1 Magneten en magneetvelden – zie boek p. 106-110

Natuurwetenschappen – context 1: Materie, energie en leven
Notities bij hoofdstuk 7:
Magneten en elektromagneten
1 Magneten en magneetvelden – zie boek p. 106-110
1.1 Een magneet oefent een kracht uit
Een magneet veroorzaakt in de ruimte eromheen een magnetisch veld. Sommige voorwerpen die zich in dit
magnetisch veld bevinden worden aangetrokken tot de magneet door de magnetische kracht.
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 altijd aanwezig zijn. De magneet kan niet worden aan of
uitgezet.
Magneten worden ook gebruikt in apparaten als een elektrische bel en of een elektrische schakelaar. Bij
deze toepassingen is de magneet een elektromagneet: een spoel (een geleidende draad die honderden
keren opgewonden is) waarin een elektrische stroom loopt. Zo een magneet is aan en uit te zetten door het
in- en uitschakelen van de stroom.
1.2 Het magnetisch veld
Bij een staafmagneet lopen de veldlijnen van de noordpool naar de zuidpool.
Bij de polen liggen de veldlijnen het dichtst bij elkaar en is de magnetische krachtwerking het grootst. De
magnetische inductie is daar dus het grootst.
Bij een hoefijzermagneet bekomen we nevenstaand beeld.
De veldlijnen lopen ook van de noordpool naar de zuidpool.
Hier is de veldlijnendichtheid overal even groot, dus het magnetisch veld
tussen de benen is overal even sterk. We noemen dit een homogeen veld.
92
Natuurwetenschappen – context 1: Materie, energie en leven
Aanvulling bij 1.2 - Het magnetisch veld van een spoel (p. 108-110)
Een elektrische stroom veroorzaakt een magnetisch veld

Een stroom gaat door een verticale geleider. Een vrije draaiende magneetnaald naast de geleider gaat
zich richten loodrecht op de geleider.
Verklaring:
Er is een magnetisch veld ontstaan rond de geleider. De magnetische veldlijnen vormen cirkels rond de
geleider. Als de stroomzin door de geleider omgekeerd wordt, dan zal de magneetnaald zich 180°
draaien. Dit komt doordat de richting van het magnetisch veld omgedraaid is.
Besluit: rond een stroomvoerende geleider ontstaat een magnetisch veld.
Op volgende site kan je dit simuleren:
http://www.fys.kuleuven.ac.be/pradem/applets/Fendt/phnl/mfwire_nl.htm
Opmerking: alle elektriciteitsdraden waar stroom door gaat, veroorzaken een (klein) magnetisch veld!

Magnetisch veld rond een stroomvoerende spoel
Een spoel bestaat uit een aantal cirkelvormige windingen achter
elkaar. Het magnetisch veld wordt nu nog sterker dan bij één winding:
de magnetische veldlijnen rond de afzonderlijke windingen worden
samen genomen en versterken elkaar.
2 Elektromagneten – zie boek p. 110-111
Rond een stroomvoerende spoel waar een stroom door loopt, ontstaat een magnetisch veld (zie vorig punt).
Dit verschijnsel komt voor bij elektromagneten.
Elektromagneten bestaan uit een kern (meestal uit zuiver ijzer) waar een spoel om gewikkeld is.
Een elektromagneet gedraagt zich als een magneet als er een elektrische stroom door de spoel loopt.
Het magnetisch veld dat rond de spoel ontstaat zorgt ervoor dat de ijzeren kern een magneet wordt.
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 (noordpool wordt zuidpool en
omgekeerd).
Vraagje
Bekijk aandachtig onderstaande gevallen. In welk van beide gevallen zal er aantrekking zijn?
93
Natuurwetenschappen – context 1: Materie, energie en leven
3 De lorentzkracht: kracht op een stroomvoerende
geleider in een magnetisch veld
3.1 Wat is de lorentzkracht? – zie boek p. 112-113
Het experiment kan je simuleren met een applet die je vindt op
volgend adres: http://www.walterfendt.de/ph11nl/lorentzforce_nl.htm
Vaststellingen:
Telkens wanneer er een stroom door de stroomkring gaat,
beweegt de schommel. Hij ondervindt dus een kracht. De zin
van de kracht wijzigt als je de zin van het magnetisch veld
omdraait of als je de stroomzin in de stroomkring omkeert.
De kracht op een geleider in een magnetisch veld,
waar stroom doorloopt, noemen we de lorentzkracht.
3.2 De lorentzkracht in de praktijk – zie boek p. 113-116
Toepassing 1: werking van de luidspreker
Luidsprekers vind je in alle maten en gewichten: van hele
grote op concerten tot hele kleine in de ‘oortjes’ van een mp3speler.
spoel
De trilling van de lucht die je oor bereikt wordt in gang gezet
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. Je hebt zeker
al gemerkt dat de kegel van de luidspreker in boxen beweegt
tijdens het spelen. Hierdoor ontstaan geluidstrillingen. Deze
bereiken je oor en doen je trommelvlies trillen. Deze trillingen worden in je oor omgezet in zenuwprikkels die
naar je hersenen gaan. Je hersenen interpreteren deze zenuwsignalen als geluid.
Dankzij de trillingen van de kegel in de luidspreker kunnen dove mensen toch nog dansen op het juiste
ritme: ze voelen de geluidstrillingen via de dansvloer.
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
Toepassing 2: de gelijkstroommotor
Op volgend adres vind je een mooie animatie: http://www.walter-fendt.de/ph11nl/electricmotor_nl.htm
Een gelijkstroommotor vind je in: startmotor auto, ruitenwisser, wasmachines, videorecorders, koelkasten,
stofzuigers, de ventilator die de processor van een computer koelt, in fotocamera's, in speelgoedrobotarmen
(industrie), treinen en trams
94
Natuurwetenschappen – context 1: Materie, energie en leven
4 Elektromagnetische inductie – zie boek p. 117-119
Telkens als een spoel en een magneet ten opzichte van elkaar bewegen, ontstaat een spanning aan de
klemmen van de spoel. We noemen ze geïnduceerde spanning of inductiespanning.
De inductiespanning wordt groter als:


het aantal windingen in de spoel toeneemt
de spoel en de magneet sneller bewegen ten opzichte van elkaar.
Aanvulling bij 4.2 - generatoren: de netspanning
In een elektriciteitscentrale wordt de rotor (in de generator) aan het draaien gebracht doordat hij op
eenzelfde as zit als de stoomturbine. De rotor zelf wordt aangedreven door stoom.
De grootte en de polariteit van de netspanning verandert in functie van de tijd volgens een kromme die
we een sinusoïde noemen.
Gedurende 0,O1 s stijgt de spanning van 0 V tot 310 V (Vm)om daarna terug naar 0 V te dalen. Tijdens
de volgende 0,01 s wisselt de polariteit en doorloopt de spanning weer de volgorde 0 V - 310 V (-Vm) 0 V.
Elke 0,02 s ( of 50 keer per seconde) doorloopt de spanning dezelfde cyclus. We zeggen daarom dat
de periode van de netspanning 0,02 s is of dat de frequentie 50 Hz (hertz) bedraagt.
Om de 0,01 s bereikt de spanning zijn maximale waarde van 310 V. De amplitude van de netspanning
is 310 V. De effectieve (gemiddelde) spanning bedraagt 220 V. Elektrische toestellen moeten daarom
ontworpen zijn voor deze gemiddelde spanning (en dus niet voor 310 V).
95
Natuurwetenschappen – context 1: Materie, energie en leven
5 Extra
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. Dit gebeurt
voor een deel 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.
Magnetisch veld van de aarde – poollicht
We zagen reeds dat er altijd een magnetisch veld ontstaat 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.
Ook de aarde gedraagt zich als een grote magneet met een magnetische noordpool en zuidpool. Men
denkt dat in het inwendige van de aarde grote elektrische stromen lopen die dit magnetisme
veroorzaken. De magnetische zuidpool van de aarde wordt het noorden genoemd, omdat de
magnetische noordpool van het kompas naar het noorden wijst. De magnetische noordpool
van de aarde wordt het zuiden genoemd.
Een wondermooi gevolg van het aardmagnetisch veld is het ontstaan van poollicht.
Op de zon komen enorme uitbarstingen voor: zonnewinden. Hierbij wordt een enorme hoeveelheid
straling en geladen deeltjes door de zon de ruimte ingestuurd. De zonnewind botst op het
magneetveld van de aarde, waardoor de geladen deeltjes niet in de dampkring kunnen doordringen.
De geladen deeltjes worden weggeleid via de magnetische veldlijnen van de aarde.
De deeltjes volgende magnetische veldlijnen en duiken dan aan de beide polen omlaag, naar de aarde
toe. Daardoor kunnen geladen deeltjes aan de polen dus wel dieper doordringen in de dampkring en
daar reageren met de luchtmoleculen. Hierdoor ontstaan op grote hoogte lichtverschijnselen in de
atmosfeer. We noemen dit het noorderlicht, poollicht of aurora. Hoe dichter je bij de polen komt, hoe
intenser dit poollicht zal zijn
96