Les over 10.3 Elektromagnetisme

Leerdoelen

•Je kunt een magnetisch veld met magnetische veldlijnen beschrijven en de veldlijnen van het aardmagnetisch veld en van het magnetisch veld van een staafmagneet schetsen.

•Je kunt de veldlijnen van het magnetisch veld rond een stroomdraad en een stroomspoel schetsen en de rechterhandregel op de richtingen van de magnetische veldlijnen en de elektrische stroom toepassen.

•Je kunt de werking van een elektromagneet beschrijven.

Het magnetisch veld en veldlijnen

Wanneer een magneet of een bewegende elektrische lading een kracht ondervindt in een bepaalde ruimte, is in die ruimte een magnetisch veld aanwezig. Een magneet is gemaakt van een magnetiseerbaar materiaal, zoals ijzer, en heeft altijd twee polen: een noordpool en een zuidpool. Een kompas bevat een naald vormgegeven als een kleine magneet waarvan de noordpool rood gekleurd is. De naald van een kompas richt zich altijd volgens de veldlijnen van het aanwezige magnetisch veld. Met behulp van meerdere kompassen kun je een magnetisch veld schematisch weergeven in de vorm van magnetische veldlijnen.

Veldlijnen van een magnetisch veld hebben de volgende eigenschappen:

•Gesloten krommen: buiten de magneet lopen de veldlijnen van de noordpool naar de zuidpool; binnen in de magneet lopen ze van de zuidpool naar de noordpool.

•Richting: de richting van het magnetisch veld in een punt wordt gegeven door de raaklijn aan de veldlijn in dat punt. Dit komt overeen met de richting die de noordpool van een kompasnaald aanwijst.

•Geen doorsnijding: veldlijnen snijden elkaar nooit.

•Veldsterkte: hoe sterker het magnetisch veld is, hoe dichter de veldlijnen bij elkaar liggen.

•Uittreedhoek: veldlijnen komen niet altijd loodrecht uit het oppervlak van een magneet.

Wanneer twee gelijke polen bij elkaar gehouden worden (noord-noord of zuid-zuid), stoten deze elkaar af omdat de richtingen van hun veldlijnen tegengesteld zijn. Twee tegengestelde polen (noord en zuid) trekken elkaar juist aan doordat er tussen de polen resulterende veldlijnen ontstaan.

Homogene en inhomogene velden

In een homogeen magnetisch veld zijn de sterkte en de richting van het magnetisch veld in elk punt exact gelijk. In een tekening worden deze veldlijnen evenwijdig aan elkaar en op gelijke afstanden weergegeven. Een voorbeeld hiervan is het veld tussen de polen van een hoefijzermagneet.

Wanneer de veldlijnen niet overal dezelfde richting hebben en niet op gelijke afstand van elkaar liggen, spreekt men van een inhomogeen magnetisch veld. Dit is bijvoorbeeld het geval bij een staafmagneet.

Magnetische inductie

De sterkte en de richting van een magnetisch veld worden uitgedrukt door de magnetische inductie. Dit is een vectorgrootheid met het symbool (of kortweg ). De eenheid van magnetische inductie is tesla (). De richting van de magnetische inductie in een specifiek punt is gelijk aan de raaklijn aan de magnetische veldlijn in dat punt.

Elektromagnetisme en de rechterhandregel bij een stroomdraad

Permanente magneten behouden continu hun magnetisme. Aan het begin van de 19e eeuw ontdekte Hans Christian Ørsted dat bewegende elektrische ladingen eveneens een magnetisch veld opwekken. Een draad waar een elektrische stroom doorheen loopt (een stroomdraad), laat een kompasnaald afwijken. Het verschijnsel waarbij elektrische stroom een magnetisch veld veroorzaakt, heet elektromagnetisme. De veldlijnen rond een rechte stroomdraad vormen concentrische cirkels rondom de draad. Hoe groter de afstand tot de draad, hoe zwakker het magnetisch veld wordt. Als de richting van de elektrische stroom omkeert, keert ook de richting van de veldlijnen om. Om de richting van de veldlijnen te bepalen bij een bekende stroomrichting, gebruik je de rechterhandregel voor een stroomdraad:

1.Wijs met de duim van je rechterhand in de richting van de elektrische stroom .

2.Je gekromde vingers geven de richting van de magnetische veldlijnen rondom de stroomdraad aan.

Notatieregels voor richtingen

Wanneer een stroomrichting of veldlijn loodrecht op de pagina staat, worden internationaal afgesproken symbolen gebruikt:

•Loodrecht de pagina in: dit geef je aan met een kruisje.

•Loodrecht de pagina uit: dit geef je aan met een stip.

•Veldlijnen en stroomdraden: bij een magnetisch veld zet je alleen het kruisje of de stip; bij een elektrische stroom zet je een cirkeltje om het kruisje of de stip.

Het magnetisch veld van een stroomspoel

Een ringvormige draad noemt men een winding. Wanneer er stroom door een winding loopt, wekt elk gedeelte van de winding een magnetisch veld op. Een spoel bestaat uit meerdere windingen. Wanneer er stroom door deze windingen loopt, spreekt men van een stroomspoel. Binnen in een stroomspoel is het magnetisch veld vrijwel homogeen. Buiten de spoel komt het veldlijnenpatroon overeen met dat van een staafmagneet: de ene zijde van de spoel werkt als noordpool, de andere als zuidpool. De richting van het veld bepaal je met de rechterhandregel voor een stroomspoel:

1.Krul de vingers van je rechterhand mee met de richting van de elektrische stroom door de windingen van de spoel.

2.Je uitgestoken duim wijst in de richting van de magnetische veldlijnen binnen in de stroomspoel en wijst dus rechtstreeks naar de noordpool van de spoel.

De elektromagneet

Omdat een stroomspoel pas magnetisch wordt wanneer er stroom doorheen loopt, wordt een stroomspoel een elektromagneet genoemd. De magnetische inductie van een elektromagneet kan op twee manieren worden vergroot:

•Stroomsterkte verhogen: hoe groter de elektrische stroom door de windingen, hoe sterker het magnetisch veld.

•IJzeren kern plaatsen: door een kern van ijzer in de spoel te plaatsen, wordt het ijzer zelf ook magnetisch zodra de stroom loopt. Dit versterkt de totale magnetische inductie aanzienlijk. Zodra de stroom wordt uitgeschakeld, verliest het ijzer zijn magnetisme weer.

Bij zeer krachtige toepassingen, zoals MRI-scanners, worden spoelen van supergeleidend materiaal gebruikt om extreem grote stromen te geleiden zonder dat de spoel oververhit raakt.

Het aardmagnetisch veld

De aarde bezit een eigen aardmagnetisch veld, dat veroorzaakt wordt door elektrische stromen in de vloeibare aardkern. De aarde gedraagt zich op deze manier als een grote elektromagneet.

Omdat de noordpool van een kompasnaald naar het geografische noorden wijst, bevindt de magnetische zuidpool van de aarde zich in de buurt van de geografische noordpool. Aan de evenaar lopen de magnetische veldlijnen evenwijdig aan het aardoppervlak; dichter bij de polen staan de veldlijnen steeds meer loodrecht op het aardoppervlak.