Les over 10.6 Elektromagnetische inductie

Leerdoelen

•Je kunt het ontstaan van een inductiespanning beschrijven, uitleggen en op een microfoon en een dynamo toepassen.

•Je kunt met de formules voor de flux en de inductiespanning berekeningen maken en redeneren.

Inductiespanning en flux

Wanneer je een spoel laat draaien in een magnetisch veld of de as van een elektromotor ronddraait, ontstaat er een elektrische spanning over de aansluitpunten van de spoel. Deze opgewekte spanning noem je de inductiespanning.

Het begrip flux

Om te beschrijven hoe een inductiespanning ontstaat, wordt het begrip flux gebruikt. Het symbool voor flux is de Griekse hoofdletter en de eenheid is weber (). Je kunt je de flux voorstellen als het aantal magnetische veldlijnen dat door een bepaald oppervlak gaat. De flux door een vlak is het product van de loodrechte component van de magnetische inductie en de oppervlakte van het vlak. De formule voor flux is: Hierin is:

•\phi: de flux in weber ().

•B_{\perp}: de component van de magnetische inductie loodrecht op het vlak in tesla ().

•A: de oppervlakte van het vlak in m².

De stand van het vlak ten opzichte van de magnetische veldlijnen bepaalt de grootte van de flux:

•Maximale flux: wanneer de veldlijnen loodrecht door de windingen van de spoel gaan.

•Nul flux: wanneer de spoel 90° is gedraaid. De magnetische inductie heeft dan geen component loodrecht op het oppervlak van de winding, waardoor er geen veldlijnen doorheen gaan ().

•Tussenwaarde: wanneer de spoel schuin staat (bijvoorbeeld 30° gedraaid), is de loodrechte component kleiner en ligt de flux tussen 0 en de maximale waarde in.

Fluxverandering en inductiespanning

Een inductiespanning ontstaat niet door de aanwezigheid van flux alleen, maar door de verandering van de flux. Wanneer een magneet stilstaat in een spoel, verandert de flux niet en is er geen inductiespanning. Beweeg je de magneet heen en weer ten opzichte van de spoel (of beweeg je de spoel ten opzichte van een stilstaande magneet), dan verandert de flux en ontstaat er een inductiespanning. Wanneer de spoel is opgenomen in een gesloten stroomkring, gaat er als gevolg van de inductiespanning een inductiestroom lopen. De grootte van de inductiespanning hangt af van twee recht evenredige verbanden:

•Aantal windingen (N): hoe meer windingen de spoel heeft, hoe groter de inductiespanning ().

•Fluxverandering per tijdseenheid (\frac{\mathrm{d}\phi}{\mathrm{d}t}): hoe sneller de flux verandert, hoe groter de inductiespanning ().

Samenhang tussen flux en spanning in diagrammen

Uit het verband tussen inductiespanning en fluxverandering volgen belangrijke eigenschappen voor het analyseren van diagrammen:

•In een -diagram geeft de steilheid van de raaklijn op een tijdstip de grootte van de inductiespanning weer. Op een top of in een dal van de fluxgrafiek loopt de raaklijn horizontaal (steilheid is 0), waardoor de inductiespanning daar 0 V is. De inductiespanning is juist maximaal op de punten waar de flux door nul gaat (grootste steilheid).

•In een -diagram geeft een toename van de flux een positieve spanning (een berg) en een afname van de flux een negatieve spanning (een dal). De richting van de elektrische stroom bij een positieve spanning is tegengesteld aan die bij een negatieve spanning.

•Wanneer een magneet langzamer wordt bewogen, is de maximale spanning kleiner, maar duurt de inductiespanning langer. De oppervlakte onder de grafiek in een -diagram is recht evenredig met de totale fluxverandering.

Toepassingen van elektromagnetische inductie

Elektromagnetische inductie wordt gebruikt in apparaten die bewegingsenergie omzetten in elektrische energie.

Microfoon

Een microfoon zet een geluidssignaal om in een inductiespanning. Een geluidsgolf laat het membraan aan de voorzijde van de microfoon trillingen uitvoeren. Aan dit membraan is een spoel bevestigd die vrij heen en weer beweegt over een permanente magneet. Door de beweging van de spoel verandert de magnetische flux door de spoel, waardoor een inductiespanning ontstaat die met de geluidsgolf meeverandert. Dit elektrische signaal vormt een directe weergave van het originele geluidssignaal.

Dynamo en generator

In een dynamo bevindt zich een magneet die ronddraait tussen spoelen. Als de magneet draait, verandert de flux door de spoelen en ontstaat er een inductiespanning over de aansluitpunten, waardoor een aangesloten lampje gaat branden.

Een grote dynamo in een elektriciteitscentrale noem je een generator. Deze wordt vaak aangedreven door een turbine om grootschalig elektrische energie op te wekken. Bij een microfoon beweegt een spoel in een magnetisch veld, terwijl bij een dynamo een magneet beweegt ten opzichte van spoelen. In beide gevallen verandert de flux door de windingen van de spoel en ontstaat er een inductiespanning.