Elektromagnetisme

We weten reeds dat elektriciteit magnetisme kan veroorzaken. Hier gaan we meer in op de eigenschappen die bij onze hobby te pas komen.

Hoe ontstaat magnetisme ?

Fundamenteel twee oorsprongen :
1 – De magneet
2 – De elektrische stroom.

Mechanische wisselwerking :

Benaderen we met een staafmagneet een kompas. We stellen vast dat we de naald willekeurig kunnen laten draaien. Dit wisten we reeds: vanaf een bepaalde afstand is er een mechanische invloed op een andere magneet.

Definitie :

Men zegt, dat er een magnetisch veld bestaat wanneer dit veld zich op een bepaalde plaats laat gelden onder de vorm van een kracht.

Symbool en maateenheid:

—>
H          : vector van een magnetisch veld

en wordt uitgedrukt in Ampere per meter:  A/m

Hoe doet een magnetisch veld zich gelden ?

Dit gebeurt door krachtlijnen of velden. Men kan deze enigszins zichtbaar maken door de proef met een magneet en ijzervijlsel ( iedereen wel bekend ?). In de buurt van een magneet zullen alle kleine ijzerdeeltjes gemagnetiseerd worden en zich richten volgens de krachtlijnen.

Men zegt dat de velden van noord naar zuid uitwendig de magneet vloeien, en omgekeerd inwendig.

Goed onthouden :

Wanneer elektrische ladingen zich verplaatsen (m.a.w. als er stroom vloeit ) wordt een magnetisch veld opgewekt.

Dus ALLE elektrische draden veroorzaken een magnetisch veld. Deze eigenschap werd door Oersted in 1819 ontdekt. Zie figuur links.

De figuur toont een elektrische geleider waar een elektrische stroom doorloopt. Men ziet de velden duidelijk omheen de geleider draaien volgens de richting van de pijltjes.

De “kurkentrekkerregel” helpt te onthouden: Indien men de kurkentrekker volgens de stroomrichting laat draaien, komt zijn beweging overeen met de richting van de velden om de geleider. De kompasnaald zal dit kunnen aantonen. Bij verplaatsing zal de naald de richting van de pijltjes volgen.

Een stroom door een spoel (soleno�de ) ?

Binnen in de spoel stelt men vast dat het veld homogeen is ( volgens de doorsnede, op elk punt even groot ). Buiten de spoel is dat niet meer zo. Ook hier verlaten de velden de noordpool en verspreiden ze zich in de omgeving om in de zuidpool weer samen te komen.

Hoe bepalen we de noord- en zuidpool ?

Eenvoudig, daar waar het veld de spoel binnen treedt.

Wat is het gevolg als men van een torus gebruikt maakt ?

Een torus, of ringkern, is een ring uit magnetisch materiaal. Hiervan wordt veel gebruik gemaakt voor spoelen op hogere frequenties en grotere spoelwaarden. Het magnetisch materiaal bundelt de krachtlijnen binnen de spoel. Buiten de spoel blijft maar een zeer klein veld over dat zelf een kompasnaald amper kan doen bewegen.

             constante x N x I
H =     _____________
                l

waarin H de veldsterkte in A/m

I in Ampere
l = lengte in meter van de spoel

Magnetische flux:

De magnetische flux is een maat van de hoeveelheid veldlijnen dat door de doorsnede van de wikkeling gaat.

F = H S

Met :
F flux
S in m2
H in A/m

Indien het vlak van de wikkeling niet dwars op het veld staat moet een correctie doorgevoerd worden. Er zal een invalshoek gevormd worden. We herschrijven de formule:

Indien het om een spoel gaat die bestaat uit een aantal wikkelingen is het evident dat:

   F totaal     =  N F

N is het aantal wikkelingen

Het aardmagnetisme?

Vanuit het inwendige van de aarde zorgen natuurkundige fenomenen er voor dat de Aarde eigenlijk een reuzenmagneet van zwakke sterkte is. Deze velden zijn voor radioverbindingen zeer belangrijk. Dit zal later nog verder bestudeerd worden.

Laten we nu iets zeggen over magnetische inductie.

Stellen we volgende proef op :

Een gevoelige Voltmeter ( = omgebouwde A-meter, wat we later zullen zien) wordt met een spoel verbonden. De kring is gesloten en er kan stroom vloeien. In de buurt bewegen we een magneet. De twee kleuren symboliseren de polen.

Merk op dat als we de magneet korter bij de spoel brengen, de voltmeter uitwijkt. Er vloeit dus een kleine stroom.

P.M.: Een ideale Voltmeter met een oneindig grote weerstand zou geen stroom doen vloeien. Men zou enkel de spanning foutloos meten.

De magneet heeft een vast magnetisch veld maar door de beweging verandert dat veld (de flux verandert).

Het is deze verandering van veld of flux die een spanning doet ontstaan ( E ind).

Dit fenomeen wordt magnetische inductie genoemd. Het gevolg is het opwekken van een veranderende spanning met een veranderende stroom als gevolg.

Dit verschijnsel wordt elektromagnetisme genoemd. Bij het opkomen van stroom wordt in de wikkelingen een spanning opgewekt.

Dit staat is bekend als de Wet van Lenz:

De verandering van veldsterkte gaat door een elektrische kring en wekt een spanning op. Deze spanning verzet zich tegen de oorzaak van dit fenomeen.

We kunnen de waarde van deze spanning (EMK) als volgt bepalen:
De wet van Lenz zegt ons :

             d F
e  =  –  _____
              dt

Het minteken duidt op tegenstelling.

 Zelfinductie :

Het is duidelijk dat hoe groter de spoel wordt, hoe groter ook het effect. Tevens speelt de hoek waar de velden het vlak snijden, een rol, ( F = B S  cos a).

De geïnduceerde spanning :

             d F
e =   _________
             d    t

d F     : verandering in flux
d    t    : verandering in tijd in seconde
e         : in volt

Dit is het geval voor een luchtspoel.

Ter verduidelijking :

Zie het schema hiernaast. R heeft de zelfde Ohmse waarde als de spoel L, en A en B zijn lampjes.

Bij het sluiten van de schakelaar zal het lampje A onmiddellijk oplichten. Het lampje B zal slechts progressief oplichten. Bij het terug openen gebeurt het omgekeerde: A gaat terstond uit en B progressief.

Verklaring :

Bij het sluiten van de schakelaar vloeit er stroom. Deze stroom veroorzaakt een magnetisch veld. Gezien de flux progressief ontstaat zal de geïnduceerde tegen-EMK ook veranderen. Wanneer de spoel magnetisch geladen is, verandert het veld niet meer.

Gevolg :

– vertraging bij het aansteken.

– Vertraging bij het doven.

Wat gebeurt er als een stroomvoerende geleider zich in een magnetisch veld bevindt ?

De geleider ondergaat een Lorenskracht. Bekijk de figuur rechts :

Een permanente magneet zorgt voor een veld. De constructie is zo dat bij het sluiten van de schakelaar, stroom in de geleider loopt die ook onder invloed van het veld staat. De draad staat onder een veerspanning en kan enigszins in het veld bewegen.

Het resultaat is het bewegen volgens de tekening van de stroomvoerende geleider. de verplaatsing stopt als de veerkracht door de beweging groot genoeg wordt.

Bij het openen van de schakelaar komt de draad terug in de initiële positie (rust toestand)

Als we de stroom in de andere zin laten vloeien, beweegt de draad in de tegengestelde richting.

Uiteraard gebeurt het zelfde als we de magnetische velden omkeren.

De opgewekte kracht noemt men LORENSkracht. Deze kracht is evenredig met :

I is stroom

H de veldsterkte

l de lengte van de blootgestelde draad

sinus a is de hoek tussen de draad en het veld

Een bekende toepassing is de elektrische motor of de luidspreker. We vinden hier eveneens magneten (velden) of draad (wikkelingen) in terug. Onder invloed van stroom en het magnetisch veld ontstaat er beweging.

Tot zover de studie van het elektromagnetisme. Niet alles werd gezegd, er wordt nog wat voor zelfstudie overgelaten.

Zoals gezien kan het elektromagnetisch effect nuttig zijn. Maar men kan er ook nadelen van ondervinden. Dan is afschermen nodig maar dat is niet steeds zo eenvoudig. Schakelingen die eenvoudig leken worden plots om grijs haar van te krijgen… ( dus de spanning erin houden en niet opgeven !)