Samenvatting Hoofdstuk 15

Samenvatting Hoofdstuk 15, 5 VWO Een permanente magneet is een magneet waarvan de magnetische werking niet verandert. Deze is vaak gemaakt van ijzer met een hoog koolstofgehalte (staal). Een magneet bestaat uit een noordpool, die naar het noorden wijst en een zuidpool. Gelijknamige polen stoten elkaar af, tegengestelde polen trekken elkaar aan. Magneten oefenen ook aantrekkingskracht uit op niet-magnetische voorwerpen van ijzer, nikkel en kobalt. Weekijzer is ijzer met een laag koolstofgehalte en is eenvoudig te magnetiseren. In theorie bestaan stoffen als ijzer, nikkel en kobalt uit elementaire magneten: een verzameling uiterst kleine magneten. Bij een permanente magneet zijn deze elementaire magneten geordend en moeilijk draaibaar, bij weekijzer zijn ze ongeordend en eenvoudig te richten. Een permanente magneet kan de elementaire magneten in een stuk weekijzer richten en ordenen, waardoor een stuk weekijzer met noord en zuidpool ontstaat die wordt aangetrokken door de permanente magneet: magnetische influentie. Door het weghalen van de permanente magneet verdwijnt de ordening en is het weekijzer niet magnetisch meer. Een magneet voert een magnetische kracht uit op de omgeving: het magnetisch veld. Met behulp van naaldmagneten kun je een patroon rondom de magneet zichtbaar maken, hetgeen een model is voor het magnetisch veld van de magneet: magnetische veldlijnen. De raaklijn aan een magnetische veldlijn in een bepaald punt geeft de stand van een draaibare naaldmagneet in dat punt aan. De richting van de magnetische veldlijn in dat punt is de richting die de noordpool van een draaibare naaldmagneet daar heeft. Buiten de magneet lopen de veldlijnen van noordpool naar zuidpool. In de magneet lopen de veldlijnen van zuidpool naar noordpool. Magnetische veldlijnen zijn gesloten krommen. Magnetische inductie B (eenheid T van Tesla) geeft aan hoe sterk het magnetisch veld is. B heeft een grootte en een richting en is dus een vector. Hoe groter de veldlijnendichtheid is des te groter is de magnetische inductie. Dit is het geval bij de polen van de magneet. Het aardmagnetisch veld is te vergelijken met een grote staafmagneet waarvan de magnetische zuidpool bijna overeen komt met de geografische noordpool. Het hoekverschil noemen we declinatie Een elektrische spoel waar stroom door loopt veroorzaakt een magnetisch veld: elektromagnetisme Het magnetisch veld van een spoel lijkt op die van een staafmagneet, waarbij de noord- en zuidpool zich aan het einde van de spoel bevinden. De richting van de veldlijnen binnen de spoel kun je vinden met de rechterhandregel voor een stroomspoel. Als de gekromde vingers wijzen in de richting van de stroom door de spoel, dan geeft de uitgestoken duim de richting van de veldlijnen binnen de spoel aan. Als de stroom omkeert, keert ook de magnetische werking om. De magnetisch inductie B binnen in de spoel is overal even groot (homogeen magnetisch veld) en hangt af van de stroomsterkte I (in A), en het aantal windingen N per spoellengte l (in m) N⋅I B = µ0 -----l µ0 is een evenredigheidsconstante, de magnetische permeabiliteit en is in lucht of vacuum gelijk aan 1.25664⋅10-6 Tm/A Door een stuk weekijzer in een spoel te plaatsen (spoelkern), wordt het weekijzer magnetisch en wordt het magnetisch veld van de spoel versterkt.

Een relais is een schakelaar die met behulp van een elektromagneet is te openen of sluiten. Bij het sluiten van een stroomkring is er sprake van een maakcontact, bij het openen van een breekcontact. Je kunt zo met een lage spanning een apparaat met hoge spanning op afstand aan en uitzetten. Een reedcontact is een schakelaar in een glazen buisje. De contacten van de schakelaar zijn van magnetiseerbaar en verend materiaal. Als er een magneet in de buurt is, trekken de contacten elkaar aan en is de stroomkring gesloten. Het reedcontact ‘ziet’ dus of er een magneet in de buurt is. Ook een stroomdraad waardoor een stroom loopt veroorzaakt een magnetisch veld: cirkels rondom de stroomdraad. De richting is te bepalen met behulp van de rechterhandregel voor een stroomdraad: als de uitgestoken duim van de rechterhand in de richting van de stroom staat, vormen de gekromde vingers de richting van de magnetische veldlijnen. De magnetische inductie B van een stroomdraad hangt af van de stroomsterkte I en de afstand r tot de draad. Hoe groter I en hoe kleiner r, des te groter is B. Op een stroomdraad in een magnetisch veld van een magneet werkt een magnetische kracht op de stroomdraad: Lorentzkracht FL De richting van de Lorentzkracht hangt af van de stroomrichting en de richting van het magnetisch veld en is te bepalen met de rechterhandregel voor de Lorentzkracht: Als de gestrekte vingers in de richting van het magneetveld wijzen en de gestrekte duim in de richting van de stroom wijst, dan komt de Lorentzkracht loodrecht uit de handpalm. De grootte van de Lorentzkracht als B en I loodrecht op elkaar staan, is gelijk aan: FL = B ⋅ I ⋅ l met B de magnetische inductie (in T), I de stroomsterkte (in A) en l de lengte van de draad (in m) In een luidspreker werkt op een spoel een Lorentzkracht doordat er stroom door de spoel loopt en er een permanente magneet aanwezig is. Door de richting en de grootte van de stroom te variëren (via een versterker) is het mogelijk de Lorentzkracht te variëren en de spoel met conus te laten trillen. Een stroomspoel met 1 winding ondervindt in een magnetisch veld ook een Lorentzkracht. De krachten op beide zijden van de winding zijn tegengesteld en zorgen voor een draaiing, totdat de winding verticaal ten opzichte van de magnetische veldlijnen staan. Voor een stroomspoel geldt: FL = N ⋅ B ⋅ I ⋅ l waarbij N het aantal windingen is. Een gelijkstroommotor (walkman) bestaat uit een rotor (een draaias met een aantal spoelen waar stroom doorheen loopt), een stator (stilstaande permanente magneet) en de commutator (voor de stroomtoevoer naar de spoelen). Door de verschillende spoelen, geisoleerd van elkaar, na elkaar op een spanningsbron via koolborstels aan te sluiten, blijft de rotor met spoelen draaien. De sterkte hangt naast N, B, I en l ook van de breedte van de windingen af, waardoor een groot moment ontstaat. In een wisselstroommotor (seriemotor, huishoudelijke 230 V apparaten) wisselt de stroom 50 keer per seconde van richting. Door het magnetisch veld ook 50 keer per seconde van richting te laten wisselen (door een elektromagneet) blijft de richting van de Lorentzkracht gelijk en draait de motor. In een draaispoelmeter wordt de Lorentzkracht tegengewerkt door een veerkracht, waardoor een momentenevenwicht ontstaat. De draaias van de spoel is verbonden met een wijzer, die sterkte van de stroom aangeeft. Door het radiale magnetische veld is de schaalverdeling van de meter lineair. Het rendement η van een elektromotor is de nuttige energie gedeeld door de omgezette energie Ein Enuttig W F⋅s F⋅s η = ------- = ---- = --------- = --------- met W = arbeid, Ee = elektrische energie en Pe = Ein Ee Pe ⋅ t U⋅I⋅t elektrisch vermogen of Pnuttig Pm F⋅s η = ------- = ---- = --------met Pm = mechanisch vermogen Pin Pe Pe ⋅ t