Magnetische velden

4.1 Met magnetische veld van magneten

Gesteente dat magnetisch is (natuurlijke magneet), blijkt ijzer, nikkel of kobalt te bevatten. Voorwerpen van ijzer, nikkel of kobalt worden in de nabijheid van een magneet zelf een magneet (magnetische influentie). Voorwerpen die voor lange tijd hun magnetische behouden, noemen we permanente magneten. Een reedcontact is een schakelaar die door middel van een magneet kan worden gesloten.

De plaatsen waar de krachtwerking van een magneet het sterkst is, noemen we de polen van de magneet. Elke magneet heeft een noordpool en een zuidpool. Voor de krachtwerking tussen twee magneten geldt: gelijknamige polen stoten elkaar af, ongelijknamige polen trekken elkaar aan. Een naaldmagneet wijst met het ene uiteinde ongeveer naar het noorden, dit uiteinde is de noordpool.

Een magneet heeft een magnetisch veld om zich heen. Om magnetische velden te kunnen beschrijven is een grootheid ingevoerd: magnetische inductie (B), met als eenheid tesla (T). (1 tesla = 1 newton per ampère per meter).

-De richting van de magnetische inductie in een punt P van een magnetisch veld, is de richting waarin de noordpool van een kompasnaaldje wijst dat in P is opgeteld. (Veldlijnen lopen van de noordpool naar de zuidpool.) De magnetische inductie is dan gericht langs de raaklijn in P aan de veldlijn.

-De grootte van de elektrische veldsterkte heeft te maken met de veldlijnendichtheid. Een grotere veldlijnendichtheid gaat samen met een grotere waarde van de magnetische inductie.

4.2 Het magnetische veld van een rechte stroomdraad en van een stroomspoel

Een elektrische stroom vertoont magnetische werking.

De rechterhandregel voor een rechte stroomdraad: Als de gestrekte duim van je rechterhand in de richting van de stroom in de draad wijst, geven je gebogen vingers de richting van de veldlijnen rond de draad aan.

Een stroom die door de draad van je af loopt, geef je aan met een kruisje. Loopt de stroom naar je toe, dan geef je dat aan met een stip.

Veldlijnen hebben geen begin- en eindpunt, het zijn gesloten krommen. Er lopen dus ook binnen in een staafmagneet/stroomspoel veldlijnen. Een stroomspoel heeft ook een noordpool en een zuidpool. De noordpool is het uiteinde waar de veldlijnen de spoel verlaten.

De rechterhandregel voor een stroomspoel: Als de gebogen vingers van je rechterhand de richting van de stroom in de windingen van de spoel aangeven, dan wijst de gestrekte duim in de richting van de veldlijnen binnen in de spoel.

Is er sprake van een lange stroomspoel, dan is het magnetisch veld binnen zo’n spoel homogeen.

Je spreekt van een elektromagneet als er in een stroomspoel een weekijzeren kern zit. Na het inschakelen van de stroom zorgt het magnetische veld van de spoel ervoor dat die kern een magneet wordt. De magnetische werking van de spoel wordt daardoor vele malen versterkt.

Een elektromagneet kom je ook tegen in een relais (door een elektromagneet bediende schakelaar).

4.3 Lorentzkracht op een stroomdraad

De kracht die een magnetisch veld op een stroomdraad kan uitoefenen, wordt een lorentzkracht genoemd. De Lorentzkracht treedt op als aan twee voorwaarden is voldaan:

- door ‘het staafje’ (figuur 4.33) moet een stroom lopen.

- ‘het staafje’ moet zich in een magnetisch veld bevinden (niet het eigen magnetische veld).

De linkerhandregel voor een rechte stroomdraad:

- Vang de magnetische veldlijnen op in de palm van je linkerhand;

- Strek daarbij je vingers in de richting van de stroom;

- Je gestrekte duim geeft de richting van de lorentzkracht aan.

De lorentzkracht staat steeds loodrecht op I en op B; dus staat de lorentzkracht steeds loodrecht op het vlak door I en B.

Lorentzkrachten kun je met behulp van een stroombalans meten.

De grote van de magnetische inductie is vastgelegd door de formule:

Deze formule geldt alleen als I en B loodrecht op elkaar staan (plaat loodrecht op de veldlijnen).

4.4 Lorentzkracht op een stroomspoel

Stuur je een stroom door een spoel die in een homogeen elektrisch veld hangt, dan gaat de spoel draaien en komt even later tot rust. De spoel gaat zich zo opstellen, dat het binnen de spoel gelegen eigen magnetische veld dezelfde richting heeft als het magnetische veld waarin de spoel geplaatst is. De spoel komt hier tot rust, omdat de twee lorentzkrachten dan in elkaars verlengde liggen en elkaars werking opheffen. Deze stand kun je de evenwichtsstand van de spoel noemen.

4.5 Draaispoelmeter en elektromotor

Draaispoelmeter: Tussen de poolschoenen bevindt zich een niet-draaibaar weekijzeren cilindertje. Hieromheen is een draaibaar spoeltje aangebracht, die verbonden is met een asje dat door het cilindertje steekt. Aan het asje zijn een wijzer en twee spiraalveertjes vastgemaakt.

Tussen de poolschoenen en het cilindertje loopt een magnetische veld die ervoor zorgt op beide zijkanten van het spoeltje een lorentzkracht gaat werken als er een stroom door het spoeltje wordt gestuurd. Hierdoor gaat het spoeltje draaien. De lorentzkracht veranderd steeds van richting. Doordat het asje met het spoeltje meedraait, krijgt de wijzer een uitslag. De spiraalveertjes gaan zich spannen. Hierdoor ontstaan veerkrachten die de lorentzkracht tegenwerken. Bij een bepaalde stand van het spoeltje heffen veerkracht en lorentzkracht elkaars werking op. In die stand komen het spoeltje en de wijzer tot rust. Met een draaispoelmeter kun je stroomsterkte en spanning meten.
 

Elektromotor: Tussen de poolschoenen van een permanente magneet bevindt zich een weekijzeren cilinder. Deze cilinder zit aan de motoras vast; om de cilinder is een spoel gewikkeld. Aan de motoras zit een schijf vast, de collector. De twee metalen delen ervan zijn van elkaar geïsoleerd. De twee uiteinden van de spoel zijn elk met een collectorhelft verbonden. Tegen de collector drukken twee koolborstels (een plus en een min).

Bij een elektromotor blijft de spoel draaien. De collector zorgt ervoor dat de stroom in de spoel steeds van richting omkeert (blz. 137). Een elektromotor is een apparaat dat elektrische energie omzet in bewegingsenergie.                                                                                                      Samenvatting blz. 138