Cool met Spoelen - RVO
advertisement
Leerkrachtenhandleiding RVOSOCIETY COOL MET SPOELEN Maak je luidspreker met huis–, tuin- en keukenmateriaal. Een project elektromagnetisme voor de derde graad. “Cool met Spoelen” introduceert elektromagnetisme vanuit een praktische invalshoek en speelt in op de leefwereld van de jongeren. Een luidspreker bouwen volgens een eigen concept, motiveert hen om basisprincipes van elektromagnetisme aan te leren en toe te passen. Auteurs: Kristof Jacobs, Evelyne Vanden Bosch ©RVO-Society 2 3 4 Cool met Spoelen Maak je luidspreker met huis–, tuin- en keukenmateriaal Een project elektromagnetisme voor de derde graad LEERKRACHTEN HANDLEIDING 5 6 Inhoudstafel 1. Tips bij het gebruik van deze handleiding ...................................................................... 9 2. Inleiding ....................................................................................................................12 A. Luidspreker aansluitingen ........................................................................................12 Materiaal en opstelling ................................................................................................12 Vragen die je aan je leerlingen kan stellen ....................................................................12 Tips...........................................................................................................................13 B. Geluid uit een luidspreker ........................................................................................13 Wat is geluid nu eigenlijk? ...........................................................................................14 Materiaal en opstelling ................................................................................................13 Eigenschappen ...........................................................................................................13 3. Op onderzoek.............................................................................................................15 A. Een kijkje in de luidspreker ......................................................................................15 Materiaal en hulpmiddelen ..........................................................................................15 Onderzoeksvragen ......................................................................................................15 Samenvatting .............................................................................................................16 Tips...........................................................................................................................17 B. Een kijkje in de aansluitingsdraden ...........................................................................18 Opstelling ..................................................................................................................18 Onderzoeksvragen ......................................................................................................19 Tips...........................................................................................................................20 http://www.picotech.com/download.html .....................................................................20 Samenvatting .............................................................................................................20 C. Magische magneten ................................................................................................21 Materiaal en hulpmiddelen ..........................................................................................21 Onderzoeksvragen Oërsted .........................................................................................22 Tips...........................................................................................................................22 Elektromagneet ..........................................................................................................23 Materiaal en hulpmiddelen ..........................................................................................23 Onderzoeksvragen elektromagneet ..............................................................................24 7 Tips...........................................................................................................................24 Samenvatting .............................................................................................................25 4. Werking van de luidspreker .........................................................................................28 A. Laat een geleider trillen op het tempo van de muziek .................................................28 Materiaal en hulpmiddelen ..........................................................................................28 Onderzoeksvragen ......................................................................................................29 Samenvatting .............................................................................................................30 Tips...........................................................................................................................35 B. De trilling beter hoorbaar maken ..............................................................................36 Materiaal en hulpmiddelen ..........................................................................................36 Onderzoeksvragen ......................................................................................................36 Samenvatting .............................................................................................................37 5. Een Ontwerp voor onze luidspreker ..............................................................................41 A. Zelf een ontwerp maken ..........................................................................................42 B. Soorten ..................................................................................................................41 C. Materiaal ................................................................................................................44 D. Het Technisch proces voor de luidspreker..................................................................43 E. Voorbeelden van creatieve concepten .......................................................................45 F. Een eenvoudige luidspreker van papier .....................................................................48 6. Referenties op het internet ..........................................................................................50 7. Bijlagen .....................................................................................................................51 A. Leerplannen GO ......................................................................................................51 B. Leerplannen VVKSO.................................................................................................54 C. Leerplannen OVSG ..................................................................................................57 8 1. Tips bij het gebruik van deze handleiding Voorwoord Dat je een luidspreker kan bouwen, en bovendien met huis–, tuin-, en keukenmateriaal, vinden jongeren geweldig! Tijdens de vele workshops die we de laatste jaren gaven, stonden we soms versteld hoe creatief sommigen onder hen uit de hoek kwamen met een zelf bedacht ontwerp. In een technische realisatie zit alle complexiteit van de echte wereld en dit maakt het tegelijk boeiend en leerrijk. Nodige voorkennis Om de werking van een luidspreker te kunnen begrijpen, heb je zowel kennis van elektriciteit, elektromagnetisme, golven, en geluid nodig. In dit project gaan we ervan uit dat de leerlingen een voorkennis van elektriciteit en basisbegrippen zoals stroom, spanning, weerstand, vermogen hebben. Van magnetisme gaan we er vanuit dat de leerlingen weten wat een permanente magneet is, de krachtwerking tussen twee magneten kunnen beschrijven, en weten wat een magnetisch veld is. Leerdoelen project We focussen vooral op elektromagnetisme: Het magnetisch veld, opgewekt door een elektrische geleider De elektromagnetische kracht Wat geluid betreft laten we ze kennis maken met een minimum aan basisprincipes om de luidspreker te kunnen maken. Uitbreiding Eventueel kan het project verder uitgebreid worden op het ogenblik dat de leerlingen de leerstof van golven en geluid moeten zien. 9 Aanpak in de klas Om je leerlingen te boeien voor dit project heb je niet veel nodig. Een zelfgemaakte luidspreker die goed werkt aangesloten op een versterker, zal het prima doen om hun nieuwsgierigheid te prikkelen. Bouw een zelfgemaakte klankkast rond je luidspreker, zodat de leerlingen nog niet kunnen zien hoe alles ineen zit. Zet de muziek aan net voordat de leerlingen binnenkomen. Ze zullen zich spontaan afvragen waar de muziek vandaan komt en hoe er geluid kan komen uit zo’n eenvoudige constructie. Op dat ogenblik zijn ze bereid om er meer over te willen weten. “Elektromagnetisme” in de fysicales zal dan geen doel op zich vormen, maar een middel om hun luidspreker te kunnen bedenken, realiseren en verbeteren. We dagen de leerlingen uit om geen stappenplan te gebruiken bij het maken van de luidspreker, maar zelf te onderzoeken hoe een luidspreker werkt, en zelf een eigen ontwerp te bedenken. We starten met een klassikale introductie waarbij we de leerlingen een luidspreker laten aansluiten en we geven een toelichting over de functie van de luidspreker. We brengen hen kort in aanraking met het concept geluid. (Zie hoofdstuk 2: “inleiding”). Een luidspreker wordt niet door één enkele persoon gebouwd. Het is het resultaat van een samenwerking tussen verschillende teams. Tijdens het project willen we de leerlingen dit dan ook laten ervaren door hen onderzoeksvragen aan te bieden die ze in groep zullen oplossen. (Zie hoofdstuk 3: “Op onderzoek”). Vervolgens brengen we al deze antwoorden samen om de werking van de luidspreker proberen te verklaren. (Zie hoofdstuk 4: “Werking van de luidspreker”). We nemen onmiddellijk de proef op de som met de volgende uitdaging: kunnen we een draadje laten dansen op het ritme van de muziek? En kunnen we deze trilling hoorbaar maken? Op basis van dit experiment bedenken we een ontwerp voor onze zelfgemaakte luidspreker en gaan we nadien praktisch aan de slag. (Zie hoofdstuk 5: “Een ontwerp van een luidspreker”) 10 Tips bij het gebruik van deze handleiding Deze handleiding is bedoeld voor leerkrachten van de derde graad ASO. Het moet vooral een praktische handleiding zijn op basis waarvan de leerkracht zijn persoonlijke cursus elektromagnetisme of, althans een deel ervan kan opstellen. Elk hoofdstuk bestaat uit: een situering van de opdracht. Waarom willen we dat de leerlingen die gaan onderzoeken? een overzicht van het nodige materiaal nuttige vragen die je kan stellen aan de leerlingen. tips voor de leerkracht een samenvatting die weergeeft waar de toepassing binnen de cursus fysica past en die niet als doel heeft deze te vervangen We vertrekken vanuit de concrete toepassing en hangen daar de theorie aan vast. Doorheen deze handleiding vinden leerkrachten nuttige links naar websites (in de vorm van QR-codes). Al deze links worden nog eens op een rijtje gezet in hoofstuk 6. Kopier deze QR-codes gerust in je leerlingenhandleiding, zodat ze deze kunnen inscannen met een QR scan app op hun tablet of smartphone. In de bijlagen van deze handleiding wordt verwezen naar de leerplannen van de 3 netten en aangeduid waar het project “Cool met Spoelen” aansluit bij de leerplandoelstellingen. 11 2. Inleiding A. Luidspreker aansluitingen Voor we de jongeren laten starten met hun onderzoek, is het goed om te beginnen met een klein technisch probleem. Daag je leerlingen, d.m.v. een klassikaal interactieve demoproef, uit om een luidspreker aan te sluiten op een versterker met cd-speler. Je zal merken dat dit voor sommigen in de groep geen probleem is en voor anderen dan weer wel. Laat ze nadien ook jouw zelfgemaakt voorbeeldexemplaar aansluiten. Toch raar dat zo’n papieren ‘huis -, tuin- en keuken speaker’ net hetzelfde kan als die kant en klare luidspreker. Materiaal en opstelling Figuur 1 Figuur 2 Versterker met CD-speler Vrijstaande luidspreker (die dient te worden aangesloten op de versterker) Vragen die je aan je leerlingen kan stellen Daag Wat staat er allemaal bij de aansluitpunten op de versterker? Links-rechts,… Welk signaal verstuurt de radio naar de luidspreker? Welk principe zou schuilt er achter de werking? Welke onderdelen zouden cruciaal zijn voor de werking? ze uit om op onderzoek te gaan. En een nog beter prototype te bouwen! Op de meeste vragen zullen ze slechts onvolledig of niet kunnen antwoorden. We gaan dieper op deze vragen in aan de experimenteertafels. 12 Tips Het is wel noodzakelijk dat je over een versterker die de mogelijkheid biedt om externe luidsprekers op aan te sluiten, beschikt. (zie figuur: 2) B. Geluid uit een luidspreker In dit project maken we een luidspreker. Dit is een apparaat dat elektrische signalen (opnamen) hoorbaar maakt als geluid. Materiaal en opstelling Versterker met luidspreker Kaars A4 blad papier 2 ballonnen Figuur 3 Onderzoeks- en opzoeksvragen Hoe ontstaat geluid? Wat is een toonhoogte? Wat is klankkleur? Wat verstaan we onder volume van het geluid? 13 Tips Houd een blaadje papier of een kaarsvlam voor een luidspreker. Observeer het blaadje of kaarsvlam terwijl de luidspreker geluid voortbrengt. 2 personen: Blaas een ballon op en leg er een knoop in. 1 persoon houdt de ballon tegen zijn lippen terwijl hij spreekt. De andere persoon leg zijn hand zachtjes op de ballon. Laat je leerlingen deze eigenschappen van geluid virtueel ervaren via Physclips http://www.animations.physics.unsw.edu.au/waves-sound/sound/index.html Samenvatting Wat is geluid nu eigenlijk? Geluid ontstaat door een trilling van luchtmoleculen (of een ander medium zoals bv water enz., ...) Deze trilling zorgt ervoor dat er drukverschillen ontstaan die zich gaan verspreiden in de ruimte. Deze drukverschillen kunnen we waarnemen via onze oren. Eigenschappen van het geluid: Elk geluid heeft een toonhoogte . De toonhoogte wordt bepaald door de frequentie van de trilling (aantal keer per seconde) Elk geluid heeft ook een sterkte of volume dat bepaald wordt door de intensiteit of amplitude van de trilling (uitwijking van de trilling). 2 geluidsfragmenten met op ieder ogenblik dezelfde toonhoogte en hetzelfde volume kunnen toch nog anders klinken. Er zijn nog factoren die de klank bepalen zoals de variatie in de tijd en de resonantie van bepaalde boventonen. Die factoren duiden we aan met klankkleur. 14 3. Op onderzoek A. Een kijkje in de luidspreker Door je leerlingen een bestaand toestel te laten demonteren, kunnen ze al heel wat te weten komen over de werking ervan. Bovendien zal dit motiverend werken om zelf onderzoeksvragen te bedenken. Als je over voldoende materiaal beschikt, kan je de studenten meerdere luidsprekers laten demonteren. Zijn er onderdelen die steeds terugkomen? En zitten ze op dezelfde plaats? (Geef ze ook de mogelijkheid om de onderdelen van de luidspreker op te zoeken via het internet.) Materiaal en hulpmiddelen Per tafel: 1 of 2 luidsprekers om te demonteren (verbruiksmateriaal) 1 of 2 breekmessen Pc of tablet met internetverbinding Figuur 4 Onderzoeksvragen Hoe ziet een luidspreker er binnenin uit? (Maak een tekening.) Welke onderdelen herkennen we? Waarvoor zouden ze dienen? Aandachtspunten Volg de draden van de kast tot in de luidspreker. Waar gaan ze naartoe in de luidspreker? Hoe zou dit onderdeel noemen? Zou de plaatsing een belangrijke rol spelen? 15 Samenvatting Met een breekmes kan je volgende onderdelen van de luidspreker zichtbaar maken: (Suggereer hen internet.) Frame Permanente magneet Spreek spoel Centreerring Aansluitklemmen Stofkapje Aansluitdraden Conus Conus ophanging Figuur 5: Bovenaanzicht en doorsnede van een luidspreker met de verschillende onderdelen Spreekspoel Permanente magneet Figuur 6: Bovenaanzicht en zijaanzicht van een (gedeeltelijk) uit elkaar gehaalde luidspreker 16 . Wil je de luidspreker nog verder uit elkaar halen, dan ga je ander gereedschap moeten gebruiken. Het deel dat je niet meer uit elkaar kan krijgen is het deel van de magneet, samen met magnetisch geleidend materiaal. Figuur 7 Op figuur 8 zie je hoe de luidspreker er zou uit zien mocht je hem in gedachten doormidden kunnen snijden: Conus ophanging Conus Stofkapje Centreerring Spreekspoel Zachtmetalen kern Permanente magneet Figuur 8 Tips Je hoeft geen nieuwe luidsprekers te kopen. Je kan ze demonteren uit oude radio’s, televisies, boxen,.... Of ga eens langs bij een televisiehandelaar, die heeft er waarschijnlijk zelf al uit oude toestellen gehaald. Indien internet ter beschikking is, laat de studenten gericht zoeken naar de onderdelen in een luidspreker. 17 B. Een kijkje in de aansluitingsdraden Tijdens het demonteren is er voor de meesten een nieuw onderdeel zichtbaar geworden. De drijvende kracht achter de werking van een luidspreker is de spoel. Wanneer wij de elektriciteitsdraden volgen van de spoel tot aan de versterker merken wij op dat hierdoor het signaal afkomstig moet zijn van de versterker. Hoe zou dit signaal eruit zien? Opstelling Figuur 9: opstelling picoscope 18 Plaats de audio CD in de radio en sluit de aansluitdraden die normaal naar de (linker of rechter) luidspreker gaan aan op de ingang van de picoscope (een digitale osciloscoop). Laat één luidspreker aangesloten, dan kunnen jullie nog naar de CD luisteren. Doorloop alle tracks en bekijk de verschillen van elke track met de picoscope software of met een gewone oscilloscoop. De spanning van het signaal in mV Het signaal gedurende de tijd in ms Figuur 10: Picoscope software Spanning in functie van de tijd Onderzoeksvragen Hoe ziet het elektrisch signaal eruit dat doorheen de spreekspoel van de luidspreker gaat? Is er een verschil in signaalvorm tussen track 1 en 20? Wat verschilt er precies? Wat gebeurt er met het signaal wanneer je aan de volumeknop draait? Wat voor een effect zou dit hebben op de spoel? 19 Tips Je hoeft geen picoscope te gebruiken, met een klassieke oscilloscoop gaat dit ook. Picoscope software: http://www.picotech.com/download.html Samenvatting Via de oscilloscoop kunnen we de elektrische signalen (=opname van het geluid) bekijken. Een zuivere toon ziet eruit als een sinussignaal of harmonische functie (wisselspanning). De toon van het geluid herken je op de opname als de frequentie van deze wisselspanning. Het volume van het geluid herken je op de opname als de amplitude van deze wisselspanning. De meeste geluiden zien er toch wel wat grilliger uit dan zuivere tonen. Dit kan je ook bekijken op de oscilloscoop. 20 C. Magische magneten Bij het vorige experiment hebben de leerlingen onder andere ontdekt dat het signaal (van de versterker naar de luidspreker) een wisselspanning is. Wat voor een effect zal dit teweegbrengen in een geleider? We gaan eerst op onderzoek met een gelijkspanningsbron. Materiaal en hulpmiddelen Oërsted Figuur 11 Opstelling voor de proef van Oërsted Batterij (9V)+ reserve of voeding Geïsoleerde koperdraad in verschillende diktes 2 Spijkers Isolatie plaat 2 krokodillenklemmen Paperclips Kompas 21 Onderzoeksvragen Oërsted Onderzoek wat er met de geleider gebeurt, wanneer je er stroom laat doorlopen. Bekijk nauwkeurig hoe het kompas reageert wanneer je de stroom aan - en uitzet of wanneer je de polen van de batterij of voeding omdraait. De wetenschapper die dit ontdekte heet Hans Oërsted, zoek op wie dat was en wat zijn conclusie was van dit experiment. Komt het overeen met jullie bevindingen? Tips Zorg ervoor dat je de geleider van Zuid naar Noord oriënteert over het kompas 22 Elektromagneet Bij het voorgaande experiment hebben de leerlingen kunnen ontdekken dat er rond een stroomvoerende geleider een magnetisch veld ontstaat. Nu gaan we een stapje verder. We dagen hen uit om een zo sterk mogelijke elektromagneet te bouwen met het volgende materiaal. Materiaal en hulpmiddelen Elektromagneet Figuur 12 Opstelling voor de proef van elektromagneet Batterij (9V)+ reserve of voeding Geïsoleerde koperdraad verschillende lengtes/diktes Verschillende spijkers, ferietenkern Schuurpapier 2 krokodillenklemmen paperclips 23 Onderzoeksvragen elektromagneet De resultaten van deze proef kunnen we gebruiken om een “magneet” te maken die we aan - en uit kunnen zetten: we noemen dit een elektromagneet. Zoek op wat dit is en hoe je een elektromagneet zo sterk mogelijk kan maken. Maak een elektromagneet met het materiaal dat voorhanden is en waarmee je zo veel mogelijk paperclips kan opheffen. Tips Stel de vraag: “Hoe doen ze dat in een luidspreker?”(spoel) Probeer verschillende metalen kernen uit. Experimenteer met de hoeveelheid wikkelingen/lengte van de draad. Je kan de gedemonteerde luidspreker nog hergebruiken om het principe van de luidspreker te demonstreren. Door een 9V batterij aan te sluiten op de luidspreker kan je heel goed de krachtwerking tussen de permanente magneet en de spoel zien. Verwissel zeker ook eens de polen. Figuur 13 24 Samenvatting Wanneer er een stroom loopt door een metalen geleider, wordt deze magnetisch. De kurkentrekkerregel beschrijft de zin van de magnetische veldlijnen: Figuur 14: kurkentrekkerregel Als de spiraal van een kurkentrekker de stroomzin voorstelt, dan is de richting waarin je de kurkentrekker in de kurk moet draaien, de zin waarin de veldlijnen wijzen. Je kunt deze truc ook met je hand doen: als je je rechterduim opsteekt, en je duim geeft de zin van de stroom aan, dan geven je andere vingers de richting van de veldlijnen aan. De sterkte van dit magnetisch veld rond de stroomvoerende draad wordt beschreven door de wet van Ampère Dit veld wordt nog sterker naarmate we de draad oprollen en meer windingen maken. We noemen dit een spoel of solenoïde. Met de kurkentrekkerregel kunnen we het magnetisch veld 25 rond ieder van de stukjes draad bepalen en een idee krijgen hoe het globale veld er zal uitzien: Figuur 15 Figuur 16 (n is hier het aantal windingen per lengte-eenheid) Het veld van een spoel kunnen we nog sterker maken door een metalen kern met de juiste magnetische eigenschappen in te brengen. 26 Figuur 17 Op deze manier maken we een elektromagneet gemaakt die we kunnen aan - en uitzetten. In de luidspreker zit ook een soort elektromagneet. De stroomzin door deze spoel zal de noorden zuidpool bepalen van de spoel. De spoel kan dus een permanente magneet aantrekken of afstoten. Figuur 18 27 4. Werking van de luidspreker A. Laat een geleider trillen op het tempo van de muziek De studenten hebben ervaringsgericht kunnen kennismaken met alle basisprincipes en onderdelen van een luidspreker. “Eigenlijk is het niet meer dan een draadje laten trillen.” Het wordt tijd voor de laatste en grootste uitdaging. Laat ze de opgedane kennis bundelen tot een origineel-werkend-luidspreker concept. Materiaal en hulpmiddelen Een geleider laten trillen Radio + CD Sigaretten blaadjes Kniptang Geleiders Magneten Krokodillenklemmen Kleefband Vermogenweerstand Papier Schaar Figuur 19: Materiaal om een geleider te laten trillen 28 Verplichte onderdelen Neodym magneet Koperwikkeldraad AWG34 Sigarettenblaadjes Verschillende diktes van papier Schaar Kniptang Radio met test CD Koperdraad (verschillende diktes) Kleefband Vermogenweerstand 5Ohm Onderzoeksvragen Welk principe moet er zeker plaats grijpen in de luidspreker? Hoe gaan de leerlingen dat proberen te verwezenlijken? Duidt op onderstaand 2D modeltekeningen de krachtwerkingen aan. (Waar zet ik de magneten t.o.v. de spoel?) Figuur 20 Figuur 21 29 Samenvatting Het volgende filmpje geeft een duidelijk overzicht van hoe de ‘Laplacekracht’ aan de basis ligt van de werking van de luidspreker: http://www.youtube.com/watch?v=xuk_MBVzoO8 Een rechte stroomvoerende geleider zal in een magnetisch veld een kracht ondergaan (de Laplace kracht). Als we de stroomvoerende geleider verbinden met een gelijkspanningsbron, zal de draad uitwijken. Figuur 22 Wanneer we nu de polariteit van de gelijkspanningsbron omdraaien, zal de geleider naar de andere kant uitwijken. Dit kan je uittesten met volgende applet: Wanneer je nu wisselstroom op de geleider aansluit met een lage frequentie, zal je de draad heen- en weer zien trillen. Voer je de frequentie nog op, zal de trilling te snel geworden zijn om duidelijk te zien, maar je zal ze wel horen. http://stielec.ac-aixmarseille.fr/applets_walter_fendt/lorentzforce_f/lorentzforce_f.htm 30 In de paragraaf over magische magneten ontdekten we dat als je een draad oprolt tot een spoel, je een groter magnetisch veld maakt. De ‘Laplace kracht’ op dit spoeltje zal dan ook groter zijn. (Denk terug aan het proefje waarbij je de gedemonteerde luidspreker aansloot op een batterij.) De spreekspoel van de luidspreker is niet anders dan een opgerolde geleider waar we stroom op aanbrengen. De permanente magneet zorgt voor een extern magnetisch veld. Deze situatie is een mooie toepassing op de Laplace kracht. De spreekspoel ondergaat een kracht FL waarvan de grootte evenredig is met: De De De De stroom door de spoel I sterkte van het magnetisch veld van de permanente magneet B lengte van de uitgerolde solenoïde L sinus van de hoek tussen stroom en magnetisch veld Of kort samengevat: Om de richting en zin van deze kracht te bepalen bestaan er enkele ezelsbruggetjes die je kan gebruiken: Om de richting van de Laplacekracht te bepalen kan men de linkerhandregel gebruiken. Houdt men de gestrekte linkerhand zo dat de veldlijnen langs de palm intreden en dat de vingertoppen de stroomzin volgen, dan wijst de gestrekte duim de zin aan van de beweegkracht. Figuur 23 31 Een andere manier is de FBI-regel. Je maakt een pistool met je linkerhand door de wijsvinger recht vooruit te steken en een loodrechte hoek te laten vormen met je duim. Jouw duim steekt dan fier omhoog. Vervolgens wijs je met je duim naar jezelf en maakt je met je middelvinger een loodrechte hoek met de wijsvinger. De middelvinger wijst dan naar rechts. In de volgorde duimwijsvinger-middelvinger worden zo de richtingen van de lorentzkracht (F), de Figuur 24 magnetische veldlijnen (B) en de elektrische stroom (I) aangegeven, dus in de volgorde F-B-I. Een derde manier is de kurkentrekkerregel. Men draait eenvoudig een kurkentrekker over de kleinste hoek van naar . De kurkentrekker gaat dan vooruit de fles in. Dit is de richting van de lorentzkracht . Figuur 25 In ons prototype luidsprekertje gaan we enkel een cilindermagneetje uit neodymium gebruiken als permanente magneet. Ruwweg ziet onze luidspreker er dan als volgt uit: Figuur 26 In bijhorende powerpoint document wordt de krachtwerking stapsgewijs toegelicht voor volgende situaties: 32 De neodymiummagneet zit volledig (met beide polen) in de spoel: in deze situatie kan je geen uitwijking veroorzaken want de krachten boven en onderaan in de spoel zullen elkaar compenseren. Figuur 27 De neodymiummagneet zit met 1 pool volledig in de spoel en 1 pool deels in de spoel: deze situatie werkt niet zo heel goed want de krachten boven en onderaan in de spoel zullen elkaar DEELS compenseren. Figuur 28 De neodymiummagneet zit met 1 pool volledig in de spoel en 1 pool uit de spoel: deze situatie werkt goed want er zal een netto kracht zijn die de spoel zal doen uitwijken. Figuur 29 De neodymiummagneet zit onder de spoel: deze situatie werkt goed want er zal een netto kracht zijn die de spoel zal doen uitwijken. Figuur 30 33 Echte luidsprekers maken gebruik van een weekijzeren kern om het magneetveld te versterken: Figuur 31 34 Er bestaan hoofdzakelijk twee modellen: Weekijzer Neodymium Ferriet magneet Figuur 32 De oudere modellen maken gebruik van een Ferriet ringmagneet (zie linkse figuur in blauw). De witte structuur bestaat uit weekijzer of zacht staal. De nieuwere modellen maken gebruik van de Neodymiummagneten (zie rechtse figuur in het geel). De witte structuur bestaat uit weekijzer. We kunnen opnieuw naar de krachtwerking gaan kijken in een doorsnede van deze beide modellen (zie PowerPoint.) Om geluid te laten ontstaan moeten we een trilling veroorzaken. Dit is eenvoudig te realiseren: Een wisselspanning zal ook de stroomzin in de spoel doen keren, waardoor ook de ‘Laplace kracht’ van zin verandert. Op deze manier ontstaat een trilling met dezelfde frequentie als die van de wisselspanning. Tips De trilling kan je voelen. De volgende uitdaging is dan om de trilling hoorbaar te maken, kortom te versterken, totdat ze zo goed als het voorbeeld of nog beter speelt. 35 B. De trilling beter hoorbaar maken Een draad laten trillen is slechts een begin. Daag de leerlingen uit om die trillende draad hoorbaar te maken. Hiervoor zijn er verschillende manieren: De krachtwerking tussen de elektromagneet en de permanente magneet groter maken (Laplace) Het trillend oppervlak groter maken Het megafooneffect toepassen Er zijn verschillende mogelijkheden. Voorzie verschillende materialen en laat de leerlingen creatieve oplossingen bedenken. Materiaal en hulpmiddelen Figuur 33 Bekers Papier 2 neodyniummagneten Lege flessen Koperwikkeldraad Blikjes Borden Sigarettenblaadjes Onderzoeksvragen Gebruik een membraan om geluid te versterken. Onderzoek verschillende eigenschappen van dit membraan op de geluidsversterking: grootte, vorm en type materiaal. 36 Samenvatting Het geluid van de luidspreker wordt gevormd door de trilling die ontstaat door de wisselwerking tussen de magneet en de spoel. De laatste uitdaging is om het geluid dat uit dit fantastisch toestel komt, voldoende luid te laten klinken. Natuurlijk zal de versterker, waar de luidspreker op aangesloten is, hier een grote rol spelen door het elektrisch signaal op de aansluitdraden van de spoel te vergroten. Verder kan je, elektromagnetisch, de trilling zo sterk mogelijk maken, door de magneet op de juiste plaats te zetten t.o.v. de spoel, en door het magnetisch veld van de magneet te versterken (door gebruik te maken van weekijzeren constructies). Hier zijn we al eerder op in gegaan. Maar je kan het geluid van de luidspreker ook akoestisch op verschillende manieren versterken door met de eigenschappen van het membraan te gaan spelen (het is dit membraan dat de deeltjes van de lucht mee zal laten trillen om uiteindelijk een geluidsgolf te laten ontstaan). Dus wat kan je dan praktisch doen? 1. Maak een juiste keuze van materialen voor het membraan. Er zijn voornamelijk twee materiaaleigenschappen van belang: De stijfheid van het materiaal: het membraan dat je gebruikt, moet zo stijf mogelijk zijn om de luchtdeeltjes mooi in fase in beweging te krijgen. Als het membraan te slap is, krijg je de lucht niet deftig aan het trillen. De dichtheid van het materiaal: Je membraan mag ook niet te zwaar wegen, want anders krijg je het niet gemakkelijk in beweging. Hier speelt het traagheidseffect een rol. Dus gaat de keuze uit naar materialen met een kleine dichtheid. Het materiaal bij uitstek dat aan deze twee voorwaarden voldoet, is papier. Het is zelfs zo dat vandaag de dag de meeste luidsprekermembranen nog steeds uit een soort papier gemaakt worden. Er bestaan ook wel andere types, zelfs membranen die uit een fijne diamant laag bestaan, maar deze kosten natuurlijk veel meer! 37 2. Maak een juiste keuze voor de vorm van het membraan. Het membraan van de luidspreker hebben we tot hiertoe steeds de conus genoemd. Dit slaat op de vorm van het membraan. Alle elektrodynamische luidsprekers die je vandaag nog tegenkomt, hebben een kegelvormig membraan. (Dit is niet altijd het geval geweest, luidsprekers in de geschiedenis hadden soms heel speciale vormen, denk maar aan de hoorns, trompetvormen enz…) Figuur 34 De reden dat we zijn overgestapt naar kegelvormige membranen heeft te maken met het feit dat papier een goede stijfheid bekomt als we het in die vorm gebruiken (zie hierboven.) Een ander effect van een kegelvormig membraan dat in mindere mate zal meespelen, is het megafoon-effect: 38 Het geluid zal zich normaalgezien bolvormig verspreiden rond de trilling die het doet ontstaan. Door een kegelvormig membraan te laten meetrillen met de geluidsbron, zullen de geluidsgolven zich minder kunnen verspreiden in de ruimte en beter hoorbaar blijven in de richting waarin ze uitgezonden worden. Figuur 35: het megafoon effect is des te sterker naarmate de openingshoek van de kegel klein is. 3. Maak een juiste keuze voor de afmetingen van het membraan. Hoe hard kan je in een zakdoek slaan? Niet echt heel hard omdat de zakdoek weinig weerstand biedt. Een luidspreker heeft hetzelfde probleem wanneer het zijn trillingsenergie wil overdragen aan de lucht. Figuur 36 Een luidspreker die niet ingebouwd is in een behuizing zal de geluiden waarvan de golflengtes (hoe groter een golflengte, hoe lager de frequentie) groter zijn dan die van de diameter van de luidspreker, heel slecht versterken. Om die reden bestaan er tweeters en woofers Woofers hebben een grote diameter waardoor ze eenvoudiger lage tonen in de lucht kunnen verspreiden. Tweeters hebben een kleinere diameter waardoor zij beter hoge tonen kunnen verspreiden. 39 De juiste golflengtes filteren voor de juiste luidspreker Het grote verschil tussen een woofer, mid-range en tweeter ligt in de diameter van het trillend oppervlak. Bij een woofer is dit veel groter dan bij een tweeter. Hoe groter de conus, des te beter de luidspreker lage tonen (grotere golflengtes) kan voortplanten. Een tweeter kan dan weer beter hoge tonen (kleinere golflengtes) voortplanten. Om de verschillende luidsprekers in een box zo efficiënt mogelijk te benutten, zit er om die reden steeds een elektronische filter in die bepaalt welke toon naar welke luidspreker gaat. Figuur 37: Eenvoudige hoog,- laagdoorlaat filter Hoe hoger de frequente van het audiosignaal, des te lager de weerstand van de capaciteit (capacitantie). Alle hoge frequenties gaan naar de tweeter. Hoe lager de frequentie van het audiosignaal, hoe lager de weerstand van de spoel (impedantie.) Zo kunnen alle lage frequenties naar de woofer gaan. Figuur 38 40 5. Een ontwerp van een luidspreker Soorten Er zijn verschillende vormen van luidsprekers: wij concentreren ons in dit project op de elektrodynamische. De elektrodynamische luidspreker is de meest gekende vorm en is gebaseerd op de wisselwerking van een spoel ten opzichte van een permanente magneet. Maar er zijn er nog anderen soorten zoals de elektrostatische en de plasma-dynamische luidsprekers. Opdracht Laat de leerlingen de werking van de onderstaande luidsprekers opzoeken. Op welk principe is de werking gebaseerd? Figuur 39: Elektrostatische luidspreker Figuur 40: Plasma-dynamische 41 C. Zelf een ontwerp maken De leerlingen hebben de trillende geleider hoorbaar kunnen maken. Maar nu komt de grootste uitdaging: een originele luidspreker ontwerpen en realiseren met behulp van het technisch proces. Alle technische realisaties worden op basis hiervan gemaakt. Hierbij doorloopt de ontwerper steeds 5 belangrijke stappen: 1. Behoefte: Er is de behoefte om naar muziek te willen luisteren. 2. Ontwerpfase: Oplossingen bedenken om het probleem op te lossen, de voor - en nadelen van de verschillende ideeën kritisch bespreken. Een technische tekening maken. Verschillende situaties simuleren. Keuzes maken van materialen. 3. Realisatiefase: Aan de hand van de technische tekening het toestel bouwen. 4. Ingebruikname: Wanneer het ontwerp gerealiseerd is, kan je de realisatie in gebruik nemen. Dit is het moment waar de groep heeft naar uitgekeken: hun plan wordt werkelijkheid! 5. Evalueren: Tenslotte moet de groep het hele proces evalueren. Daarvoor gebruiken wij een aantal richtvragen: a. Voldoet het apparaat aan de eisen of verwachtingen? b. Lost het ons probleem ook echt op? c. Is het toestel handig, betaalbaar, veilig, …? d. Is er ruimte voor verbetering? Ja, dan keren we terug naar de ontwerpfase. 42 D. Het Technisch proces voor de luidspreker Laat de studenten aan de hand van het technisch proces hun concept uitwerken. De behoefte bestaat er in om geluid uit een versterker hoorbaar te maken. In de ontwerpfase gaan ze alle informatie moeten samenleggen van de voorgaande experimenten. Met die achtergrond moeten ze tot een geschikt model komen. Laat ze op voorhand een 2D-model tekenen waarop ze de ‘Laplace kracht’ aanduiden. Wanneer het ontwerp klaar is, kunnen ze aan de realisatie beginnen. Evalueren is een zeer belangrijk onderdeel. Zijn er zaken die kunnen verbeterd worden? Of werkt het perfect van de eerste keer? Zo niet, moeten ze terugkeren naar de ontwerpfase om een verbeterd concept uit te werken. Op de volgende bladzijde vind je alvast enkele creatieve en werkende luidsprekers terug. Hoe is de positie van de spoel tov de magneet? Teken het 2D model en duid de Laplace kracht aan Kan je het geluid nog versterken? Zijn de aansluitpunten stevig? Figuur 41: Technisch proces 43 E. Materiaal Voorzie voldoende materiaal. En hopelijk is er een ontwerp bij dat het voorbeeld van de leerkracht overtreft. 2 Neodymium magneten 3 Meter koperwikkeldraad AWG 34 (geeft een impedantie van 8 Ohm) Papier van verschillende diktes 2 Krokodillenklemmen Dubbelzijdige kleefband Enkelzijdige kleefband Papieren kleefband Blikjes, kartonnendozen,… huis - , tuin - en keukenmateriaal Figuur 42 44 F. Voorbeelden van creatieve concepten 45 46 47 G. Een eenvoudige luidspreker van papier 48 49 6. Referenties op het internet Geluid uit een luidspreker http://www.animations.physics.unsw.edu.au/waves-sound/sound/index.html Applet Laplace kracht http://stielec.ac-aix-marseille.fr/applets_walter_fendt/lorentzforce_f/lorentzforce_f.htm Hyperphysics http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/audio/spkcon.html#c1 Physics of a loudspeaker http://www.youtube.com/watch?v=oGrlz6t28XE Onderdelen en werking van een luidspreker www.technolyceum.nl/taken/OT/OT39/luidsprekers/luidsprekers.PPT How a speaker works http://www.youtube.com/watch?v=xuk_MBVzoO8 Hoe luidsprekers gemaakt worden http://www.youtube.com/watch?v=izQHjVWfzDQ Hoe werkt een luidspreker? http://electronics.howstuffworks.com/speaker1.htm Applets geluid http://phet.colorado.edu/nl/simulation/sound 50 7. Bijlagen A. Leerplannen GO 51 52 53 B. Leerplannen VVKSO 54 55 56 C. Leerplannen OVSG Nr. Leerplandoelstelling en leerinhoud Code B/U ET 20 B 6.4 ELEKTRICITEIT EN MAGNETISME 65 Met voorbeelden kunnen illustreren dat ladingen in beweging aanleiding geven tot magnetische krachten. Magnetische krachtvelden door elektrische stromen: magnetisch veld rond een geleider en een spoel. 66 De grootheid ‘magnetische inductie’ kunnen definiëren, het symbool en de SI-eenheid ervan kunnen aangeven. grootheid Magnetische inductie 68 ET 1 symbool eenheid B T Met behulp van de magnetische kracht de werking van een motor kunnen beschrijven en de energietransformatie kunnen herkennen. B ET 21 SET 6 B Code B/U ET 14 SET 16 B Krachtwerking in het magnetisch veld: kracht op een stroomvoerende geleider, elektromotor, energieomzetting. Nr. Leerplandoelstelling en leerinhoud 6.5 TRILLINGEN EN GOLVEN 78 De oorzaak en eigenschappen van een harmonische trilling kunnen omschrijven en in concrete voorbeelden illustreren en de evolutie van het open systeem kwalitatief kunnen beschrijven. Harmonische trilling: - ontstaan van trillingen door mechanische of elektromagnetische krachtwerking; - begrippen: amplitude, elongatie, pulsatie, frequentie; - harmonische kracht en energie; - wisselstroom als harmonische trilling, Ohmse weerstand en effectieve waarde, energieomzetting bij wisselstromen. 57 58 59 Cool met Spoelen “Cool met Spoelen” introduceert elektromagnetisme vanuit een praktische invalshoek en speelt in op leefwereld van de jongeren. Een luidspreker bouwen volgens een eigen concept, motiveert hen om basisprincipes van elektromagnetisme aan te leren en toe te passen. Deze leerkrachtenhandleiding bevat : * experimenten met onderzoeksvragen voor de leerlingen * praktische informatie over de werking van de luidspreker met verwijzingen naar de theorie over elektromagnetisme * praktische tips om een eigen luidspreker concept te maken met de leerlingen *voorbeelden van originele luidsprekers concepten * links naar nuttige bronnen op het internet * een verwijzing naar de leerplandoelstellingen fysica derde graad van de drie onderwijsnetten die bereikt worden met dit project Cool met Spoelen 60
