Les over 10.5 Luidspreker en elektromotor

Leerdoelen

•Je kunt de krachten tussen een elektromagneet en een permanente magneet beschrijven, uitleggen en toepassen op een luidspreker en elektromotor.

Krachten tussen magneten en de lorentzkracht

Een elektromagneet in het magnetisch veld van een permanente magneet ondervindt krachten door de wisselwerking tussen beide magnetische velden. De richting van het magnetisch veld en de polen van de elektromagneet bepaal je met de rechterhandregel. Gelijke polen stoten elkaar af, terwijl tegengestelde polen elkaar aantrekken. Hierdoor kan een elektromagneet zowel een heen en weer gaande beweging als een draaibeweging maken. Beide bewegingen worden veroorzaakt door de lorentzkracht. Het verschil tussen apparaten zit in de constructie:

•Een luidspreker is zo gebouwd dat de elektromagneet uitsluitend een heen en weer gaande beweging maakt.

•Een elektromotor is zo gebouwd dat de elektromagneet uitsluitend een draaibeweging maakt.

Werking van een luidspreker

Een luidspreker zet een elektrisch signaal om in een geluidssignaal. Het centrale onderdeel is de trechtervormige conus, die vastzit aan het spoeltje van een elektromagneet. Het spoeltje bevindt zich in het radiale magnetische veld van een ringmagneet, waarvan de noordpool in het midden ligt en de ringvormige rand de zuidpool vormt. Hierdoor heeft de magnetische inductie op de plaats van de spoel steeds dezelfde waarde. Het proces van geluidsproductie verloopt in de volgende stappen:

1.Er loopt een elektrisch signaal (een wisselstroom) door het spoeltje dat voortdurend van grootte en richting verandert.

2.Door de stroomverandering verandert de lorentzkracht op de elektromagneet steeds van grootte en richting.

3.De conus volgt de elektromagneet en beweegt in hoog tempo heen en weer, wat de omringende lucht in trilling brengt en zo een geluidssignaal veroorzaakt.

Om de lorentzkracht op de spoel te berekenen, gebruik je de formule: Hierbij is de magnetische inductie in tesla (T), de stroomsterkte in ampère (A) en de totale lengte van de draad in meter (m). De draadlengte bereken je met het aantal windingen en de diameter van de spoel via:

Werking van een elektromotor

Een elektromotor zet elektrische energie om in een continue draaibeweging. Een simpele elektromotor bestaat uit de volgende hoofdonderdelen:

•Rotor: het draaiende gedeelte van de motor, bestaande uit de elektromagneet met een ijzeren kern.

•Stator: het stilstaande gedeelte van de motor, gevormd door de uitwendige permanente magneten.

•Collector: twee metalen halve schijven gescheiden door een isolerende laag, die de stroomrichting in de spoel omkeert.

•Koolborstels: onderdelen die stroom geleiden en slepen langs de draaiende collector om verbinding te maken met de spanningsbron.

Het proces van de continue draaibeweging verloopt als volgt:

1.Wanneer de stroom door de winding van de rotor loopt, werken er op de tegenoverliggende zijden even grote, maar tegengesteld gerichte lorentzkrachten. Hierdoor gaat de winding draaien.

2.Wanneer de winding de verticale stand bereikt, maken de koolborstels contact met de isolerende laag van de collector. De stroomsterkte wordt en de lorentzkracht vervalt tot . Door de opgebouwde draaisnelheid draait de winding toch door deze stand heen.

3.Na het passeren van de verticale stand maken de koolborstels weer contact met de schijven van de collector, maar nu andersom. De stroomrichting door de winding keert hierdoor om.

4.Doordat de stroomrichting omkeert, keren ook de lorentzkrachten van richting om, waardoor de winding in dezelfde richting blijft ronddraaien.