Magneten 13.1 INLEIDING LEEREENHEID 13

Transcriptie

1 LEEREEHEID 13 Magneten 13.1 ILEIDIG De oude Grieken haalden uit de landstreek Magnesia in het oosten van Thessalië een gesteente dat een vreemde eigenschap had. Het gesteente werd magnetiet (magneetijzersteen) genoemd en heeft de eigenschap ijzerdeeltjes aan te trekken. Wanneer er uit magnetiet een staaf gemaakt werd en deze staaf aan een touwtje opgehangen werd, bleek de staaf steeds naar één bepaalde stand te draaien. Het magnetiet werd dan ook wel richtende steen genoemd. In latere tijden ontdekte men dat een metalen naald gemagnetiseerd kon worden door deze herhaaldelijk langs een stuk magnetiet te strijken. Aan het eind van de 13e en het begin van de 14e eeuw plaatste men deze gemagnetiseerde naald op een zodanige wijze boven een ronde geijkte schaalverdeling (een windroos) dat de naald vrij kon draaien. Met dit instrument, het kompas, konden de latere ontdekkingsreizen van Columbus, worden uitgevoerd. Alhoewel het kompas bij de Chinezen en in het westen al veel eerder bekend was, werd het instrument toen nog niet voor navigatiedoeleinden gebruikt 87

2 13.2 DEFIITIE Magnetisme is de eigenschap welke bepaalde lichamen bezitten om andere.ijzerhoudende.. metalen aan te trekken zoals vb. ijzer, nikkel, kobalt enz. iet-magnetische stoffen zijn stoffen die.niet. door een magneet worden aangetrokken. Vb. koper, zink, aluminium, hout, kunststoffen enz.. De krachten van aantrekking zijn niet afhankelijk van de gravitatie-, elektrostatische- adhesiekrachten of cohesiekrachten. Wat is een magneet? 13.3 SOORTE MAGETE. Een lichaam dat de eigenschap bezit om andere, ijzerhoudende lichamen aan te trekken, noemen we een.mageet A. atuurlijke magneten: Lichamen die gemaakt zijn uit een bepaald ijzererts Fe3O4 dat van nature uit de.magnetische eigenschap bezit. Het is een mineraal dat gevonden werd in de streek van Magnesia (Azië). B. Kunstmatige magneten: Dit zijn lichamen die de magnetische eigenschap via..kunstmatige weg gekregen hebben. e zijn onder invloed gebracht van een andere.magneet.. of van een.elektrische stroom... In de kunstmatige magneten onderscheiden we twee soorten nl. a) Permanente magneten: Dit zijn lichamen die altijd.magnetisch. blijven.(zijn gemaakt van hard staal) 88

3 b) Elektromagneten:Bestaan uit een..zacht ijzeren. kern met daar rond een..spoel (zijn gemaakt van zacht staal) C. Verschillende vormen van magneten. Magneetnaald: De vorm van een ruit. Staafmagneet: De vorm van een staaf. Hoefmagneet: De vorm van een hoefijzer of U. 89

4 13.4 oord- en zuidpool Proef: Plaats een naaldmagneet vrij draaibaar op. ( zonder Fe en andere magneten) Vaststelling: De naaldmagneet...draait naar het aardrijkskundige.. noorden en zuiden Besluit: Dat uiteinde van de magneet dat naar het geografisch noorden wijst noemen we de magnetische...noordpool... In de geografische noordpool zit een...zuidpool... Dat uiteinde van de magneet dat naar het geografisch zuiden wijst, noemen we de magnetische...zuidpool... In de geografische zuidpool zit een...noordpool... Gelijk- en ongelijknamige polen Wanneer je twee magneten in elkaars nabijheid brengt, stel je vast dat: Gelijknamige polen...stoten elkaar af... Ongelijknamige polen...trekken elkaar aan... 90

5 Breken van een magneet: Wanneer we een staafmagneet op de neutrale lijn doormidden breken dan stellen we vast dat we opnieuw.twee. magneten... bekomen. Dit kun je blijven uitvoeren tot aan het kleinste deeltje dat nog de magnetische eigenschappen bezit nl. de...molecule... Magnetische inductie. Proef: We plaatsen een magneet boven een pvc-plaat en houden aan de onderkant een blok ijzer tegen de pvc-plaat. Magneet Plexiglas of papier Stuk metaal of spijkers Vaststelling: Het blokje ijzer zal......aangetrokken worden... Besluit: Het stuk ijzer wordt onder invloed van de magneet ook...magnetisch... We noemen dit verschijnsel......magnetische inductie... 91

6 13.5 Het magnetisch veld Bepaling: Het magnetisch veld is de ruimte rond de magneet waarbinnen de magneet zijn krachtwerking laat voelen. Voorstelling: Het magnetisch veld wordt voorgesteld door...veldlijnen... of...krachtlijnen... e stellen de.ingebeelde weg voor van de ene naar de andere pool. De krachtlijnen vormen een gesloten baan, namelijk: 13.6 Veldlijnen De krachtlijnen treden uit de.magneet. en verplaatsen zich: buiten de magneet van de.noordpool. naar de..zuidpool. en binnen in de magneet van de.zuidpool naar de.noordpool Dit zijn de ingebeelde krachtlijnen die van de ene pool naar de andere gaan. Men kan deze lijnen aantonen door een blad papier op een staafmagneet te leggen en hierop ijzervijlsel te strooien. Er ontstaat een magnetisch spectrum. 92

7 Kenmerken of eigenschappen van een veldlijn: e vormen een.gesloten. lijn (er is altijd een noord- en zuidpool ) Veldlijnen kiezen de weg van de.kleinste. magnetische weerstand. Gelijknamige veldlijnen.stoten. elkaar af; ongelijknamige veldlijnen.trekken. elkaar aan. Veldlijnen treden altijd.loodrecht.. in- en uit het magnetisch oppervlak. Veldlijnen treden.uit. aan de noordpool en.binnen aan de zuidpool e snijden of kruisen elkaar nooit. voorbeelden: Veldlijnen tussen twee noordpolen Veldlijnen tussen noord en zuidpool 13.7 Veldsterkte Het magnetisch veld is de..ruimte.. rond een magneet waarin de magneet een..magnetische kracht uitoefent ( aantrekken of afstoten ) op een magnetische massa. Men noem de veldsterkte, het aantal krachtlijnen per cm². Het symbool van veldsterkte is H de eenheid Ampère per meter of A/m 13.8 Magnetische flux De magnetische flux is het totaal aantal. krachtlijnen.. dat bij de pool uittreedt en bij de - pool intreedt. Het symbool van magnetische. flux..is Φ de eenheid Weber of Wb 93

8 Magnetiseren Een magneet is verzadigd als alle..magneculen.. gericht zijn. Bij zacht.. ijzer.. is het magnetiseren gemakkelijker dan bij hard staal. Bij hard staal.. zullen de magneculen niet ze gemakkelijk kunnen terugdraaien en het is dus beter geschikt voor het maken van kunstmatige magneten dan zacht ijzer Demagnetiseren Is het verwijderen van het magnetisme uit een magneet Dit kan op de verschillende manieren gebeuren: De magneet.verwarmen. tot boven een bepaalde temperatuur. Door hevige schokken.. of trillingen. Magnetiseren in tegengestelde zin. Door de..ouderdom

9 13.11 Bewaren van een magneet. Om een magneet te bewaren moet men ze kortsluiten.., of wel met een andere magneet.. of met een stuk.ijzer o blijven de. veldlijnen. gesloten Aardmagnetisme. De aarde bezit een magnetisch veld bekend onder de naam de. Van Allengordels. Dit veld vormt een uitstekende bescherming tegen kosmische.stralingen 95

10 Declinatie Vermits de noordpool van een magneetnaald wijst naar het aardrijkskundige noorden blijkt dat de aardrijkskundige noordpool een magnetische.. zuidpool. is en omgekeerd. Deze 2 polen, de aardrijkskundige noordpool en de magnetische zuidpool wijken van bij ons ongeveer.5 westelijk af. Deze afwijkingshoek noemen we de.declinatie hoek. Inclinatie Je stelt een kompasnaald vrij draaibaar op in een verticaal vlak. Je stelt nu in horizontale richting je naald parallel op de meridiaan, waardoor de naald naar de..noordpool.wijst. De naald maakt een bepaalde hoek met het horizontale vlak. Dit is de.inclinatie hoek Voor de Benelux is de inclinatie hoek..67. aan de evenaar 0 en aan de poolgebieden

11 VRAGE: MAGETE 1. Wat zijn magneten? 2. Wat zijn magnetische en niet magnetische stoffen? 3. Geef de soorten magneten naar herkomst en vorm. 4. Hoe noemen we de polen van een magneet? 5. Hoe werken de magneetpolen op elkaar in? Wat gebeurt er als we een magneet breken? 6. Wat vertaan we onder magnetische inductie? 7. Wat verstaan we onder magnetisch veld? 8. Geef de eigenschappen van de magnetische veldlijnen? 9. Wat verstaan we onder veldsterkte? Geef ook het symbool en de eenheid. 10. Wat verstaan we onder magnetische flux? Geef ook het symbool en de eenheid. 11. Wanneer is een magneet verzadigd? 12. Welk soort staal gebruikt men voor het vervaardigen van kunstmatige magneten? En waarom? 13. Wat is demagnetiseren en hoe kunnen we dit doen? 14. Hoe moeten we magneten bewaren? Teken ook 2 voorbeelden. 15. Wat is een aardmagneet? En wat is zijn functie? 16. Wat is declinatie? 17. Wat is inclinatie? 97

12 LEEREEHEID 14 Elektromagnetisme 14.1 Inleiding. In deze leereenheid bestuderen we het verband tussen.stroom. en.magnetisme..hier gaan we zien dat zodra er een.stroom..vloeit door een geleider, er automatische een..magnetisch veld ontstaat. Het is onmogelijk beiden van elkaar te scheiden Magnetisch veld rond een stroomvoerende geleider. eem een lange rechte geleider, plaats hem evenwijdig boven een magneetnaald en laat er een stroom door vloeien. We stellen vast dat de kompasnaald zich gaat verdraaien en wel zodanig dat ze loodrecht. op de.stroomvoerende geleider komt te staan. Laten we de stroom in de omgekeerde zin doorheen de geleider vloeien, dan stellen we vast dat de kompasnaald zich gaat verdraaien in de andere richting en wel zodanig dat ze loodrecht. op de.stroomvoerende geleider komt te staan. Besluit: Rond een stroomvoerende geleider ontstaat er altijd een..magnetisch veld.. 98

13 14.3 Vorm van het elektromagnetisch veld. Je plaatst de rechte geleider door een blad papier en stuurt er een stroom doorheen. Strooi er daarna ijzervijlsel op, dan stellen we vast dat het ijzervijlsel zich schikt als.concentrische cirkels.. Deze concentrische cirkels noemen we het elektromagnetisch..spectrum. Van de stroomvoerende geleider. Deze cirkels geven het verloop weer van de..veldlijnen. of.krachtlijnen.. Besluit: De vorm van het Elektromagnetisch veld rond een stroomvoerende geleider is.cirkelvorming. met de geleider als middelpunt in van het elektromagnetisch veld. De zin van het elektromagnetisch veld is afhankelijk van de stroomzin. 99

14 We kunnen de draaizin van de krachtlijnen bepalen met de..rechter. handregel. Pagina: 100 Omklem de geleider met je rechterhand zodanig dat:de duim in de zin van de.. stroom.. volgt. Je vingertoppen geven de zin van de.. veldlijnen.. aan. Men kan de stroom op twee verschillende manieren voorstellen - met een pijl. De stroom vloeit van de staart naar de punt. - met een duidt de staart van de pijl aan. De stroom vloeit als het ware het blad, bord, geleider binnen. - met een duidt de punt van de pijl aan. De stroom vloeit als het ware het blad, bord, geleider uit. BESLUITE. Een elektrische stroom wekt een.magnetisch veld op. De zin van het magnetische veld hangt af van de.stroomzin.. De sterkte van het veld hangt af van de..stroomsterkte. De krachtlijnen hebben de vorm van..cirkels.. rond de geleider. 100

15 14.5 Het magnetisch veld rond een stroomvoerende winding Een winding is een geleider die tot een cirkelvorm..geplooid is. Vorm van het veld Strooi ijzervijlsel op de plaat dan stellen we het volgende vast: Door de rechte geleider cirkelvormig te plooien heeft men in het midden van de winding een.vermeerdering.. van het ijzervijlsel De veldsterkte is aan de binnenzijde van de winding..sterker.. dan buiten de winding. 101

16 Alle veldlijnen draaien door deze winding in eenzelfde.zin hierdoor ontstaat er in het cirkelvormige binnenvlak een elektro magneet met een..zuid.pool en een.noord.pool. in van het magnetisch veld We kunnen de zin van het magnetisch veld vinden met de..rechterhandregel ofwel door er twee kompasnaaldjes bij te plaatsen en te kijken hoe ze zich opstellen Het magnetisch veld rond een spoel. Een spoel bestaat uit meerdere windingen die..dicht. en..geïsoleerd.. naast elkaar liggen. Een solenoïde is een spoel gewikkeld op een niet ijzerhoudende kern vb. lucht. De vorm van het magnetisch veld. Rond elke winding ontstaat een magnetisch veld In de spoel lopen de veldlijnen allemaal in dezelfde.zin.. In de spoel is er een magneet met aan de uiteinde de polen.. 102

17 De zin van het magnetisch veld De zin van het magnetisch veld in een spoel kan gevonden worden door de rechterhandregel.. Deze regel luidt als volgt: Omvat de spoel met je rechterhand zodanig dat de vingertoppen de stroomzin.. aangeven, dan duidt de.gestrekte duim. de zin van de veldlijnen in de magneet of de.-pool. aan. De grootte van de veldsterkte in een spoel. - Hoe meer windingen, hoe groter de veldsterkte.. - Hoe groter de.stroomsterkte.., hoe groter de veldsterkte. - Hoe langer de.spoel.., hoe kleiner de veldsterkte Spoel met ijzeren kern. Een spoel opvullen met een ijzeren kern geeft een.sterkere. magneet. Omdat de krachtlijnen meer door het ijzer gaan is er een.bundeling. van de krachtlijnen, dus een sterkere. magneet. Dit noemen we een.elektromagneet. 103

18 14.8 Toepassingen van het elektromagnetisme 1.Schellen Schellen werken volgens het elektromagnetisch principe en kunnen ofwel voor...gelijkspanning.. ofwel voor..wisselspanning geschikt zijn ofwel voor beide. Veelal werken ze op lage spanning die bij wisselspanning verkregen wordt door middel van een..transformator.. 2. Gongschellen Een gongschel werkt eveneens volgens het.elektromagnetisch. principe. De constructie is enigszins anders. Hier stoot een beweegbare kern tegen de ingebouwde klankplaten. Als spanningsbron kan een..transformator... of een.batterij. gebruikt worden. 104

19 3. Elektromagnetische meetinstrumenten De twee zachtijzeren staven stoten elkaar af. ( gelijknamige polen ) Hoe groter de...stroom... in de spoel, hoe meer ze elkaar afstoten en hoe meer de wijzer zal aanduiden. 4. Elektromagnetische afsluiter Deze elektromagnetische afsluiter of.magneetventiel. wordt veel gebruikt bij automatisch werkende machines, zoals.oliebranders. en.wasmachines.. 105

20 VRAGE: ELECTROMAGETISME 1. Wat ontstaat er rond een stroomvoerende geleider en hoe is de vorm? 2. Van wat is de zin van het elektromagnetisch veld afhankelijk, en hoe kunnen we dit bepalen? ( geef de regel ) 3. Welke afspraken hebben we gemaakt in verband met de stroomzin in een geleider in doorsnede? 4. Welke 4 besluiten kun je trekken na de proeven op stroomvoerende geleiders? 5. Verklaar duidelijk met een tekening en een beetje uitleg, het ontstaan van een magnetisch veld in een spoel. 6. Met welke 2 regels kunnen we de polariteit bepalen van een spoel? 7. Hoe is de vorm van het magnetisch veld van een spoel? 8. Geef de rechterhandregel voor het bepalen van polen van een spoel?. 9. Van welke factoren is de sterkte van het magnetisch veld afhankelijk bij een spoel? 10. Wat gebeurt er als we een ijzeren kern in een spoel plaatsen? Verklaar. 11. Teken een gewone schel. oem de onderdelen. Voor welke spanning kan je ze gebruiken? 12. Verklaar de werking van een elektromagnetisch meetinstrument? 13. Waar wordt een elektromagnetische afsluiter gebruikt? 106

21 LEEREEHEID 15 Stroomvoerende geleider in magnetisch veld 15.1 Inleiding. oals we weten ontstaat er rond een stroomvoerende geleider een. magnetisch.. veld. Plaatsen we nu deze..stroomvoerende.. geleider in een magnetisch veld, dan zullen deze twee..velden.. op elkaar gaan inwerken. Hoe? 15.2 Proef:Stroomvoerende geleider in een magnetisch veld. We nemen een hoefmagneet en hangen tussen de polen van de hoefmagneet een geleider op. De geleider sluiten we via een regelbare weerstand ( I regelen) aan op een gelijkstroombron. 107

22 Vaststelling: - Vloeit de stroom doorheen de geleider, zoals opgegeven in de tekening, dan zal hij.. omgeduwd. worden. - Onderbreken we de stroom in de geleider, dan zal hij terug naar zijn beginplaats gaan - Vloeit de stroom in de andere zin doorheen de geleider, dan zal hij naar de andere kant geduwd..worden. Besluit: Een stroomvoerende.geleider geplaatst in een...magnetisch veld.ondervindt een kracht die we de...lorentzkracht..noemen Lorentzkracht oals we op de fig. hiernaast zien, zal het veld van de magneet en het veld van de stroomvoerende geleider elkaar gaan beïnvloeden. Er zal rond de geleider langs de ene kant een.meewerkend veld. en langs de andere kant een... tegenwerkend veld.ontstaan. De veldlijnen duwen de geleider naar de kant van het. meewerkend veld Deze kracht wordt de Lorentzkracht genoemd naar de natuurkundige Lorentz die dit verschijnsel als eerste heeft bestudeerd. F 108

23 15.4 in van de Lorentzkracht De zin van de Lorentzkracht wordt bepaald door de stroomzin.. in de geleider en de zin van de krachtlijnen.. De zin van de Lorentzkracht bepalen we met de linkerhandregel..en die luidt als volgt: We plaatsen de linkerhand zo, dat de handpalm naar het noorden gericht is, de gestrekte vingers de stroomzin aanduiden, dan duidt de gestrekte duim de zin aan van de Lorentzkracht De grootte van de Lorentzkracht is afhankelijk van: Stroomsterkte door de geleider. Sterkte van het magnetisch veld. Lengte van de geleider in het magnetisch veld. 109

24 Opmerkingen - Om de zin van de Lorentzkracht om te keren moeten we ofwel - het magnetisch veld omkeren. - de stroomzin in de geleider omkeren.. - Om de Lorentzkracht te vergroten moeten we: - het magnetisch veld versterken.. - de stroomsterkte verhogen... - de lengte van de geleider in het magnetisch veld verlengen 15.6 Oefening: Teken eerst de krachtlijnen van de magneet in het groen. Teken de krachtlijnen ronde de stroomvoerende gelijder in het blauw. Teken de Lorentzkracht in het rood. 110

25 15.7 Praktische toepassingen van de lorentzkracht Elektrische motor Op de tekening zie je een spoel, geplaatst op een ijzeren kern, en aangesloten aan een bron. Hierdoor ontstaat er een elektromagnetisch veld.in dit magnetisch veld bevindt zich een winding die draaibaar rond een as is opgesteld.indien er nu stroom doorheen die winding vloeit, dan zal er een krachtwerking ontstaan die de winding en as doet verdraaien. De zin van de krachtwerking kunnen we vinden met de linkerhandregel. Draaispoelmeter De draaispoelmeter is principieel samengesteld uit een sterke, permanente magneet en een klein, zeer licht spoeltje. Dit spoeltje is draaibaar opgesteld tussen de polen van de permanente magneet. De draaizin van het spoeltje is afhankelijk van de opgewekte Lorentzkracht die op haar beurt het gevolg is van de stroomzin doorheen het spoeltje. De stroomzin door het spoeltje moet bijgevolg in de juiste zin vloeien. De klemmen zijn gemerkt met + en -. Het zijn daarom gepolariseerde meettoestellen. Sommige draaispoelmeters hebben echter een nulstand in het midden van de schaal. Afhankelijk van de stroomzin wijkt de naald uit naar rechts of links. Dit soort draaispoelmeters zijn galvanometers. 111

26 Elektrodynamische luidspreker De elektrodynamische luidspreker is samengesteld uit een sterke permanente magneet en een spoeltje. Op dit spoeltje wordt een conus bevestigd. Het spoeltje bevindt zich binnen het sterke magnetisch veld van de permanente magneet. Indien er een stroom vloeit door het spoeltje, afkomstig van een elektrisch signaal, dan zal dit spoeltje een magnetisch veld opwekken. Beide velden oefenen krachten op elkaar uit. Afhankelijk van het aangesloten signaal kunnen die krachten elkaar aantrekken of afstoten. Deze resulterende kracht zet de conus in beweging (naar voor of naar achter). De 15.8 bewegende llll conus doet de omringende lucht trillen en het zijn deze luchttrillingen die wij in ons oor voelen en waarnemen als geluid. 112

27 VRAGE: Stroomvoerende geleider in magnetisch veld 1. Wat ondervindt een stroomvoerende geleider in een magnetisch veld? 2. Wat stellen we vast na de proef van de stroomvoerende geleider in een magnetisch veld? 3. Welk besluit kan je trekken na de proef van de stroomvoerende geleider in een magnetisch veld? 4. Maak een tekening en verklaar de Lorentzkracht. 5. Wat bepaalt de zin van de Lorentzkracht? 6. Met welke regel kan je de zin van de Lorentzkracht bepalen? En geef de regel. 7. Van wat hangt de grootte van de Lorentzkracht af? 8. Hoe kan je de zin van de Lorentzkracht omdraaien? 9. Hoe kan je de Lorentzkracht vergroten? 10. Los op:teken eerst de krachtlijnen van de magneet in het groen. Teken de krachtlijnen rond de stroomvoerende geleider in het blauw. Teken de Lorentzkracht in het rood. 11. Geef 3 toepassingen van de Lorentzkracht? 113

28 LEEREEHEID 16 Elektromagnetische inductie 16.1 Inleiding. Tot voor 1831 was de enige bron van elektrische spanning de batterij van Volta. Vanaf 1831 kon Faraday via magnetische weg elektriciteit opwekken en alzo een veel krachtigere en ononderbroken elektriciteitsbron creëren dan Volta. Opmerking: galvanometer Een galvanometer is een gevoelige ampèremeter met de nulstand in het midden en met twee aansluitklemmen. De rechterklem (rood) is altijd de + klem en de linkerklem (blauw of zwart) is de klem. Met een galvanometer kan men de polariteiten van de aangesloten bron bepalen. Volgens de constructie van de galvanometer geldt het volgende: - Komt de stroom aan de + klem toe, dan wijkt hij altijd positief.uit. - Komt de stroom aan de - klem toe, dan wijkt hij altijd.negatief....uit. 114

29 16.2 Proef: Een geleider in een magnetisch veld. eem een rechte geleider, sluit hem op een galvanometer aan en beweeg de geleider in het veld van een hoefmagneet (tussen de twee benen) Vaststelling: Bewegen we de geleider loodrecht door de veldlijnen, dan gaat de galvanometer uitslaan. Bewegen we de geleider evenwijdig met de veldlijnen, dan gaat de galvanometer niet uitslaan. Bewegen we de geleider onder een hoek tussen 0 en 90, dan gaat de galvanometer minder uitslaan, maar meer.dan bij de evenwijdige beweging. V V V Besluit: Telkens de geleider magnetische krachtlijnen snijdt.., wordt er in de geleider een emk gegenereerd. 115

30 16.3 in van de inductiespanning De zin van de inductiespanning wordt bepaald door de bewegingszin.. van de geleider en de zin van de krachtlijnen.. De zin van de inductiespanning bepalen we met de rechterhandregel..en die luidt als volgt: We plaatsen de rechterhand zo, dat de handpalm naar het noorden gericht is, de gestrekte duim de bewegingszin van de geleider aangeeft, dan geven de vingertoppen de zin aan van de inductiestroom De grootte van de inductie is afhankelijk van: Snelheid van de geleider. Sterkte van het magnetisch veld. Lengte van de geleider in het magnetisch veld. 116

31 Opmerkingen - Om de zin van de inductiestroom om te keren moeten we ofwel - het magnetisch veld omkeren. - de beweging van de geleider omkeren... - Om de inductiestroom te vergroten moeten we: - het magnetisch veld versterken.. - de bewegingssnelheid verhogen... - de lengte van de geleider in het magnetisch veld verlengen Oefening: Teken eerst de krachtlijnen van de magneet in het groen. Teken de inductiestroom met of x. 117

32 16.6 De wet van Lenz Wat zegt de wet van Lenz: Elke inductiestroom is zo gericht, dat hij de oorzaak van zijn ontstaan tegenwerkt. Veronderstellen we dat de geleider naar boven beweegt met een snelheid v, dan kunnen we met de rechterhandregel aantonen dat de polariteiten van de emk zijn zoals op de tekening aangegeven. Als we nu een verbruiker op de geleider aansluiten, dan zal er een stroom doorheen de geleider vloeien en alzo krijgen we een stroomvoerende geleider in een magnetisch veld. Hierop ontstaat er een Lorentzkracht waarvan we de zin vinden met de linkerhandregel. We zien dus dat de Lorentzkracht de geleider naar beneden wil trekken terwijl hij naar boven beweegt. We stellen dus vast dat de emk in de geleider wel degelijk zijn ontstaansoorzaak (beweging naar boven) tegenwerkt en zodoende blijft ook hier de wet van Lenz van toepassing Gelijktijdig ontstaan van de Lorentzkracht en de gegenereerde emk. Bekijk de volgende twee figuren. Dan zullen we moeten besluiten dat altijd de beide principes (Lorentzkracht en gegenereerde emk). gelijktijdig.. en..gezamenlijk (nooit afzonderlijk) optreden. 118

33 Generatorprincipe Het anker wordt aangedreven door wind, water enz.. Bij een generator heb je bewegende geleiders in een magnetisch veld waarin emk (spanningen) ontstaat die we met de.rechterhandregel. vinden. Wordt de generator belast door een verbruiker er op aan te sluiten, dan zal er door de spoel een stroom vloeien waardoor je nu een stroomvoerend geleider in een magnetisch veld bekomt. Hierop ontstaat Lorentzkracht die we met de..linkerhandregel.. vinden. De ontstane..lorentzkracht.. en de oorspronkelijke beweging zijn tegengesteld aan elkaar, vandaar dat de Lorentzkracht bij de generator altijd een.verlies aan energie.. veroorzaakt die we moeten overwinnen. 119

34 Motorprincipe De spanning wordt aan de motor (anker) aangesloten via koperen ringen en koolborstels. Bij de motor heb je een.stroomvoerende. spoel in een magnetisch veld waarop Lorentzkracht gaat ontstaan en die het anker gaat doen.ronddraaien. (we vinden de bewegingszin met de linkerhandregel). Draait het anker ( motor ) rond, dan zullen de geleiders van de spoel veldlijnen gaan snijden, waardoor er in de spoel van het anker een emk ( spanning ) gaat ontstaan die we met de..rechterhandregel vinden. De ontstane emk ( tegen-emk ) is tegengesteld aan de..bronspanning en moet voortdurend door de aangelegde bronspanning overwonnen worden ( hetgeen verlies van energie is ). 120

35 VRAGE: ELEKTROMAGETISCHE IDUCTIE 1. Wat is een galvanometer? 2. Wat stellen we vast na de proef met een geleider in een magnetisch veld? 3. Wat besluiten we na de proef met een geleider in een magnetisch veld? 4. Maak een tekening en verklaar de inductiespanning. 5. Wat bepaalt de zin van de inductiespanning? 6. Met welke regel kan je de zin van de inductiestroom bepalen? En geef de regel. 7. Van wat hangt de grootte van de inductiestroom af? 8. Hoe kan je de zin van de inductiestroom omdraaien? 9. Los op: Teken eerst de krachtlijnen van de magneet in het groen. Teken de inductiestroom met of x. 10. Wat zegt de wet van Lenz? 11. Verklaar de wet van Lenz? Uitleg en tekening. 12. Verklaar de werking van een generator? 13. Verklaar de werking van een motor? 121

36 LEEREEHEID 17 elfinductie: 17.1 Inleiding. In de vorige leerstof hadden we gezien dat als we een spoel onderwerpen aan een omsloten fluxverandering er in die spoel een emk ( spanning ) ontstaat. We kunnen die omsloten fluxverandering nu creëren door een.mechanische. beweging of door een veranderlijke.. stroom doorheen de spoel te sturen waardoor er een veranderlijk magnetisch veld en dus een emk ( spanning ) ontstaat. aargelang van de herkomst van de omsloten fluxverandering spreek je van inductie van zelfinductie ( spoel veroorzaakt zelf de fluxverandering ) of van wederzijdse inductie ( de fluxverandering wordt opgewekt door een naburige spoel ) elfinductie verschijnsel: Proef: -Sluit twee identieke lampjes(15w-24v) aan op een bron (24V-) zoals op tekening aangegeven. - De ohmse weerstand RS ( 12Ω ) van de spoel moet gelijk zijn aan de regelbare weerstand R. ( 12Ω ) - De spoel is geplaatst op een gesloten ijzeren kern. 122

37 Vaststelling: Bij het gelijktijdig sluiten van de schakelaars S1 en S2 stellen we het volgende vast: - Lamp E2 zal slechts na een bepaalde tijd even fel gaan branden als lamp E1. - Ampèremeter A2 zal slechts na een bepaalde tijd even ver uitwijken als A1 Bij het gelijktijdig openen van schakelaar S1 en S2 stellen we het volgende vast: - Lamp E2 gaat een bepaalde tijd later dan E1 gedoofd zijn. - Aan de schakelaar S2 zien we een vonk ontstaan en het neonlampje parallel op de spoel zal eventjes oplichten. Verklaring: Bij het sluiten van de schakelaars gaat de stroom stijgen van.nul tot max in zowel de weerstandskring als in de spoelkring. Hierdoor ontstaat er in de weerstand een te verwaarlozen.veranderlijk magnetisch veld.., maar in de spoel is dit niet te.verwaarlozen (zie hoofdstuk elektromagnetisme). In de spoel ontstaat er een plotse.stroomtoename.., een plotse fluxtoename waardoor er een emk ( Faraday ) ontstaat die zijn ontstaansoorzaak gaat..tegenwerken.. ( Lenz ). De ontstaansoorzaak is hier de..stroomtoename waardoor deze zal worden afgeremd. De polariteit van de opgewekte emk moet tegengesteld zijn aan de.bronspanning.. wil hij de stroomtoename tegenwerken. Van zodra de stroom.constant.. is ( max. ) zal er geen emk meer worden opgewekt en zullen de beide lampen even..fel.. gaan branden. Bij het openen van de schakelaar gaat de stroom van max..naar nul.. in zowel de weerstandskring als de spoelkring. Hierdoor ontstaat er in de weerstand een te verwaarlozen veranderlijk.magnetisch. veld, maar in de spoel is dit weerom niet te.verwaarlozen In de spoel ontstaat er een plotse stroomafname, een plotse fluxafname waardoor er een emk ( Faraday ) ontstaat die zijn ontstaansoorzaak gaat..tegenwerken..( Lenz ). De ontstaansoorzaak is hier de stroomafname waardoor deze zal worden afgeremd. De polariteit van de opgewekte emk moet meewerkend zijn aan de bronspanning wil hij de stroomafname tegenwerken. Van zodra de stroom nul is zal er geen emk meer worden.opgewekt.. en zullen beide lampen gedoofd blijven. 123

38 Algemeen inductieprincipe: In iedere geleider die zich in een veranderlijk magnetisch veld bevindt of zich beweegt in een magnetisch veld, wordt er een. ( tegen ) emk opgewekt.. elfinductie: Wanneer alles in één en dezelfde spoel gebeurt ( I stroom, Φ fluxverandering en emk, spanning ) spreken we van. elfinductie Opmerking: Bij het onderbreken van de stroom ontstaan er altijd twee nadelige gevolgen namelijk: - Vonkvorming aan de.contacten. waardoor deze gaan inbranden en beschadigen. - Grote emk ( spanning )van zelfinductie ( ΔI/Δt is zeer groot ) waardoor er gevaar is voor.doorslag in de spoel. Bij het uitschakelen van een kring met groot vermogen moeten we er altijd voor zorgen dat deze twee nadelen onder controle gehouden worden door: - Vonkdovende middelen te gebruiken zoals; vonkenkamers of vonkschotten. - De isolatie van de spoel tot een hogere waarde te verzekeren. - Een kortsluitdiode over de spoel te plaatsen ( bij gelijkspanning ) Wederzijdse inductie: Een transformator werkt alleen op.wisselspanning.. Door aan de primaire wikkeling een wisselspanning Up aan te sluiten gaat er een wisselstroom Ip lopen. Deze wisselstroom veroorzaakt een..wisselend magnetisch veld. Fp in de metalen kern. Dit wisselend magnetisch veld veroorzaakt in de secundaire wikkeling een wisselspanning Us. 124

39 Als er aan de secundaire wikkeling van de transformator geen belasting is aangesloten dan zal er door de secundaire wikkeling..geen.. stroom lopen. Ook door de primaire wikkeling zal geen noemenswaardige stroom lopen. Bij de primaire wikkeling veroorzaakt het opgewekte wisselend magnetisch veld een.zelfinductiespanning... Deze zelfinductiespanning werkt de netspanning tegen en is bij een onbelaste transformator gelijk aan de netspanning. Er zal geen stroom lopen. In praktijk loopt er echter toch een klein stroompje dit heet de..nullaststroom. Io. Hoe beter een transformator is hoe kleiner de nullaststroom. Transformator met belasting Als er een belasting aan de secundaire wikkeling wordt aangesloten gaat er door de secundaire spoel een.stroom.. lopen. Deze stroom is een inductiestroom die de oorzaak van verandering van veldsterkte. tegenwerkt. De verandering van veldsterkte in de primaire spoel is nu kleiner en er is minder zelfinductie. De stroom in de.primaire. spoel stijgt daardoor. We stellen dus vast dat een stroomstijging in de.secundaire. spoel een stroomstijging in de.primaire. spoel tot gevolg heeft, alhoewel ze elektrisch volledig gescheiden zijn. 125

40 17.4 : Toepassingen Ontsteking van een TL-lamp Bij het sluiten van de schakelaar S gaat de lamp niet onmiddellijk branden, omdat de netspanning te klein is om een stroom te sturen doorheen het koude gas. Er gaat een stroom vloeien door de ballast, de gloeidraden en het contact ( AB ) van de starter. Als de starter gesloten is, zal er een grote stroom vloeien die de gloeidraden E van de TL-lamp doen opgloeien en het gas wordt voorverwarmd. Vermits de starter gesloten is, zal de stroom het bi-metaal opwarmen, waardoor het contact zich opent. Op het moment dat het bi-metaalcontact terug opent, zal de stroomkring plots onderbroken worden en zal er in de spoel ( ballast ) een spanning van zelfinductie worden opgewekt die groot genoeg is om de lamp te doen ontsteken. De stroom vloeit nu via de gloeidraden en het gas in de lamp. Is deze ontsteking mislukt dan begint alles opnieuw. Eenmaal de lamp ontstoken daalt de weerstand van het gas in de lamp enorm en zal de spoel ( ballast ) dienst doen als voorschakelapparaat. Als de lamp brandt zal de stroom via het gas blijven vloeien. De starter kan niet meer ontsteken omdat de spanning via de starter te laag is. De stroom door het gas doet de TL-lamp oplichten. 126

41 Schrikdraad van een paarden- of koeienwei Bestaat uit een klos met een primaire wikkeling ( weinig windingen, dikke draad ) en een secundaire wikkeling ( veel windingen, dunne draad ). Verder is er een trilcontact en een gelijkspanningsbron voorzien. Als we de schakelaar S sluiten, zal de primaire spoel spanning krijgen en wordt de kern magnetisch waardoor het trilcontact wordt aangetrokken en de kring onderbreekt. Door deze onderbreking zal er in de secundaire spoel een hoge emk van wederzijdse inductie worden opgewekt. Eenmaal het trilcontact geopend, zal de kring terug gesloten zijn en krijgt de spoel weer spanning en zal de kern weer magnetisch worden en de hele cyclus herhaalt zich. Dit principe is ook van toepassing bij de ontsteking van benzinemotoren, maar daar wordt het trilcontact geschakeld door de nokkenas. 127

42 17.5 Wervelstromen Proef: Je stelt een plaatje beweegbaar op tussen de polen van een elektromagneet en laat het heen en weer schommelen. Het plaatje bestaat eerst uit pvc, daarna uit aluminium en tot slot uit een ingezaagd aluminium plaatje. Vaststelling: - Als we het pvc plaatje laten slingeren, dan zal dit gewoon..tot stilstand komen. - Als we een aluminium plaatje laten slingeren, dan zal dit veel. sneller tot stilstand komen., het wordt als het ware afgeremd.. - Als we het aluminium plaatje inzagen, dan zal het weer mindersnel tot stilstand komen wordt het minder afgeremd. en Verklaring: - Een geleidend materiaal dat veldlijnen snijdt ( beweegt ), wordt afgeremd. - Als een geleidend materiaal veldlijnen snijdt, dan wordt er een. emk. ( Faraday ) in geïnduceerd. Het plaatje bestaat uit een hele reeks gesloten kringen, zodat er dan een aantal..inductiestromen ( wervelstroom ) gaan vloeien die de plaat enerzijds gaat..opwarmen.( joule-effect ) en anderzijds zijn beweging gaat..afremmen.. ( stroomvoerende geleider in een magnetisch veld geeft een Lorentzkracht die altijd tegengesteld is aan de bewegingszin ). - Is het materiaal niet-geleidend, dan zullen er geen..emk s. en dus ook geen..wervelstromen.. opgewekt worden. - Gaan we het geleidend plaatje uitvoeren als een kam, dan worden de wervelstromen telkens. onderbroken.. (inductiestromen staan altijd loodrecht op de veldlijnen) waardoor ze meer weerstand ondervinden en minder groot zullen zijn. 128

43 Bepaling Wervelstromen zijn inductiestromen die in elk geleidend materiaal ontstaan dat onderworpen is aan een omsloten fluxverandering of beweegt in een magnetisch veld. Wervelstromen worden ook nog Foucaultstromen genoemd naar de Franse fysicus Foucault. Gevolgen van de wervelstromen: Wervelstromen hebben een dubbel gevolg namelijk: - Afremming van de beweging - voordeel: schijf van de kwh-meter - nadeel: as (rotor) van een boormachine, as van een motor - Opwarming van het materiaal - voordeel: inductieoven, inductiekookplaat - nadeel: ijzeren kern van de transformator, spoelen, motor enz Beperking van de wervelstromen De invloeden van de wervelstromen kan je bestrijden door: - De geleidende kern.lamelleren. dit wil zeggen de ijzeren kern bestaat uit allemaal van elkaar geïsoleerde plaatjes, die met de zin van de veldlijnen mee geplaatst worden tot een geheel. Het isolatiemateriaal tussen de plaatjes kan zijn: vernis, papier of een oxidatielaagje - De ijzeren kern bestaat uit een materiaal met een grotere soortelijke weerstand vb. siliciumstaal. ook wel dynamoblik genoemd. Hoe groter de soortelijke weerstand van het materiaal, hoe moeilijker de..wervelstromen.. kunnen vloeien. 129

44 Opmerking - De ijzeren kernen bij spoelen op gelijkspanning moeten niet gelamelleerd zijn omdat er bij gelijkspanning geen wervelstromen ontstaan. - Meestal zijn de ijzeren kernen bij gelijkstroomspoelen wel gelamelleerd omdat dit constructief veel eenvoudiger is. - Voor lage frequenties gebruiken we gelamelleerd siliciumstaal, voor hoge frequenties gebruiken we keramisch of ferriet materiaal. 130

45 VRAGE: ELEKTROMAGETISCHE IDUCTIE 1. Hoe kan je een fluxverandering creëren? 2. Teken de proef van de elektromagnetische inductie. 3. Geef het algemeen inductieprincipe. 4. Wanneer spreken we van zelfinductie? 5. Welke twee nadelige gevolgen ontstaan er bij het onderbreken van de stroom? 6. Waar moeten we op letten bij het afschakelen van een kring met groot vermogen? 7. Welk toestel werkt op wederzijdse inductie? Teken en benoem de onderdelen. 8. Teken een LT lamp en verklaar de werking. 9. Teken en verklaar de werking van de ontsteking van benzinemotoren. 10. Wat stellen we vast na de proef van de wervelstromen? 11. Wat zijn wervelstromen? 12. Welke zijn de gevolgen van wervelstromen? Geef voor- en nadelen ervan. 13. Hoe kan je wervelstromen beperken bij een transformator? 131

46 LEEREEHEID 18 Wisselstroomtheorie 18.1 Inleiding. In de vorige leerstof hadden we gezien dat een emk ( spanning ) ontstaat wanneer we een draad in een magnetisch veld bewegen. De grote van de emk ( spanning ) is afhankelijk van de snelheid van de.mechanische beweging, de.lengte.. van de geleider in het magnetisch veld en de sterkte van het.magnetisch veld 18.2 Wat is een éénfasige wisselstroom Draai een magneet met een constante snelheid rond, in of langs een spoel. Op die manier ontstaat er binnen in de spoel een magnetisch veld dat telkens van.sterkte. en van..richting. wisselt. Ten gevolge van dit..wisselend magnetisch veld. wordt er een geïnduceerde spanning opgewekt die eveneens van..grootte en van richting verandert. o een spanning heet wisselspanning. 132

47 De krachtlijnen van de ronddraaiende magneet worden gesneden door de in de groeven geplaatste draden. Door de ronddraaiende magneet in je verbeelding op verschillende plaatsen te stoppen, kan je de rechterhandregel op elk van die punten toepassen. Dit doe je omdat je deze regel alleen maar kan toepassen voor geleiders die zich in een magnetisch veld bewegen. evenstaande figuur maakt het je duidelijk. Je bepaalt voor een aantal standen van de rotor ( het draaiende gedeelte van de machine ) de richting van de geïnduceerde spanning. In dit geval draait de rotor naar links. De opgewekte spanning breng je grafisch in beeld. Op de horizontale lijn stel je de tijd voor, terwijl je op de verticale lijn de opgewekte spanning voorstelt. 133

48 18.3 Vorm van de opgewekte spanning. Boven de horizontale lijn of nullijn. is de spanning..positief.. en onder de nullijn is de spanning negatief De waarde van de opgewekte spanning verandert zoals de sinus van de doorlopen hoek. Een wisselspanning kunnen we dus voorstellen door een sinusoïde. 134

49 Men onderscheidt de volgende waarden: 1. Een periode: Dit is de tijd om een volledige golving te doorlopen. Symbool = T 2. Een cyclus: Dit is het geheel der waarden die voorkomen in één periode of gedurende 360 elektrische graden. 3. De frequentie: Dit is het aantal perioden per seconde. Symbool =..f.. Eenheid =..Hertz bv. f = 50Hz ( Europa ) f = 60 Hz ( Amerika ) 1 MHz 1000 khz = Hz 4. De amplitude : Dit is de maximum waarde die voorkomt in één cyclus. Wordt twee maal bereikt in één periode. 5. De momentele waarde: Is de waarde op een willekeurig ogenblik. 6. De effectieve waarde: Dit is de nuttige waarde. Het is die waarde van de wisselstroom die overeenkomt met een gelijkstroom, die in dezelfde weerstand in dezelfde tijd, dezelfde warmte ontwikkelt. - Meetinstrumenten geven steeds de effectieve waarde. - Isolatie en veiligheden moeten voorzien zijn voor deze amplitude. 135

50 18.4 De factoren die de frequentie bepalen Wanneer we een winding laten draaien tussen twee polen, wekt men bij één omwenteling.één.volledige cyclus op. ( 360 el. ) Laten we de winding draaien tussen vier polen dan wekt men bij één omwenteling.. twee. volledige cyclussen op ( 720 el ) 136

51 Besluit: De frequentie is dus evenredig met : -..het aantal poolparen. -..het toerental f = p. n f = frequentie 60 p = aantal poolparen n = aantal tr/min Oefening: Bereken de frequentie van een 4-polige generator die 1500 tr / min draait. Gegeven : Oplossing: Gevraagd: 137

52 VRAGE: ELEKTOMAGETISCHE IDUCTIE 1. Van wat is grootte van de emk afhankelijk? 2. Wat is een éénfasige wisselstroom? 3. Teken de vorm van een éénfasige wisselspanning? 4. Wat versta je onder een periode, een cyclus? 5. Wat versta je onder de amplitude? 6. Is de frequentie overal hetzelfde? Hoeveel? 7. Wat versta je onder de momentele waarde en de effectieve waarde? 8. Welke waarde meten meetinstrumenten? 9. Welke factoren bepalen de frequentie? 10. Geef de formule voor het berekenen van frequentie? 11. Bereken een generator? 138