VWO Module EM1 Elektromagnetisme Bouw een eigen luidspreker of elektromotor. Naam: VWO Module EM P a g i n a 1 30
Titel: Auteur: Eigenfrequentie, VWO module EM1: Elektromagnetisme Simon de Groot Datum: 14 december 2017 Deze module is onderdeel van eigenfrequentie, een serie lesmodules voor bovenbouw HAVO en VWO. Deze module is mede mogelijk gemaakt door LerarenOntwikkelFonds en de Onderwijscoöperatie. Voor het didactisch concept, andere versies van deze module en andere modules uit dezelfde serie: www.eigenfrequentie.nl V W O M o d u l e E M P a g i n a 2 30
Hoe werkt eigenfrequentie? Deze module vervangt een deel van je gebruikelijke lesmethode. Een module bestaat uit een deel waarin je zelfstandig opdrachten verwerkt om theorie te leren. Ook bevat iedere module een deel waarbij je een product oplevert. Dat kan bijvoorbeeld een poster of een presentatie zijn. Je hoort van je docent hoe je met deze module om moet gaan. Je werkt bijvoorbeeld in twee-, drie-, of viertallen. Ook bepaalt je docent of deze werkbladen moeten worden ingeleverd. Naast deze werkbladen kunnen er nog aantekeningen worden gegeven of kan het zijn dat je opdrachten uit je lesboek maakt. Ook dat hoor je van je docent. Dit symbool wil zeggen dat je even moet overleggen met je docent. Dit symbool wil zeggen dat je je telefoon, tablet of chromebook mag gebruiken. Regelmatig worden tekstlinks getoond. Deze links zijn ook te vinden op www.eigenfrequentie.nl Heb je deze module gebruikt als docent of als leerling? Dan horen we graag wat je er van vindt via http://bit.ly/efevaluatie 1. Noteer hieronder de afspraken die met je docent gemaakt zijn. V W O M o d u l e E M P a g i n a 3 30
Eindopdracht Een elektromotor, een luidspreker en een analoge ampèremeter lijken heel verschillende apparaten, maar ze hebben een belangrijke overeenkomst. 2. Welke overeenkomst zie je tussen deze drie apparaten? Van deze drie apparaten kies je er een uit die je zelf gaat maken. Bij de gebouwde opstelling hoort ook een informatieblad waarop staat hoe je apparaat werkt. Overleg met je groepje welke van de 3 apparaten je zou willen gaan maken. De keuze is nog niet definitief. Dat doe je later in overleg met je docent. 3. Welk apparaat willen jullie maken? V W O M o d u l e E M P a g i n a 4 30
VWO Module EM1 Introductie Apparaten die elektrische energie omzetten naar beweging kom je letterlijk overal tegen. 4. Bekijk onderstaande afbeeldingen (en eventueel de filmpjes) bit.ly/efrobot bit.ly/efmixer bit.ly/efsolarcar VWO Module EM P a g i n a 5 30
Magnetisme door permanente magneten Een elektromotor bestaat uit gewikkelde koperdraden en permanente magneten. Hoe kan uit deze twee componenten beweging ontstaan? Om dat te begrijpen moet je eerst nauwkeuriger kijken naar magneten. 5. Vraag aan je docent een permanente magneet en een kompasnaaldje. In Figuur 1 is een staafmagneet getekend met een aantal zogenaamde veldlijnen. Figuur 1 De noord- en zuidpool van de staafmagneet zijn met de Engelstalige afkorting aangegeven. 6. Leg uit waarom dat handiger is dan de Nederlandstalige afkorting. Veldlijnen zijn niet zichtbaar, maar ze helpen om te begrijpen wat de magneet doet. Er is ooit een afspraak gemaakt over de richting van deze veldlijnen. Zo n afspraak wordt een conventie genoemd. 7. Leg uit wat de conventie over de richting van magnetische veldlijnen blijkbaar is. De veldlijnen binnen de magneet zijn nog niet getekend. 8. Teken (met potlood) de veldlijnen binnen de magneet. Teken ook de richting. V W O M o d u l e E M P a g i n a 6 30
Als je een magneet doorzaagt ontstaan er twee magneten met weer ieder een noordkant en zuidkant. Figuur 2 Bekijk je antwoord van vraag 8 nog een keer. 9. Is je antwoord nog steeds logisch, of moet je je antwoord aanpassen? 10. Overleg met je docent over het antwoord. Dichtbij een magneet is de magnetische kracht groter. 11. Leg uit hoe je dat kunt zien aan de veldlijnen. 12. Controleer of dat bij jullie magneet ook zo is. Leg uit hoe je dat doet. De noordpool van een magneet wordt aangetrokken door de zuidpool van een tweede magneet. Ook de metalen nikkel, ijzer en kobalt worden aangetrokken. Deze materialen V W O M o d u l e E M P a g i n a 7 30
kunnen namelijk gemagnetiseerd worden door een (permanente) magneet. Het ijzer (of nikkel of kobalt) heeft dan dus zelf een noordpool en zuidpool gekregen. Men spreekt bij een magneet niet over veldsterkte, maar over de magnetische fluxdichtheid of magnetische inductie. Deze wordt aangegeven met de letter en heeft als eenheid Tesla. Magnetische inductie is een vectorgrootheid. De richting heeft dus betekenis. In Figuur 3 zijn de magnetische veldlijnen van de staafmagneet nogmaals weergegeven. Ook zijn twee kompasnaaldjes en een punt P en punt Q getekend. Figuur 3 13. Geef in de tekening op punt P en punt Q de grootte van de magnetische inductie weer met een vector. 14. Kun je aan de door jouw getekende vector zien waar de magnetische inductie het grootst is? (in Q of P) 15. Geef de noordkant van de kompasnaaldjes aan met de letter N. Een kompasnaaldje is ook een magneet. 16. Leg uit of je regel voor de richting van de veldlijnen binnen de magneet ook geldt voor de kompasnaaldjes. Zet het kompasnaaldje nu een eindje van je permanente magneet af. V W O M o d u l e E M P a g i n a 8 30
17. Onderzoek welke stand je kompasnaaldje aanneemt en teken een (grote) kompasnaald op de afbeelding van de aarde hieronder. 18. Geef in de afbeelding de magnetische noordpool van de aarde aan met de letter N en teken een aantal veldlijnen van het aardmagnetisch veld. V W O M o d u l e E M P a g i n a 9 30
Magnetisme door een rechte stroomdraad In de klas staat een rechte stroomdraad opgesteld met een aantal kompasnaaldjes. 19. Vraag je docent om hulp bij deze proef. Schakel (kort) de stroom in en kijk wat er met de kompasnaaldjes gebeurt. De situatie staat hieronder getekend. De vectoren stellen hier de vector van de magnetische inductie voor. Figuur 4 20. Teken in Figuur 4 de richting van de stroom (de + en geven de aansluitingen van de spanningsbron weer) 21. Teken in Figuur 4 minimaal 1 magnetische veldlijn. De magnetische veldlijn die je in Figuur 4 hebt getekend heeft geen begin en geen einde omdat er geen noord en/of zuidpool aanwezig is. 22. Leg uit dat de richting van de magnetische inductie overeenkomt met de stand van de kompasnaaldjes. 23. Stel zelf een regel op waarmee de richting van de magnetische inductie kan worden voorspeld op basis van de richting van de stroom. V W O M o d u l e E M P a g i n a 10 30
Fenne heeft de regel als volgt opgesteld: Maak met je rechterhand een opgestoken duim: je duim wijst dan in de richting van de stroom. Je vingers in de richting van de veldlijnen. 24. Klopt de regel van Fenne met jullie eigen regel? 25. Geef met de letters en de richting van de magnetische inductie en de stroomsterkte aan. In Figuur 5 zijn 2 rechte draden getekend. De stroomrichting is weer aangegeven met een + en - teken. Figuur 5 26. Teken één magnetische veldlijn ten gevolge van de linkerdraad. Teken ook één magnetische veldlijn ten gevolge van de rechterdraad. In Figuur 5 zijn drie stippen aangegeven. 27. Teken in de 7 stippen de vector die op deze plek de magnetische inductie aangeeft. De schaal bepaal je zelf. V W O M o d u l e E M P a g i n a 11 30
In Figuur 6 zijn 10 rechte draden getekend. Ook is weer een aantal stippen getekend. Figuur 6 28. Teken ook hier op de stippen de vector die de richting van de magnetische inductie weergeeft. Magnetisme door spoelen Een opgerolde geleidende draad wordt een spoel genoemd. In de klas staat zo n spoel opgesteld met daaromheen enkele kompasnaaldjes. Vraag om hulp bij deze proef. Schakel (kort) de stroom in en kijk wat er met de kompasnaaldjes gebeurt. De situatie staat hieronder getekend. Figuur 7 29. Teken in Figuur 7 de richting van de stroom (de + en geven de aansluitingen van de spanningsbron weer) 30. Teken in Figuur 7 enkele van deze kompasnaaldjes en hun richting. V W O M o d u l e E M P a g i n a 12 30
31. Leg uit dat de richting van de magnetische inductie overeenkomt met de stand van de kompasnaaldjes. Een doorsnede van dezelfde situatie staat weergegeven in Figuur 8. Figuur 8 32. Geef in de tekening de noord- en zuidpool van de spoel aan. Je ziet dat de windingen van de spoel nu zijn weergegeven met kruisjes en met puntjes. 33. Wat is blijkbaar de betekenis van de kruisjes en puntjes? Met een ezelsbruggetje is gemakkelijk te onthouden wat een puntje en wat een kruisje betekent. Bij dit ezelsbruggetje moet je denken aan een dartpijltje. 34. Leg dat uit. 35. Leg uit dat Figuur 7 en Figuur 8 met elkaar in overeenstemming zijn. V W O M o d u l e E M P a g i n a 13 30
We kunnen de spoel van Figuur 7 ook van de zijkant bekijken. Als we de spoel van Figuur 7 vanaf de rechterkant bekijken ziet de spoel er uit als in Figuur 9. Figuur 9 36. Teken in Figuur 9 de richting van de stroom in de draden. 37. Teken in Figuur 9 ook de richting van de magnetische inductie. Gebruik een kruisje of puntje om de richting in- of uit het papier aan te geven. In Figuur 10 en Figuur 11 zijn 2 spoelen getekend. Hierin is de richting van de elektrische stroom en de richting van de magnetische inductie aangegeven. Figuur 10 V W O M o d u l e E M P a g i n a 14 30
Figuur 11 38. Stel zelf een regel op waarmee de richting van de magnetische inductie kan worden voorspeld op basis van de richting van de stroom. Tip: gebruik weer de duim van je rechterhand. In Figuur 12 en Figuur 13 staan weer twee spoelen getekend. 39. Ga na of je regel voor de richting van de magnetische inductie voor deze twee spoelen ook nog steeds geldig is. Figuur 12 V W O M o d u l e E M P a g i n a 15 30
Figuur 13 40. Pas eventueel je regel aan. Fenne heeft de regel als volgt opgesteld: Maak met je rechterhand een opgestoken duim: als je vingers in de richting van de stroom wijzen dan wijst je duim in de richting van de magnetische veldlijnen. 41. Klopt de regel van Fenne met jullie eigen regel? 42. Geef met de letters en de richting van de magnetische inductie en de stroomsterkte aan. 43. Overleg met je docent of je nu oefenopdrachten gaat maken. V W O M o d u l e E M P a g i n a 16 30
Krachtwerking door elektromagnetisme In de klas staat een opstelling waarbij een geleidende koperdraad in een magneetveld ligt. De koperdraad is verbonden met een spanningsbron zodat er stroom door de draad gaat lopen. Een tekening van deze opstelling is in Figuur 14 weergegeven. Figuur 14 Vraag je docent om een demonstratie van de opstelling. Zorg ervoor dat de opstelling in de klas gelijk is aan de opstelling op de tekening. Let daarbij op de richting van de stroom en op de plaats van de noord- en zuidpool van de magneet. 44. Geef met een vector de richting van de magnetische inductie aan in Figuur 14. 45. Geef met een pijl de richting van de stroomsterkte aan in Figuur 14. 46. Geef met een vector de kracht aan die werkte op de koperdraad in Figuur 14. 47. Kun je een regel opstellen voor de richting van deze kracht? Tip: gebruik weer je linker- of rechterhand. De kracht waarvoor je hierboven de richting hebt bepaald wordt de Lorentzkracht genoemd. 48. Zoek op naar wie deze kracht is vernoemd en uit welk land deze Lorentz komt. V W O M o d u l e E M P a g i n a 17 30
In Figuur 15 en 16 staan nog twee situaties waarin deze Lorentzkracht een rol speelt. De richting van de vectoren is soms weer aangegeven met een kruisje of een puntje. Je weet intussen de betekenis daarvan. De symbolen bij de vectoren geven aan of het om stroomsterkte (), magnetische inductie () of Lorentzkracht ( ) gaat. 49. Teken zelf nog de vector voor de magnetische inductie. Figuur 15 Figuur 16 50. Ga na of de regel voor lorentzkracht nog steeds klopt. Zo niet, pas de regel dan aan. V W O M o d u l e E M P a g i n a 18 30
Fenne heeft ook voor de Lorentzkracht een regel opgesteld: Houd je linkerhand alsof je de magnetische veldlijnen tegenhoudt. Als je vingers dan wijzen in de richting van de stroom, dan wijst je duim in de richting van de Lorentzkracht. 51. Geef met de letters, en de richting van de magnetische inductie, de stroomsterkte en de lorentzkracht aan. Grootte van de Lorentzkracht De lorentzkracht wordt veroorzaakt door elektrische stroom en magnetische inductie. Het ligt dus voor de hand dat de lorentzkracht rechtevenredig is met stroomsterkte en ook rechtevenredig is met de magnetische inductie. In formulevorm kun je dan schrijven dat: En dus ook: ~ ~ ~ Via een eenhedenanalyse is af te leiden welke grootheid verder nog in de formule staat. Om het ~ teken te mogen vervangen met een teken moeten de eenheden links en rechts gelijk zijn. 52. Laat met behulp van BINAS tabel 4 zien dat de eenheid aan de linkerkant van het ~ teken gelijk is aan. 53. Laat met behulp van BINAS tabel 4 zien dat de eenheid aan de rechterkant van het ~ teken gelijk is aan. V W O M o d u l e E M P a g i n a 19 30
54. Welke grootheid moet dus kennelijk aan de rechterkant nog worden toegevoegd? 55. Stel nu de hele formule voor lorentzkracht op 56. Zoek op internet of in BINAS of je formule klopt 57. Overleg met je docent of je nu een opdracht uit het boek moet maken. V W O M o d u l e E M P a g i n a 20 30
Lorentzkracht omzetten in draaiing In een elektromotor wordt de Lorentzkracht gebruikt om een spoel te laten draaien. 58. Vraag je docent om een elektromotor die je uit elkaar mag halen. 59. Probeer op basis van deze elektromotor iets zeggen over de werking. Gebruik eventueel een tekening. Bekijk onderstaande afbeelding. Dit is een vereenvoudigde voorstelling van een deel van een elektromotor. Figuur 17 60. Leg uit dat er geen Lorentzkracht werkt op de horizontale draaddelen. V W O M o d u l e E M P a g i n a 21 30
61. Teken de richting van de stroom, de richting van de magnetische inductie en de richting van de Lorentzkracht in Figuur 17. 62. Leg uit dat deze constructie zorgt voor een draaiing van het draadraam. We bekijken afbeelding Figuur 17 nu van bovenaf. Figuur 18 63. Teken opnieuw de vector van de magnetische inductie en teken de vector van de Lorentzkracht op de verticale draaddelen. In Figuur 19 is het bovenaanzicht nog een keer getekend. Nu is het draadraam al een stuk gedraaid. V W O M o d u l e E M P a g i n a 22 30
Figuur 19 64. Teken opnieuw magnetische inductie en lorentzkracht op de verticale draaddelen. 65. Leg uit hoe groot de draaihoek op deze manier maximaal kan worden. Geef dat aan in de figuur. Door de snelheid (traagheid) zal het draadraam nog iets verder doorschieten. 66. Leg uit dat het tijdig omkeren van de stroomrichting kan zorgen voor een continue draaiing. V W O M o d u l e E M P a g i n a 23 30
Met een simulatie kan duidelijk gemaakt worden hoe de stroomrichting bij een elektromotor wordt omgedraaid. Open de applet op bit.ly/efgelijkstroommotor 67. Bekijk de applet en beschrijf hoe ervoor gezorgd wordt dat de stroomrichting tijdig wordt omgedraaid. In de klas staat ook een opstelling van een opengewerkte elektromotor. 68. Vraag je docent om een demonstratie van deze elektromotor. 69. Is je idee over de werking van de elektromotor nu veranderd? V W O M o d u l e E M P a g i n a 24 30
Eindopdracht Je gaat een werkende elektromotor, luidspreker of analoge ampèremeter maken. 70. Overleg met je docent wat je gaat maken. Je product moet aan een aantal eisen voldoen. Materialen De belangrijkste twee materialen worden - neodymium magneten - koperdraad Verder gebruik je huis-tuin-en-keuken materialen zoals - plastic bekertjes - kurk - papier en karton - plastic roerstaafjes - saté-prikkers - paperclips - plakband etc. Informatieblad Je maakt op A4 een informatieblad bij je ontwerp. Hierop staat de werking van het apparaat. In ieder geval staat op dit blad een tekening waarin de richting van stroom, magnetische inductie en lorentzkracht is weergeven. Extra eisen 71. Overleg met je docent of er voor jullie nog extra eisen worden gesteld. De volgende pagina s kunnen helpen om het ontwerp te maken. V W O M o d u l e E M P a g i n a 25 30
72. Gebruik de ruimte hieronder voor een schets van je ontwerp. V W O M o d u l e E M P a g i n a 26 30
73. Gebruik de ruimte hieronder voor materialen en eventueel berekeningen. V W O M o d u l e E M P a g i n a 27 30
Aantekeningen V W O M o d u l e E M P a g i n a 28 30
V W O M o d u l e E M P a g i n a 29 30
Voor de docent (Maar een leerling mag dit ook lezen) Leerdoelen - Magnetische inductie - - Rechterhandregel voor rechte stroomdraad - Rechterhandregel voor spoel - Linkerhandregel voor lorentzkracht - Berekenen van lorentzkracht - Werking van een elektromotor Voorkennis - Materialen - Elektromotor model - Elektromotor om uit elkaar te halen - Staafmagneet + kompasnaaldje - Demo opstelling rechte stroomdraad - Demo opstelling spoel - Opstelling Lorentzkracht Suggesties voor verbetering - Toevoegen magnetische influentie - Meer variatie aanbrengen? V W O M o d u l e E M P a g i n a 30 30