Materie, energie en leven

8.4 De lorentzkracht
8.4.1 Magnetische inductie
De sterkte van een magnetisch veld wordt
gegeven door de grootheid magnetische inductie
B. De
magnetische inductie B heeft niet alleen een
grootte, maar ook een richting en een zin. Het is
dus,
net als een kracht, een vectoriële grootheid.
De magnetische inductie wordt opgegeven in de
eenheid tesla (T). Bij de polen van een magneet
liggen
de veldlijnen het dichtst bij elkaar en is de
magnetische krachtwerking het grootst. De
magnetische inductie is daar dus het grootst. Met
andere woorden: hoe groter de veldlijnendichtheid in een punt van het magnetisch veld is, des te
groter is daar de magnetische inductie. De zin van de magnetische inductie in een punt van het
magnetisch veld is de zin waarin de noordpool van een naaldmagneet in dat punt wijst. De raaklijn
aan de veldlijn geeft de richting van de magnetische inductie in dat punt aan.
8.4.2 Homogeen veld
Voor de magnetische inductie in een magnetisch veld van
een stroomspoel geldt hetzelfde als bij een permanente
magneet. De grootte van de magnetische inductie in een
punt wordt gegeven door de veldlijnendichtheid. De richting
en de zin van de magnetische inductie wordt gegeven door
de richting en de zin van de veldlijnen in dat punt. Binnen de
spoel lopen de veldlijnen evenwijdig. Dat betekent dat de
magnetische inductie in elk punt hetzelfde is, zowel in
grootte als in richting en zin. Zo’n magnetisch veld noemen
we een homogeen magnetisch veld.
8.4.3 Proef: de lorentzkracht
We bouwen een opstelling zoals op de foto
De dikke koperen draad vormt samen met de toevoerdraden een soort schommel, die deel
uitmaakt van een stroomkring. De toevoerdraden zijn dus aangesloten op een spanningsbron via
een schakelaar (zie schema). We sluiten de stroomkring. Daarna draaien we de magneet (wisselen
Np en Zp) en sluiten de stroomkring opnieuw. Tenslotte wijzigen we de stroomzin door de polen
aan de spanningsbron om te wisselen en sluiten de stroomkring nogmaals.
Stuurgroep NW- VVKSO
8
Dit experiment kan je ook simuleren met een applet die je vindt op volgend adres:
http://www.walter-fendt.de/ph11nl/lorentzforce_nl.htm
Noteer je waarnemingen.
Besluit:
De kracht die de geleider ondervindt, noemen we
lorentzkracht. We bekijken nu eens de vier
elementen van die lorentzkracht.
- Het aangrijpingspunt van de kracht ligt op de
zelf. In feite werkt op elk punt van de draad een
De resulterende kracht tekenen we echter vanuit
punt.
de
- De veldlijnen van de magneet vormen samen
de stroomvoerende koperdraad één vlak. De
richting van de lorentzkracht staat loodrecht op
vlak.
met
draad
kracht.
één
dat
- De zin van de kracht hangt af van de
stroomzin en van de zin van de
veldlijnen.
- De grootte van de lorentzkracht hangt af van een aantal factoren. Experimenteel kan je aantonen
dat de grootte van de lorentzkracht
- groter wordt met de stroomsterkte I
- vergroot naarmate de sterkte van het magnetisch veld (magnetische inductie B) toeneemt
- afhankelijk is van de lengte van het stukje geleider dat zich in het magnetische veld bevindt.
Hoe groter de lengte (l), hoe groter de lorentzkracht.
De grootte van de lorentzkracht vinden we met de formule:
F  B.I .l
Let op de juiste eenheden:
- kracht (F) in N (Newton)
- magnetische inductie (B) in T (Tesla)
- stroomsterkte (I) in A (Ampère)
- lengte (l) in m (meter)
8.4.4 De lorentzkracht in het dagelijkse leven: werking van de luidspreker
Luidsprekers vind je in alle maten en gewichten: van hele grote op concerten tot hele kleine in de
‘oortjes’ van je ‘discman’. Ze brengen geluid voort. Het geluid bereikt je oor en doet je trommelvlies
trillen zodat je het in de hersenen kan waarnemen. De trilling van de lucht die je oor bereikt wordt
gestart door de luidspreker. Niet alle luidsprekers werken op hetzelfde principe. We bespreken hier
slechts de werking van de luidspreker die in je geluidsboxen aanwezig is. Heb je daarbij al gemerkt
dat de kegel van de luidspreker in je boxen beweegt tijdens het spelen? Dankzij deze trillingen kunnen
dove mensen toch nog dansen op het juiste ritme: ze voelen de geluidstrillingen via de dansvloer.
Stuurgroep NW- VVKSO
9
Hoe werkt nu zo een luidspreker?
Als je ergens op zolder een oude luidspreker
komt die nu goed van pas. We kunnen hem
demonteren, zodat alle onderdelen zichtbaar
Vergelijk dit met de figuur hiernaast (coil =
liggen hebt,
dan
worden.
spoel)
Een luidspreker bevat twee belangrijke
onderdelen,
namelijk een spoel en een permanente
magneet.
Wanneer er een stroom door de spoel loopt
zal er dus
een kracht optreden tussen de spoel en de
magneet (de
lorentzkracht). Hierdoor zal de spoel naar
boven
of
naar onder bewegen (naargelang de
stroomzin).
Aan de spoel is een kegel(diafragma)
verbonden
(zie figuur). De kegel zal dus meebewegen. Hierdoor ontstaan er luchttrillingen die we kunnen
waarnemen (horen).
Je kan een mooie animatie zien op volgend adres:
http://electronics.howstuffworks.com/speaker6.htm
8.4.5 De gelijkstroommotor
Bouw: zie nevenstaande figuur.
De rotor, het draaibare deel van de motor, is
op een as gemonteerd.
De stator, het vaste deel van de motor, is een
permanente magneet.
een spoel
Hoe werkt zo'n motor?
Op volgend adres vind je een mooie animatie:
http://www.walterfendt.de/ph11nl/electricmotor_nl.htm
Door de spoel (rotor) loopt een stroom. Hierdoor werken op de windingen lorentzkrachten (fig.1 en
fig.2) die de spoel een kwartslag doen draaien (fig.3). Om de spoel nu verder te laten draaien wordt de
stroom van zin veranderd. Dat ompolen gebeurt door de commutator. De draaibare commutator
bestaat uit twee halfcilindervormige koperen plaatjes, gebogen over een isolerende cilinder. De twee
plaatjes zijn verbonden met de uiteinden van de spoel.
Tegen de commutatorhelften bevinden zich vastzittende koolstofborstels, waarlangs de stroom
toegevoerd wordt.
Stuurgroep NW- VVKSO
10
8.4
De lorentzkracht .......................................................................................................................... 8
8.4.1
Magnetische inductie ............................................................................................................. 8
8.4.2
Homogeen veld ..................................................................................................................... 8
8.4.3
Proef: de lorentzkracht .......................................................................................................... 8
8.4.4
De lorentzkracht in het dagelijkse leven: werking van de luidspreker ................................... 9
8.4.5
De gelijkstroommotor........................................................................................................... 10
Stuurgroep NW- VVKSO
11