I evenwijdig zijn, is FL nul. We bekijken alleen situaties waarin B en I loodrecht op elkaar staan. Hoe kom je nu de richting van FL te weten? De tweede kurkentrekkerregel bestaat uit twee delen: FL staat loodrecht op B en loodrecht op I . De twee kurkentrekkerregels geven vaak problemen omdat je een driedimensionale situatie op een plat vlak moet weergeven. Besteed daarom zorg aan je tekeningen: je moet er diepte in kunnen zien, zoals bij deze draad die voor de magneet langs loopt.  Kies een punt en knoop daar I en B met de staarten aan elkaar.  Bepaal de richting van FL  Teken er een kubus bij. Toegepast op de eerste figuur met het rollende staafje, zijn dit de drie vectoren: Tip Een pen met een schroefdop Het plaatje hierboven moet je blindelings kunnen tekenen. Verder is het handig om de komende tijd een pen met een schroefdop bij je te hebben. Schroef de dop half los, maak de draaiende beweging van I naar B en ga na waar de dop heengaat. Je hebt dan de richting van de kracht. In opgave 11 vind je een paar alternatieven. Nie tv oo r ge b Leg de vectoren met hun staarten aan elkaar en draai I naar B over de kleinste hoek. De richting waarin een schroef bij deze draaiing zou bewegen, is de richting van FL . rui Voorbeeld De richting van de lorentzkracht  We sturen een stroom door een draad in een magneetveld. - Bepaal de richting van FL op deze draad. Oplossing De vector I ligt in het vlak van het papier. B wijst het papier in. Kies een punt op de draad en pas de kurkentrekkerregel toe. Teken een kubus en je ziet: de lorentzkracht wijst naar rechts. ko ps ch oo l 191

[close]

p. 10

192 10 Elektromagnetisme Voorbeeld De richting van het magneetveld De kracht op de stroom komt hier loodrecht uit het papier naar je toe. Het magnetisch veld staat loodrecht op de elektrische stroom. - Bepaal de richting van B . Oplossing Breng diepte aan door FL in perspectief naar je toe te laten komen. Teken beide mogelijkheden voor B en ga na welke tot het goede resultaat leidt. De tesla FL ~ B  door de stroomsterkte op te voeren FL ~ I  door een langer stuk van de stroomdraad in het magnetisch veld houden Hieruit volgt: FL = B∙I∙ℓ of B  De eenheid van B wordt tesla (T) genoemd. FL = B∙I∙l T= N Am de lorentzkracht tv oo r FL ~ ℓ ge b FL I Met FL, I en B duiden we de grootte aan van FL , I en B . De eenheden voor F en I kennen we: de newton en de ampère. Voor B hebben we nog geen eenheid, maar die kunnen we afleiden uit de eenheden van FL en I. We kunnen FL op drie manieren groter maken:  door een sterkere magneet te gebruiken definitie van de tesla Nie rui ko ps ch oo l Uitleg De wegschietende cilinder Proef 7 De stroomschommel In de cilinder zitten twee magneten verstopt die in het midden met de noordpolen bijna tegen elkaar zijn geklemd. Daardoor prikken er in het midden van de cilinder overal magnetische veldlijnen door de mantel naar buiten. Langs de mantel van de cilinder loopt een elektrische stroom I die met het veld B voor lorentzkrachten FL zorgt. Deze krachten brengen de cilinder aan het rollen. Op de site staat bij de rubriek Filmpjes-5 elektromagnetisme een filmpje over de minisegway waarin deze proef toegepast wordt. Met deze stroomschommel kunnen we de sterkte B van een magneetveld bepalen. De onderkant van de schommel met breedte ℓ bevindt zich in het verticale veld van twee platte magneten. Als we I opvoeren, wordt de uitwijkingshoek α groter. De onderkant gaat de afstand x opzij. Doordat de vier verticale gedeelten van de schommel even lang zijn, is alleen Fz op de onderkant van belang. Ga na dat geldt: FL = Fz∙tan α x = a∙sin α en natuurlijk FL = B∙I∙ℓ

[close]

p. 11

10.2 De lorentzkracht Proef 8 Draaiende ionen De lorentzkracht bij ladingen In een bak met zout of aangezuurd water drijven kaarsjes. De stift in het midden is verbonden met de positieve pool van een batterij, de rand met de negatieve pool. Er loopt dus overal een elektrische stroom door het water vanuit de stift naar de rand. Als we onder het schaaltje een (elektro)magneet plaatsen, gaan de kaarsjes rondjes draaien. De formule voor de lorentzkracht op bewegende ladingen bewijzen we niet, maar we maken hem alleen aannemelijk. Ga uit van FL = BI ℓ en let speciaal op de eenheden: FL = B∙I∙ℓ  N = TAm = T C m = TC m s s Als we nu weer op grootheden overgaan, vinden voor een positieve lading q met een snelheid v: FL = B∙q∙v Voor elektronen geldt q = −e. Proef 9 De stroombalans Een stroombalans bestaat uit een horizontale koperen beugel met breedte l. Twee scheermesjes dienen als steunpunten en tegelijk als stroomcontacten. Je sluit de spanningsbron zó aan dat de beugel omlaag gaat als je S sluit. Positieve ionen met snelheid v naar rechts en negatieve ionen op weg naar links zorgen beide voor een elektrische stroom naar rechts. De drie vectoren gaan er dan zo uitzien: tv oo r De lorentzkracht op een elektrische stroomdraad is dus de resultante van alle lorentzkrachtjes op de bewegende elektronen in de draad. Nie ge b rui Hang links een gewichtje met bekende massa op de beugel zodat hij door Fz wat omlaag gaat en sluit S. Stel daarna de spanningsbron zó in dat de beugel weer in zijn oude stand komt. Lees nu I af. Als de oude evenwichtsstand bereikt is, geldt: FL = Fz en volgt B uit FL = BI ℓ. Met een gevoelige stroombalans kun je zelfs de horizontale sterkte van het veld van de aarde bepalen. Ladingen in een magnetisch veld ko ps ch oo l 193 de lorentzkracht op een lading

[close]

p. 12

194 10 Elektromagnetisme Opgaven 10.2 8 Wat is het voordeel van een staafje aluminium boven een staafje messing bij Proef 4? Hoe reageert de gloeidraad bij Proef 5 als we hem aansluiten op gelijkspanning? Teken de drie vectoren voor het staafje. 9 10 11 Er zijn drie alternatieven voor de kurkentrekkerregel: de ‘rechterhandregel’ (1), de ‘FBI-regel’ (2) en de ‘linkerhandregel’ (3). a Maak bij (1) een grijpende beweging en let op je duim. Ga na of deze regel klopt. b Welke vingers horen in (2) bij B en I ? c Welke vingers horen in (3) bij F en I ? 12 ge b tv oo r In de volgende figuren zijn twee van de drie vectoren B, I en FL gegeven. Deze vectoren liggen in het vlak van het papier. - Neem de figuren over en teken de derde. Nie rui 16 ko ps ch oo l 13 14 15 Bij Proef 7 is a = 40,0 cm en ℓ = 5,0 cm; de massa van de onderkant van de beugel is 2,7 g. Bij een meting is x = 3,8 cm als I = 1,65 A. - Bereken hiermee B. Een zeer gevoelige stroombalans kan een uitslag krijgen van het veld van de aarde. a Reageert de stroombalans op de verticale of op de horizontale component? b Hoe moet je de scheermessen opstellen om dat veld te meten, in noord/zuid-richting of in oost/west-richting? Bij deze draaiende kaarsjes wordt een elektromagneet gebruikt. - Leg uit dat de kaarsjes ook gaan draaien als je de bak water en de elektromagneet op wisselspanning aansluit. Bij het maken van deze foto was alleen de tijdbasis van de oscilloscoop ingesteld, zodat de groene stip horizontaal van links naar rechts bewoog. Vanuit de achterkant van de oscilloscoop zijn elektronen op weg naar het scherm en komen daarbij in het veld van de magneet. - Maak een figuur met de vectoren B , I en F en bewijs dat de elektronen naar beneden worden afgebogen.

[close]

p. 13

10.3 Spoelen in magneetvelden 10.3 Spoelen in magneetvelden In deze paragraaf onderzoeken we toepassingen van de lorentzkracht, namelijk de draaispoelmeter, de elektromotor en de luidspreker. (Doen) Een stroomspoel in een magneetveld Nog sterker wordt het effect als we het draadraam vervangen door een spoeltje. De lorentzkracht werkt dan op iedere winding. Het spoeltje zal 90º draaien en na enige tijd slingeren tot rust komen. Faraday was de eerste die in 1821 een beweging opwekte met de kracht die wij nu ‘lorentzkracht’ noemen. Hij zette een magneet verticaal midden in een beker met kwik en liet een staafje in het kwik zakken. Dit staafje begon te draaien als hij de stroom inschakelde. Van bovenaf gezien met de klok mee. Als je een veertje (en een wijzer) aan het spoeltje vastmaakt, draait het spoeltje over minder dan 90º. Je hebt dan een ampèremeter, of – met een flinke weerstand in serie – een voltmeter. Tijdens het draaien verandert de lorentzkracht op de verticale draden niet van grootte. Het moment dat voor de draaiing zorgt, neemt echter wel af omdat de arm van de kracht kleiner wordt. In de eindstand trekken de lorentzkrachten in elkaars verlengde aan de spoel en is het moment nul geworden. Zo’n draaiing ontstaat ook als we een draadraam gebruiken waar we stroom door sturen. Bovendien maken we het veld sterker door een hoefijzermagneet te nemen. tv oo r Nie ge b rui Je kunt dit effect ook anders bekijken. Het spoeltje heeft zelf ook een magnetisch veld. Blijkbaar gaat het zó draaien dat zijn eigen veld precies past bij het veld van de magneet. Je kunt het zo onthouden: het spoeltje wil zo veel mogelijk veldlijnen van zijn eigen soort omarmen. In een bovenaanzicht is dit de situatie: Een stroomspoel streeft naar zoveel mogelijk passende veldlijnen binnen zijn gebied. ko ps ch oo l 195

[close]

p. 14

196 De gelijkstroommotor 10 Elektromagnetisme Bij een motor bevindt zich ook een spoel in een magnetisch veld, maar nu willen we dat de spoel blijft draaien. Als de spoel de stand van de maximaal passende veldlijnen bereikt heeft, schakelen we de stroom even uit. Door zijn traagheid schiet de spoel door. Meteen daarna schakelen we de stroom net andersom weer in. De veldlijnen passen dan helemaal niet meer bij de spoel, met als gevolg dat de spoel 180° gaat draaien. Daar herhaalt zich dit alles. De spoel blijft dus draaien, steeds op zoek naar de stand waarin zijn eigen veldlijnen maximaal passen bij de veldlijnen van de magneet. Nie tv oo r Gebruik een fietsdynamo als motor door hem aan te sluiten op een wisselspanning van 6 V. In zo'n dynamo staat de spoel stil en draait de magneet. Het voordeel is dat je geen sleepcontacten nodig hebt. De tekening geeft de situatie weer waarin de zuidpolen worden aangetrokken. Even later is de stroomrichting net andersom, dan worden de noordpolen aangetrokken: de ‘rotor’ gaat trillen en als je helpt met een zetje draaien. ge b De fietsdynamo als motor rui ko ps ch oo l De luidspreker In een luidspreker is de ringvormige magneet bevestigd op een plaatje ijzer met een stift zodat je een zuidpool krijgt, omringd door een noordpool. In de luchtspleet die zo ontstaat, bevindt zich een spoeltje. Hierin loopt een stroom die varieert met de muziek. In de luchtspleet lopen de veldlijnen van buiten naar binnen zodat ze overal loodrecht op de windingen van het spoeltje staan. In de formule FL = BI ℓ moet je voor ℓ de lengte van de hele stroomdraad nemen. Kies een punt rechts: de vectoren B en I liggen in het vlak van tekening. De vector FL duwt het spoeltje daar naar achteren. De conus die aan het spoeltje vastzit, trilt dus heen en weer in het ritme van de stroom. Opmerking De luidsprekertjes in mobiele telefoons werken door middel van piëzokristallen. Die hebben de eigenschap dat hun volume verandert als er een elektrische spanning op gezet wordt. Omgekeerd geven ze een elektrische spanning als ze onder meachanische druk worden gezet. Op die manier worden ze toegepast in vonkontstekers voor gasfornuizen.

[close]

p. 15

10.3 Spoelen in magneetvelden Opgaven 10.3 17 Een lus van soepel snoer hangt voor een magneet. - Wat gebeurt er als we er een stroom in de aangegeven richting door sturen? 20 18 Beredeneer hoe dit spoeltje zal gaan draaien met behulp van: a lorentzkrachten, b passende veldlijnen, c noord- en zuidpolen. a Leg uit naar welke kant deze spoel gaat draaien. b Leg uit dat dit motortje ook op wisselstroom kan werken. 21 19 Een spoeltje is op een zonnecel aangesloten en op een speld in een hoefijzermagneet geplaatst. Er is slechts één winding getekend. Als er licht op de zonnecel valt, gaat er een stroom in de aangegeven richting lopen. a Verklaar waarom deze zonnemotor gaat draaien als er licht op valt. b Leg uit in welke richting het spoeltje gaat draaien. Nie tv oo r ge b rui a Neem de figuur over en teken de tweede spoel erbij. b Leg uit dat het dynamowieltje beide kanten uit kan draaien. c Wat is de richting van de stroom op t*? d Hoelang duurt het voordat die spoel volledig is omgepoold? e Over hoeveel graden moet de rotor in die tijd gedraaid zijn? f Bereken de frequentie waarmee de rotor gaat draaien. • g Leg uit dat het soms ook lukt om de rotor drie keer zo langzaam te laten draaien. ko ps ch oo l 197 In sterke elektromotoren worden elektromagneten gebruikt in plaats van permanente magneten. Deze heeft zes polen die we op 50 Hz aansluiten. Op het moment t* heeft de getekende spoel een noordpool op maximale sterkte aan zijn rechterkant.

[close]

Comments

no comments yet