Magnetisch veld

Leerdoelen

•Je kunt het magnetisch veld met de veldlijnen beschrijven als gevolg van de aanwezigheid van bewegende elektrische lading ().

•Je kunt uitleggen wat een homogeen en een inhomogeen magnetisch veld is.

•Je kunt uitleggen hoe een elektromagneet werkt.

•Je kunt uitleggen wat het aardmagnetisch veld is.

•Je kunt de rechterhandregel gebruiken voor een rechte stroomdraad en een spoel.

Wat is een magnetisch veld?

Een magnetisch veld is de omgeving waarin een magnetische kracht merkbaar is. Elektrische ladingen kunnen op twee manieren kracht op elkaar uitoefenen: elektrisch en magnetisch. Een magnetisch veld ontstaat door bewegende elektrische ladingen.

In een permanente magneet ontstaat het magnetische veld bijvoorbeeld door de beweging van elektronen rond de atoomkernen. Er ontstaat ook een magnetisch veld wanneer er elektrische stroom door een stroomdraad of spoel loopt. Elektrische stroom bestaat namelijk uit bewegende elektrische ladingen.

Een magneet heeft een noordpool en een zuidpool. Rond de magneet bevindt zich het magnetische veld.

Magnetische veldlijnen

Het magnetische veld wordt weergegeven met magnetische veldlijnen. Deze veldlijnen hebben verschillende eigenschappen:

•De veldlijnen zijn altijd gesloten.

•Buiten een magneet lopen de veldlijnen van de noordpool naar de zuidpool.

•Binnen een magneet lopen de veldlijnen van de zuidpool naar de noordpool.

•Veldlijnen liggen dichter bij elkaar wanneer de veldsterkte groter is.

•De richting van de raaklijn aan een veldlijn geeft in een bepaald punt de richting van het magnetische veld aan.

•De veldlijnen komen niet altijd loodrecht uit de magneet, maar kunnen naar buiten waaieren.

•Magnetische veldlijnen snijden elkaar nooit.

•Dicht bij de polen van een magneet liggen de veldlijnen meestal dichter bij elkaar. Daar is het magnetische veld sterker. Op grotere afstand van de magneet liggen de veldlijnen verder uit elkaar en is het veld zwakker.

Wat is het verschil tussen een homogeen en een inhomogeen magnetisch veld?

Bij een homogeen magnetisch veld hebben de veldlijnen overal dezelfde richting en liggen ze even ver uit elkaar. Bij een inhomogeen magnetisch veld veranderen de richting en de afstand tussen de veldlijnen.

Bij een staafmagneet kan ijzervijlsel zichtbaar maken hoe de veldlijnen lopen. Het ijzervijlsel gaat in de richting van het magnetische veld liggen. Tussen de polen van een hoefijzermagneet zijn de veldlijnen ongeveer recht en evenwijdig.

Sterkte van een magnetisch veld

De sterkte van het magnetische veld heet de magnetische inductie. Deze grootheid wordt gemeten in tesla. Hier zijn enkele voorbeelden:

Het aardmagnetisch veld is dus veel zwakker dan het veld van een permanente magneet of een sterke elektromagneet.

Hoe toont de proef van Ørsted het ontstaan van een magnetisch veld aan?

De proef van Ørsted laat zien dat een stroomdraad waar elektrische stroom doorheen loopt een magnetisch veld veroorzaakt.

Bij de proef uit 1819 wordt een kompas onder een stroomdraad geplaatst. Wanneer er geen stroom door de draad loopt, blijft de kompasnaald in haar gewone richting staan. Zodra de stroomkring wordt gesloten en er stroom door de draad loopt, wijkt de magnetische naald van het kompas uit.

De kompasnaald kan alleen uitwijken wanneer er een magnetisch veld aanwezig is. De proef bewijst daarom dat rond een stroomvoerende draad een magnetisch veld ontstaat.

Wanneer de pluspool en minpool worden verwisseld, verandert de richting van de stroom. De kompasnaald draait dan ongeveer 180 graden. De richting van het magnetische veld hangt dus af van de richting van de stroom.

De stroomrichting loopt volgens de afspraak van de pluspool naar de minpool. De elektronen zelf bewegen juist van de minpool naar de pluspool.

Rechterhandregel bij een rechte stroomdraad

Met de rechterhandregel kun je de richting van het magnetische veld rond een rechte stroomdraad bepalen:

•Pak de stroomdraad denkbeeldig vast met je rechterhand.

•Laat je duim wijzen in de richting van de stroom.

•Je gekromde vingers wijzen in de richting van de veldlijnen rond de stroomdraad.

•De veldlijnen vormen gesloten cirkels rond de stroomdraad. Wanneer de stroomrichting wordt omgekeerd, keert ook de richting van de veldlijnen om.

Hoe wordt de richting van een magnetisch veld op papier aangegeven?

Met een kruisje wordt aangegeven dat het magnetische veld het papier in gaat. Met een puntje wordt aangegeven dat het magnetische veld uit het papier komt.

Deze symbolen kun je vergelijken met een pijl:

•Een puntje stelt de punt van een pijl voor die naar je toe komt.

•Een kruisje stelt de achterkant met de veren van een pijl voor die van je af gaat.

Bij een verticale stroomdraad waarin de stroom omhoog loopt, kun je met de rechterhandregel bepalen dat de veldlijnen aan de ene kant het papier in gaan en aan de andere kant uit het papier komen.

Hoe gebruik je de rechterhandregel bij een spoel?

Bij een spoel krul je de vingers van je rechterhand in de richting van de stroom door de windingen. Je uitgestoken duim wijst dan naar de noordpool van de spoel.

Een spoel is een opgerolde stroomdraad met meerdere windingen. Wanneer er stroom door de spoel loopt, ontstaat een magnetisch veld dat lijkt op het magnetische veld van een staafmagneet.

De rechterhandregel wordt bij een spoel als volgt gebruikt:

•Bepaal de richting waarin de stroom van de pluspool naar de minpool door de windingen loopt.

•Krul de vingers van je rechterhand in deze richting.

•Je duim wijst naar de noordpool van de spoel.

•De andere kant van de spoel is de zuidpool.

Binnen de spoel lopen de veldlijnen van de zuidpool naar de noordpool. Buiten de spoel lopen ze van de noordpool naar de zuidpool. Ook deze veldlijnen zijn gesloten en snijden elkaar niet.

Elektromagneten en magnetiseren

Een elektromagneet ontstaat wanneer er elektrische stroom door een spoel loopt. Door een ijzeren voorwerp, zoals een spijker, in de spoel te plaatsen, kan dit voorwerp magnetisch worden.

In het voorbeeld uit de les is een spoel om een spijker gewikkeld. Wanneer de schakelaar wordt gesloten, gaat er stroom lopen. Met de rechterhandregel kan worden bepaald waar de noordpool en de zuidpool van de spijker ontstaan. In dit voorbeeld bevindt de noordpool zich onderaan en de zuidpool bovenaan.

Het magneetveld rond de spijker en de spoel moet worden getekend met gesloten veldlijnen:

•binnen de spoel van zuid naar noord;

•buiten de spoel van noord naar zuid;

•dichter bij elkaar waar het veld sterker is; zonder dat de veldlijnen elkaar snijden.

De elektromagneet in een deurbel

Een deurbel gebruikt een elektromagneet om het metalen armpje met het hamertje te laten bewegen.

Wanneer de drukknop wordt ingedrukt, wordt de stroomkring gesloten. De stroom loopt vanaf de spanningsbron door de spoel. De spoel wordt daardoor een elektromagneet en trekt het metalen armpje aan. Het hamertje beweegt naar de bel en maakt geluid.

Door de beweging van het metalen armpje wordt de stroomkring bij punt Q onderbroken. Er loopt dan geen stroom meer door de spoel, waardoor de elektromagneet zijn magnetische werking verliest. Het armpje veert terug, waardoor de stroomkring opnieuw wordt gesloten.

De spoel wordt opnieuw magnetisch en trekt het armpje weer aan. Dit proces blijft zich herhalen zolang de drukknop wordt ingedrukt. Daardoor blijft de deurbel geluid maken. Met de rechterhandregel volgt dat de noordpool van de elektromagneet in het voorbeeld onderin zit.

Hoe ontstaat het aardmagnetisch veld?

De aarde gedraagt zich daardoor alsof er een grote magneet in zit. De kompasnaald wijst met haar noordpool naar het geografische noorden. Het geografische noorden van de aarde bevindt zich echter bij de magnetische zuidpool van de aarde. Tegengestelde magnetische polen trekken elkaar namelijk aan.

Bij de evenaar lopen de veldlijnen van het aardmagnetisch veld ongeveer evenwijdig aan het aardoppervlak. Bij de geografische noordpool en zuidpool lopen de veldlijnen veel meer loodrecht op het aardoppervlak.