Materie, energie en leven

8 Van elektromagneet tot elektrische motor
8.1 Magnetisme in het dagelijkse leven
Om een kracht uit te oefenen op een voorwerp hoeft een magneet geen contact te maken met dat
voorwerp. Er is sprake van een ‘krachtwerking op afstand’ of ‘veldkracht’.
Vermeld nog twee veldkrachten:
Een magneet veroorzaakt in de ruimte eromheen een magnetisch veld.
Magneten worden onder meer gebruikt in de sluiting van een kastdeur, in microfoons en luidsprekers,
in een elektromotor en in een kompas. Bij deze toepassingen is de magneet een permanente
magneet: een magneet waarvan de magnetische eigenschappen doorlopend aanwezig zijn. De
magneet kan niet worden aan of uitgezet.
Magneten worden ook gebruikt in apparaten als een elektrische bel en een relais (een elektrische
schakelaar). Bij deze toepassingen is de magneet een elektromagneet: een spoel waarin een
elektrische stroom loopt. Zo een magneet is aan en uit te zetten door het in- en uitschakelen van de
stroom.
8.1.1 Recyclage van glas
Het verwerken van glasafval gebeurt in verschillende stadia. Het per kleur gesorteerde glas dat in de
‘groene bollen’ terecht komt, moet eerst gescheiden worden van het afval, zoals dekseltjes, kurken, …
Het gebeurt immers vaak dat mensen uiteenlopende materialen in de bollen werpen die er niet in thuis
horen. Het opgehaalde glas wordt op een grote transportband uitgegooid en gesorteerd. Enerzijds
gebeurt dit manueel: er staan mensen naast de band die een groot gedeelte van wat geen glas is er
manueel uit halen. Daarnaast passeert de transportband een zeer grote sterke magneet. Deze
magneet zal al het resterende materiaal dat ijzer bevat aantrekken en zo verwijderen uit de massa
glasscherven. De kracht waarmee de magneet de ijzerdeeltjes aantrekt noemt men de magnetische
kracht.
8.1.2 Zonnestormen
Op de zon komen enorme uitbarstingen voor. Gigantische hoeveelheden materie verheffen zich van
het oppervlak in de meest uiteenlopende vormen. De vorm varieert van gevlamde structuren tot hele
gordijnen van materie, stralen als zoeklichten, grote lussen, … Deze materiestromen volgen steeds
de magnetische veldlijnen (zie verder).
8.1.3 Magnetisch veld van de aarde
Een kompasnaald wijst je steeds de weg naar het Noorden. De verklaring hiervoor komt verder nog
aan bod.
8.2
Stuurgroep NW- VVKSO
1
8.2 Magnetisme
We onderzoeken hier enkele aspecten van magnetisme. Voer het proefje uit en formuleer bij de eerste
vier proeven de onderzoeksvraag naast het nummer van de proef.
Proef 1:
Materiaal: staafmagneten, hoefijzermagneet, stukjes nikkel, lood, ijzer, zink, hout, papier.
Ga na welke materialen aangetrokken worden door de magneten:
Waarneming:
……………………………………………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………………………………………….
Besluit:
De stoffen welke aan de krachtwerking onderhevig zijn noemt men magnetische stoffen, men
spreekt ook van ferromagnetische stoffen. Voorbeelden hiervan zijn: …………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………….
De stoffen die niet aangetrokken worden door magneten zijn niet-magnetische stoffen. Voorbeelden
hiervan zijn: ………………………………………………………………………………………………………..
Proef 2:
Materiaal: staafmagneten, hoefijzermagneet, stukjes ijzer
Ga na of de krachtwerking over de gehele magneet overal even sterk is.
Waarneming en besluit
……………………………………………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………………………………………….
Proef 3:
Materiaal: vrij draaiende magneetnaald of kompasnaald.
Ga na hoe de magneetnaald zich richt.
Waarneming en besluit:
Proef 4 :
Materiaal: ijzerdraad, staafmagneet, vrij draaiende magneetnaald
Een stuk ijzerdraad wordt gemagnetiseerd door er met de noordpool van een staafmagneet over te
wrijven.
Stuurgroep NW- VVKSO
2
Waarneming en besluit:
……………………………………………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………………………………………….
We knippen de gemagnetiseerde ijzerdraad in twee en onderzoeken beide helften met de
magneetnaald.
Waarneming:
……………………………………………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………………………………………….
Proef 5 : Magnetisch veld
Materiaal : vrij draaiende magneetnaald, staafmagneet
Ga na hoe het magneetnaaldje zich draait t.o.v. van de staafmagneet.
Waarneming
Proef 6 : Veldlijnen
Materiaal: glasplaat, staafmagneet, ijzervijlsel
Strooi ijzervijlsel op de glasplaat die bovenop de staafmagneet ligt.
Waarneming en besluit:
Stuurgroep NW- VVKSO
3
Als we de proef herhalen met een hoefijzermagneet bekomen we
nevenstaand beeld.
Hier is de veldlijnendichtheid overal even groot, dus het magnetisch
veld tussen de benen is overal even sterk. We noemen dit een
homogeen veld.
8.3 Elektromagnetisme
8.3.1 Een elektrische stroom veroorzaakt een magnetisch veld
1
In een stroomvoerende geleider (proef van Oersted)
Een kompasnaald wordt opgesteld volgens de NZonder
een
stroomvoerende
geleider.
Bij
stroomdoorgang tracht de kompasnaald zich
loodrecht op de stroomvoerende geleider in te
stellen. Zodra de stroom wordt uitgeschakeld,
de naald terug in haar normale toestand. Als de
herhaald wordt maar je keert de stroomzin door de
geleider om, dan wordt weer een afwijking
waargenomen. De kompasnaald zal nu echter
gedraaid zijn t.o.v. het vorige experiment.
as
draait
proef
180°
Besluiten:
1. Via de krachtwerking op de magneetnaald kunnen we
besluiten dat rond een stroomvoerende geleider een
magnetisch veld ontstaat.
2. De veldlijnen rond een stroomvoerende geleider zijn
concentrische cirkels rond de stroomvoerende geleider. De zin
van de veldlijnen hangt af van de zin van de stroom. Op
volgende site kan je dit simuleren:
http://www.fys.kuleuven.ac.be/pradem/applets/Fendt/phnl/mfwi
re_nl.htm
Stuurgroep NW- VVKSO
4
2
In een cirkelvormige winding
We maken van de rechte geleider nu een cirkelvormige
winding. Wat zal er gebeuren met het magnetisch veld
binnenin de winding?
3
In een stroomvoerende spoel
Een spoel bestaat uit een aantal spiraalvormige
windingen achter elkaar. Het magnetisch veld wordt
nog sterker dan bij een enkelvoudige winding.
Een stroomvoerende spoel zal zich gedragen als
magneet. De stroomspoel bezit dus een noordpool
een zuidpool.
Proefondervindelijk kunnen we aantonen dat de
veldlijnen ongeveer lopen als bij een staafmagneet.
magnetisch veld binnenin een lange spoel
(solenoïde) is nagenoeg homogeen. De zin van de
veldlijnen en de polarisatie hangt af van de
stroomzin.
nu
een
en
Het
8.3.2 Elektromagneten
Proef 1
Materiaal: spoel met weekijzeren kern, stroombron, nagels
Laat stroom door de spoel gaan. Wat neem je waar als je de spoel bij de nagels brengt?
Waarneming:
Wat neem je waar als je de stroomsterkte vergroot?
Stuurgroep NW- VVKSO
5
Proef 2
Materiaal: spoel, stroombron, vrij draaiende magneetnaald
Laat stroom door de spoel gaan en ga na hoe het magneetnaaldje zich draait.
Verander daarna de stroomzin en ga na hoe het magneetnaaldje zich draait.
Waarneming
……………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………..
Besluiten:
Een spoel met een ijzeren kern waarin een elektrische stroom loopt, noemt men een elektromagneet.
Een elektromagneet kan worden aan en uit gezet door het in- en uitschakelen van de stroom.
Hoe groter de stroomsterkte, hoe sterker het magnetisch veld.
Bij het veranderen van de stroomzin zal de elektromagneet omgepoold worden.
Vraagje
Bekijk aandachtig onderstaande gevallen. In welk van beide gevallen zal er aantrekking zijn?
Proef 3: Maak zelf een elektromagneet
Materiaal: ijzeren nagel, koperdraad, batterij, verbindingsdraden, ijzervijlsel of paperclip
Wikkel de koperdraad rond de ijzeren nagel, verbind de draad met de batterij en ga na of het
ijzervijlsel aangetrokken wordt.
Waarneming
Stuurgroep NW- VVKSO
6
8.3.3 Werking van de schoolbel
Bekijk aandachtig het schema van de bel. Op het ogenblik dat de knop ingedrukt wordt, is de
stroomkring gesloten. De elektrische stroom loopt van de positieve pool van de batterij, via het
contactschroefje naar de bladveer, door de
elektromagneet. Daardoor ontstaat daar een
magnetisch veld, waardoor de bladveer
aangetrokken wordt. De hamer slaat bijgevolg
op
de
bel.
Op dat ogenblik is de stroomkring onderbroken.
De
elektromagneet verliest zijn magnetische
aantrekkingskracht; de bladveer valt terug in zijn
oorspronkelijke positie en maakt opnieuw
contact
met de schroef.
De stroomkring is nu weer gesloten en het proces begint opnieuw.
8.3.4 Permanente magneten en aardmagnetisme
Er zal steeds een magnetisch veld ontstaan als er een elektrische stroom door een geleider loopt, wat
ook de vorm van deze geleider is. Wanneer elektrische ladingen zich verplaatsen, dus bij een
elektrische stroom, wordt een magnetisch veld opgewekt.
De verklaring van het ontstaan van een magnetisch veld rond permanente magneten is zeer
complex. Uiteindelijk zijn het ook daar bewegende ladingen (elektronen) die het magnetisch veld
veroorzaken.
Het aardmagnetisme kan worden verklaard door bewegende ladingen in de vloeibare buitenkern van
de aarde. In deze buitenkern heerst namelijk een zeer hoge temperatuur waardoor de atomen (vooral
ijzeratomen) geïoniseerd worden. Verder zorgt ook de rotatie van de aarde voor een scheiding van de
ionen en vrije elektronen omdat de vrije elektronen veel sneller mee bewegen dan de zware
ijzerionen. Volgens dit model zouden vooral de bewegende elektronen zorgen voor het ontstaan van
het magnetisch veld van de aarde.
Stuurgroep NW- VVKSO
7
8
VAN ELEKTROMAGNEET TOT ELEKTRISCHE MOTOR ........................................................... 1
8.1
Magnetisme in het dagelijkse leven ....................................................................................... 1
8.1.1 Recyclage van glas ................................................................................................................ 1
8.1.2 Zonnestormen ........................................................................................................................ 1
8.1.3 Magnetisch veld van de aarde ............................................................................................... 1
8.2
Magnetisme ............................................................................................................................... 2
8.3
Elektromagnetisme .................................................................................................................. 4
8.3.1 Een elektrische stroom veroorzaakt een magnetisch veld .................................................... 4
8.3.2 Elektromagneten .................................................................................................................... 5
8.3.3 Werking van de schoolbel ...................................................................................................... 7
8.3.4 Permanente magneten en aardmagnetisme.......................................................................... 7
Stuurgroep NW- VVKSO
8