MAGNETISME & ELEKTRICITEIT - Plantyn
MAGNETISME & ELEKTRICITEIT - Plantyn
MAGNETISME & ELEKTRICITEIT - Plantyn
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................<br />
Hoofdstuk 1<br />
<strong>MAGNETISME</strong> & <strong>ELEKTRICITEIT</strong><br />
1.1 Doelstelling<br />
In tegenstelling tot praktisch alle handboeken start je met elektromagnetisme. De reden<br />
is eenvoudig omdat alle elektrische toepassingen steeds gepaard gaan met sterke magnetische<br />
velden die onmogelijk zijn met kunstmagneten (te zwak).<br />
Om en in een stroomvoerende geleider bevindt zich een magnetisch veld. De eigenschappen<br />
van dit magnetisch veld veroorzaakt door stroomdoorgang in de geleider zijn dezelfde<br />
als door het veld veroorzaakt door een kunstmatige magneet. Je gaat in dit hoofdstuk het<br />
verband ontdekken dat bestaat tussen magnetisme en elektriciteit.<br />
Je start eerst met de voornaamste eigenschappen van het magnetisme zelf als korte inleiding<br />
met de bedoeling het magnetisme te duiden.<br />
1.2 Inleidende begrippen<br />
1.2.1 Magneten en hun eigenschappen<br />
a) Een magneetnaald of -staaf kan in een bijzondere toestand verkeren, waarbij de eigenschap<br />
ontstaat ander materiaal (ijzerhoudend) aan te trekken. Deze toestand noem je<br />
de magnetische toestand. De Grieken waren hiervan reeds op de hoogte en noemden<br />
dit magneetsteen, genoemd naar haar vindplaats Magnesia in Klein-Azië.<br />
b) Deze magnetische toestand blijkt in de uiteinden geconcentreerd te zijn. Deze uiteinden<br />
noem je de polen.<br />
c) Horizontaal opgehangen magneten richten zich altijd naar het noorden. Deze pool geef<br />
je de naam noordpool en zal verder in het werk met blauw aangeduid worden. De andere<br />
pool noem je zuidpool. Meer correct zou zijn de noordzoekende of zuidzoekende<br />
pool (bij overeenkomst zal je de noordpool aanduiden met het + en de zuidpool met het<br />
– teken).<br />
d) Gelijknamige polen stoten elkaar af. Polen met tegengesteld teken trekken elkaar aan.<br />
e) Magnetische inductie: ijzer in de nabijheid van een magneet verkrijgt magnetische eigenschappen.<br />
Zij vertoont een zuid- en noordpool tegengesteld aan de inducerende<br />
staaf. Vandaar de aantrekking van ijzerhoudende materialen.<br />
f) Breek je een magneet middendoor, dan vormt iedere helft een onafhankelijke nieuwe<br />
volwaardige magneet met twee polen. Alleen haar krachtwerking is zwakker (minder<br />
poolsterkte of magnetische massa).<br />
1.2.2 Poolsterkte of magnetische massa<br />
Onder poolsterkte versta je de hoeveelheid magnetisme opgewekt door je magneet. Een<br />
minder gelukkige benaming hiervoor is magnetische massa. Het begrip massa is je reeds<br />
bekend. Hiervoor verwijzen we je naar het SI-eenhedenstelsel:<br />
symbool: m m (poolsterkte of magnetische massa)<br />
eenheid: weber (Wb)<br />
7<br />
HOOFDSTUK 1-<strong>MAGNETISME</strong> & <strong>ELEKTRICITEIT</strong>
8<br />
1.2.3 Veldsterkte<br />
De veldsterkte in een willekeurig punt van een magnetisch veld kan bepaald worden door<br />
de kracht op een willekeurige magneet in dat punt te delen door zijn eigen poolsterkte m m<br />
(magnetische massa). Hieruit volgt:<br />
H <br />
F<br />
m m m : de poolsterkte in weber (Wb)<br />
m<br />
met F : de kracht in newton (N)<br />
H : de veldlijnen in newton per weber (N/Wb) of (A/m)<br />
De veldsterkte H in een punt heeft de eenheid van 1 N/Wb of 1 A/m als op de eenheidsnoordpool<br />
van 1 weber (1 Wb) een kracht inwerkt van 1 newton (1 N) 1Wb = 1Nm<br />
1A<br />
1.2.4 Magnetisch veld<br />
Het magnetisch veld is de ruimte rond een magneet<br />
waarbinnen deze zijn magnetische krachtwerking laat<br />
voelen. Theoretisch is dit magnetisch veld oneindig<br />
groot, maar gezien de krachtwerking snel afneemt met<br />
het kwadraat van de afstand (zie hoofdstuk 2) wordt dit<br />
ontwikkeld veld beperkt tot de onmiddellijke ruimte<br />
rond de magneet.<br />
1.3 Magnetisch veld als gevolg van een elektrische stroom<br />
1.3.1 Het magnetisch veld rond een stroomvoerende rechte geleider<br />
1.3.1.1 De proef van Ørsted bij een rechte geleider<br />
Terminologie<br />
................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................<br />
FIG. 1.1 HET VELDLIJNENVERLOOP BIJ EEN STAAF-<br />
MAGNEET<br />
De Deense natuurkundige Ørsted ontdekte in 1820 het vast verband tussen magnetisme<br />
en elektriciteit. Hij stelde vast dat er bij een voldoende grote stroom door de geleider een<br />
verdraaiing plaatsgreep op een magneetnaald die in de buurt was opgesteld. Hiermee bewees<br />
Ørsted dat er een verband moest zijn tussen magnetisme en elektrische stroom.<br />
Elektromagnetisme is magnetisme veroorzaakt tijdens het vloeien van een elektrische<br />
stroom.<br />
HOOFDSTUK 1-<strong>MAGNETISME</strong> & <strong>ELEKTRICITEIT</strong>
Proef 1<br />
Besluit<br />
a) Plaats een magneetnaald op een<br />
verticale as zodat ze vrij horizontaal<br />
kan bewegen. De naald<br />
richt zich naar het geografische<br />
noorden. Evenwijdig aan de<br />
richting van de naald in rust,<br />
plaats je een geleider. Sluit nu je<br />
testkring via een schakelaar, op<br />
een spanningsbron aan.<br />
b) Sluit de schakelaar. Je magneetnaaldje<br />
verdraait onder invloed<br />
van de stroom. Als de stroom<br />
toeneemt in de keten, vergroot<br />
de uitwijking van het magneetnaaldje.<br />
Bij voldoende stroom in<br />
de keten plaatst het magneetnaaldje<br />
zich loodrecht op de geleider.<br />
c) Schakel nu je testkring uit. De naald keert in<br />
haar oorspronkelijke ruststand terug. Desnoods<br />
tik je eens tegen het glas, want dan<br />
heb je een slecht kompas met een te grote<br />
wrijving.<br />
d) Je keert de stroomrichting om in de geleider,<br />
de naald wijkt uit in tegengestelde zin.<br />
Een stroomvoerende geleider veroorzaakt een<br />
magnetisch veld, elektromagnetisch veld genoemd.<br />
De sterkte van dit veld is afhankelijk<br />
van de stroomsterkte in de geleider. De naaldrichting<br />
is afhankelijk van de gevoerde stroomrichting<br />
in de geleider.<br />
1.3.1.2 Vorm van het elektromagnetisch veld bij een<br />
rechte geleider<br />
Proef 2<br />
Besluit<br />
................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................<br />
Steek een rechte geleider door een blad papier.<br />
Stuur een stroom door de geleider.<br />
FIG. 1.2 DE OPSTELLING VOOR DE PROEF VAN ØRSTED<br />
Je stelt vast dat ijzervijlsel op je blad papier gestrooid, zich<br />
als cirkels rond deze geleider schikt.<br />
Deze cirkels bezitten uiteraard de geleider als gemeenschappelijk<br />
middelpunt. Het geheel van deze concentrische<br />
cirkels noem je het elektromagnetisch spectrum van<br />
de stroomvoerende geleider. Deze cirkels geven dus het<br />
verloop weer van de veldlijnen. Je kunt ook spreken van<br />
het elektromagnetisch veld van een kunstmatige magneet.<br />
FIG. 1.3 DE MAGNEETNAALD TRACHT ZICH LOODRECHT OP DE GE-<br />
LEIDER TE PLAATSEN<br />
FIG. 1.4 DE VERDRAAIING IS AFHANKELIJK VAN DE STROOMZIN<br />
FIG. 1.5 ELEKTROMAGNETISCH SPECTRUM<br />
De vorm van het (elektro)magnetisch veld rond een stroomvoerende geleider is cirkelvormig<br />
met de geleider als middelpunt.<br />
9<br />
HOOFDSTUK 1-<strong>MAGNETISME</strong> & <strong>ELEKTRICITEIT</strong>
10<br />
1.3.1.3 Zin van het elektromagnetisch veld bij een rechte geleider<br />
Proef 3<br />
Besluit<br />
Besluit<br />
................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................<br />
Een eenheidsnoordpool richt zich raaklijnig aan de veldlijnen. Verschuif je een magneetnaaldje<br />
over je blad papier, dan zal het zich steeds richten raaklijnig aan de veldlijn in dat<br />
punt. Bij omwisseling van je bronpolariteit stel je vast dat de magneetnaaldjes over 180°<br />
verdraaien.<br />
FIG. 1.6 VERDRAAIING VAN DE MAGNEETJES BIJ VOLDOENDE STROOMDOORGANG<br />
De stroomrichting bepaalt de zin en richting van de veldlijnen.<br />
In de praktijk beschik je over een handig hulpmiddel dat je de zin van dit elektromagnetisch<br />
veld helpt bepalen:<br />
De kurkentrekkerregel (rechtsdraaiend) of ‘eerste regel van Maxwell’. Je bepaalt de zin van<br />
de krachtlijnen door ze te vergelijken met de beweging van een kurkentrekker. Als je de<br />
kurkentrekker wenst te verplaatsen in de zin van de stroom dan draait deze volgens de<br />
zin van de veldlijnen. Je kan deze zelfde draaizin ook terugvinden wanneer je een dopje<br />
op een fles los- of vastschroeft.<br />
Voorstelling van de stroomzin: indien je een geleider vooraan bekijkt, bekom je voor deze<br />
geleider in doorsnede een cirkel. De stroomzin kun je hier in voorstellen door een pijl<br />
(denk aan een vogelpikpijl). Vloeit de stroom naar je toe (het blad uit), dan zie je de punt<br />
van de pijl. Vloeit de stroom van je weg (het blad in) dan zie je de vleugels van de pijl of<br />
een kruisje.<br />
De zin van de krachtlijnen is te vinden met een eenvoudig vuistregeltje, gegeven door<br />
Maxwell: de kurkentrekkerregel.<br />
FIG. 1.7 KURKENTREKKERREGEL<br />
FIG. 1.8 STROOMZIN IN EEN PLAT VLAK<br />
HOOFDSTUK 1-<strong>MAGNETISME</strong> & <strong>ELEKTRICITEIT</strong>
................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................<br />
1.3.1.4 Sterkte van het elektromagnetisch veld<br />
bij een rechte geleider (wet van Biot en<br />
Savart)<br />
Voer je dezelfde proef van Ørsted uit op een<br />
verdere afstand van je geleider, dan merk je dat<br />
het magneetnaaldje minder krachtig reageert.<br />
De veldsterkte rond een elektrische geleider<br />
neemt af wanneer de afstand tot die geleider<br />
toeneemt. De grootte van de veldsterkte in een<br />
punt p op een afstand r van een stroomvoerende<br />
rechte geleider, vind je met de formule van<br />
Biot en Savart:<br />
H <br />
I<br />
2· · r<br />
met<br />
FIG. 1.9 VELDSTERKTE IN PUNT P<br />
H : veldsterkte in ampère per meter (A/m)<br />
I : stroomsterkte in ampère (A)<br />
r : loodrechte afstand van het punt tot de geleider waarin je<br />
de veldsterkte berekent in meter (m)<br />
Je merkt dat de veldsterkte hier automatisch in de eenheid A/m gevonden wordt, alhoewel<br />
je ze ook als N/Wb kunt formuleren.<br />
Dus:<br />
1 A/m = 1 N/Wb<br />
Leuk om weten:<br />
De hoogleraar Biot (Frankrijk 1774-1682) was een veelzijdig natuurkundige die samen met Gay-Lussac<br />
in 1804 de eerste wetenschappelijke ballonvaart maakte.<br />
Met zijn leerling Savart onderzocht Biot ook het verband tussen magnetisme en elektrische stromen. Zij<br />
stelden een regel op voor de afwijking van een magneetnaald in een elektrisch veld. In 1820 publiceerden<br />
ze een wet: de integraalwet voor een rechte stroomvoerende geleider.<br />
In 1821 veralgemeende Laplace deze wet voor een willekeurige stroomvoerende geleider. De wet van<br />
Biot en Savart wordt meestal in vectoren uitgedrukt.<br />
11<br />
HOOFDSTUK 1-<strong>MAGNETISME</strong> & <strong>ELEKTRICITEIT</strong>
12<br />
De veldsterkte in punt p wordt bepaald door de som<br />
van alle bijdragen die ieder stroomelement I.s uitoefent.<br />
I : stroomsterkte<br />
s : lengte van het element<br />
: de hoek tussen de stroomrichting en de richting<br />
van het element naar het punt p<br />
r : de afstand tot punt p<br />
De bijdrage van het element is dan:<br />
H 1<br />
4· · I · s<br />
· sin <br />
r 2<br />
Beschouw een recht stukje. Je schrijft dan in vectornotatie:<br />
H¯ 1<br />
4· · I · s ¯ · r¯<br />
r 3<br />
Om de invloed van de volledige geleider te kennen,<br />
moet je de vectoriële som nemen van al deze veldsterktes.<br />
Hiervoor gebruikt de wiskunde de integraalfunctie,<br />
die je in hogere jaren zult aanleren. Voor een rechte<br />
geleider is het vereenvoudigde resultaat:<br />
H <br />
I<br />
2· · r<br />
1.3.2 Het magnetisch veld rond een stroomvoerende winding<br />
1.3.2.1 De proef van Ørsted bij een winding<br />
Proef 4<br />
................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................<br />
Bekijk je fig. 1.8 nog eens, dan zie je de veldlijnen afgebeeld rond een rechte stroomvoerende<br />
geleider. Wanneer je deze geleider buigt tot een cirkelvormige ringgeleider, bekom<br />
je een lus of winding. Stuur je een stroom doorheen een verticale winding die door een<br />
glasplaat steekt, dan kun je met ijzervijlsel de opgewekte krachtlijnen zichtbaar maken.<br />
De krachtlijnen die ontstaan over de ganse lengte van de rechte geleider, worden door het<br />
buigen van de geleider samengebundeld binnenin de lus.<br />
1.3.2.2 Vorm van het elektromagnetisch veld bij een winding<br />
a) Bij stroomdoorgang ontstaat rond elk<br />
punt van de winding een magnetisch<br />
veld opgebouwd uit concentrische<br />
krachtlijnen.<br />
b) Het aantal ontstane veldlijnen door<br />
de winding noem je de magnetische<br />
flux ().<br />
FIG. 1.10<br />
FIG. 1.11<br />
FIG. 1.12 ZIN VAN DE KRACHTLIJNEN BIJ EEN WINDING<br />
HOOFDSTUK 1-<strong>MAGNETISME</strong> & <strong>ELEKTRICITEIT</strong>
................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................<br />
c) In het midden van de winding heeft een verdichting<br />
van veldlijnen plaats.<br />
d) De veldsterkte (concentratie) binnen de winding<br />
is groter dan deze aan de buitenzijde van de<br />
geleider.<br />
De veldlijnen rond de cirkelvormige stroomvoerende<br />
geleider blijven identiek aan deze van een<br />
rechte geleider. Bijgevolg draaien alle veldlijnen<br />
voor deze winding in een zelfde zin. Hierdoor ontstaat<br />
er in het cirkelvormig binnenvlak een (elektro)magneetje<br />
met een noord- en een zuidpoolzijde.<br />
1.3.2.3 Zin van het elektromagnetisch veld bij een winding<br />
Je kunt de zin van het elektromagnetisch veld van een winding bepalen door de<br />
rechtsdraaiende kurkentrekkerregel (tweede regel van Maxwell).<br />
Plaats je de kurkentrekker loodrecht op het vlak van de winding en draai je hem in de<br />
richting van de stroomsterkte, dan zal de zin waarin de kurkentrekker zich beweegt de<br />
uittredende veldlijnen in het vlak van de winding aanduiden (zie fig. 1.12 en 1.13).<br />
Je kunt deze zin ook bepalen door de rechterhandregel van Maxwell. Je omvat met je<br />
rechterhand de winding zodanig dat je gekromde vingers de richting van de stroom volgen.<br />
De gestrekte duim duidt de richting van de veldlijnen binnen een magneet aan: van<br />
zuid naar noord.<br />
1.3.2.4 De sterkte van het elektromagnetisch veld bij een winding<br />
De grootte van de veldsterkte in het middelpunt van een winding met straal r, waardoor<br />
een stroom vloeit, vind je met de formule:<br />
H <br />
I<br />
2·r<br />
met: H : veldsterkte in het middelpunt van de<br />
winding in ampère per meter (A / m)<br />
I : stroomsterkte in ampère (A)<br />
r : straal van de winding in meter (m)<br />
FIG. 1.13 KRACHTLIJNEN BIJ EEN WINDING IN EEN PLAT VLAK<br />
Merk je dat door de cirkelvorm van de geleider de uit de formule van de rechte geleider<br />
komt te vervallen?!<br />
13<br />
HOOFDSTUK 1-<strong>MAGNETISME</strong> & <strong>ELEKTRICITEIT</strong>
14<br />
1.3.3 Het elektromagnetisch veld (veldlijnenspectrum) rond een spoel of<br />
solenoïde<br />
1.3.3.1 De proef van Ørsted bij een solenoïde<br />
Proef 5<br />
Terminologie<br />
Als je een geïsoleerde geleider in<br />
verschillende aansluitende lussen<br />
(seriewindingen) wikkelt, dan verkrijg<br />
je een spoel of solenoïde.<br />
Stuur je nu een stroom doorheen<br />
de spoel, dan kan je met ijzervijlsel<br />
de opgewekte krachtlijnen zichtbaar<br />
maken. Het magneetnaaldje<br />
geplaatst in de nabijheid van de<br />
spoel verdraait onder invloed van<br />
de opgewekte krachtlijnen.<br />
Een spoel met lucht als kernmateriaal noem je een solenoïde.<br />
1 lus van zo’n spoel noem je ook een winding<br />
1.3.3.2 Vorm van het elektromagnetisch veld bij een solenoïde<br />
a) Bij stroomdoorgang ontstaat om elke winding<br />
een magnetisch veld.<br />
b) Alle krachtlijnen van deze windingen bezitten<br />
in de spoel dezelfde zin.<br />
c) De magnetische deelvelden worden samengevoegd<br />
tot een sterk magnetisch veld met de polen<br />
aan de uiteinden van de solenoïde.<br />
d) De luchtkern van de solenoïde kun je bij<br />
stroomdoorgang beschouwen als een magneet<br />
met een noord- en zuidpool.<br />
Sommige veldlijnen volgen de bundel veldlijnen niet tot op de spoeleinden. Er ontstaan<br />
dan lekken, je spreekt dan over een lekflux.<br />
1.3.3.3 Zin van het elektromagnetisch veld bij een solenoïde<br />
Opmerking<br />
................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................<br />
Je kunt de zin van de krachtlijnen in een solenoïde bepalen door de rechterhandregel van<br />
Maxwell.<br />
FIG. 1.16 RECHTERHANDREGEL<br />
Ook de kurkentrekkerregel blijft toepasbaar.<br />
FIG. 1.14 INVLOED VAN EEN SPOEL OP EEN MAGNEETNAALDJE<br />
FIG. 1.15 EEN SPOEL OF SOLENOÏDE<br />
Het uiteinde waar de krachtlijnen uittreden is de N-pool<br />
Het andere uiteinde, waar de krachtlijnen intreden is de Z-pool.<br />
Je grijpt de spoel vast met je rechterhand<br />
zodanig dat de stroomsterkte vloeit vanuit<br />
je pols naar de vingertoppen toe. De gestrekte<br />
duim geeft dan de noordpool aan<br />
(of dus de zin van de veldlijnen binnen de<br />
magneet).<br />
HOOFDSTUK 1-<strong>MAGNETISME</strong> & <strong>ELEKTRICITEIT</strong>
De zin van het magnetisch veld kan eenvoudig omgedraaid worden door de stroomzin in<br />
de spoel om te wisselen. De rechterhandregel of kurkentrekkerregel blijft toepasbaar.<br />
Vergelijking met de natuurlijke magneet:<br />
Krachtlijnen of veldlijnen bij natuurlijke en/of kunstmatige magneet<br />
Het magnetisch veld rond een magneet kun je aanschouwelijk voorstellen door fijn Fe-vijlsel te strooien<br />
op een wit blad boven een magneet. Je ziet een lijnenpatroon ontstaan dat het magnetisch spectrum<br />
voorstelt.<br />
Deze zichtbaar gemaakte lijnen noem je krachtlijnen of veldlijnen en stellen de baan voor waarlangs<br />
de vrije noordpooltjes zich zouden voortbewegen en/of richten.<br />
Een kracht- of veldlijn is dus een denkbeeldige lijn waarvan in elk punt de richting van de raaklijn overeenstemt;<br />
met de richting van de veldsterkte in dat punt (zie fig. 1.1).<br />
Veldlijnen bezitten dus een zin: ze vertrekken aan de N-pool en komen toe in de Z-pool.<br />
Krachtlijnen zijn dus gericht van noord naar zuid buiten de magneet. Binnen de magneet lopen de<br />
krachtlijnen van zuid naar noord.<br />
1.3.3.4 De sterkte van het elektromagnetisch veld bij een solenoïde<br />
Proef 6<br />
................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................<br />
Sluit achtereenvolgens verschillende spoelen (lange of korte spoel, dikke of dunne spoel,<br />
veel of weinig windingen) aan op een gelijkspanningsbron. Regel de spanning zo, dat de<br />
stroom die vloeit in de keten identiek blijft. De vrij opgestelde magneetnaald zal onder invloed<br />
van de opgewekte veldsterkte verdraaien. Indien je de stroomsterkte verhoogt, zal<br />
voor elk type spoel dit vastgestelde fenomeen toenemen. Indien het aantal windingen<br />
toeneemt en de stroomsterkte vergroot, dan neemt de invloed op de magneetnaald toe.<br />
Hoe langer de spoel is, hoe kleiner deze invloed wordt. De grootte van de veldsterkte in<br />
een punt a, binnen een spoel met lengte l en diameter d, waardoor een stroom vloeit, vind<br />
je benaderend met de formule:<br />
H a =<br />
N · I<br />
met H<br />
d 2 + l 2 a : veldsterkte in punt a in ampère per meter (A/m)<br />
N : aantal windingen<br />
d : gemiddelde diameter van de spoel in meter (m)<br />
l : lengte van de spoel in meter (m)<br />
Beschouwingen 1)d 2 + l 2 verwijst naar de stelling van Pythagoras. De invloed van d ten opzichte van<br />
l of omgekeerd, wordt verwaarloosbaar klein indien de verhouding 1/10 is.<br />
Immers, een verhouding 1/10 wordt in het kwadraat 1/100.<br />
Je kan dus stellen dat<br />
als l >d(lange, dunne spoel): H a = N · I<br />
l = N · I<br />
2 l<br />
FIG. 1.17 LANGE, DUNNE SPOEL<br />
FIG. 1.18 KORTE, DIKKE SPOEL<br />
15<br />
HOOFDSTUK 1-<strong>MAGNETISME</strong> & <strong>ELEKTRICITEIT</strong>
16<br />
In woorden<br />
De veldsterkte in een spoel is:<br />
- recht evenredig met het aantal windingen;<br />
- recht evenredig met de stroomsterkte door de spoel;<br />
- omgekeerd evenredig met de lengte van de spoel.<br />
2) De veldsterkte bij een lange, dunne spoel zal door de lekflux kleiner zijn op de uiteinden<br />
dan in het midden van de solenoïde. Praktisch stelt men dat de veldsterkte terugvalt<br />
tot de helft van de veldsterkte van het punt a (zie fig. 1.17).<br />
H b = H a<br />
2 = N · I<br />
2·l<br />
3) Ampèrewindingen<br />
In bovenstaande formules vind je in de teller steeds N·Iof I·Nterug.<br />
Deze combinatie wordt ook wel ampèrewindingen (Aw) genoemd. Het betekent dat de<br />
veldsterkte recht evenredig is met:<br />
- stroomsterkte,<br />
- aantal windingen.<br />
Terminologie Het aantal ampèrewindingen noemt men ook wel de magnetomotorische kracht F m .<br />
Vergelijk dit met het begrip emk voor het elektrisch veld, toegelicht in Elektra 1.<br />
Opmerking<br />
................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................<br />
F m<br />
N · I (Aw)<br />
Wil je de veldsterkte in een willekeurig punt bepalen, dan zal je moeten rekening houden<br />
met de invloed van meerdere polen. Verdere toelichting en/of uitwerking vind je in hoofdstuk<br />
2.<br />
Als je in een solenoïde een magnetisch geleidend materiaal schuift, verkrijg je een elektromagneet<br />
die een versterkte werking als gevolg heeft (zie hoofdstuk 3).<br />
Om dit te verklaren moet je eerst de invloed van magnetisch materiaal kennen en begrijpen<br />
(zie hoofdstuk 2).<br />
HOOFDSTUK 1-<strong>MAGNETISME</strong> & <strong>ELEKTRICITEIT</strong>
Voorbeeld 1<br />
Voorbeeld 2<br />
SAMENGEVAT<br />
1.4 Rekenvoorbeelden<br />
................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................<br />
Door een spoel A met 400 windingen vloeit een stroom van 2,5 A en door spoel B met 200 windingen<br />
vloeit 5 A. Bereken de magneetmotorische kracht of het aantal ampèrewindingen.<br />
Gegeven<br />
Gevraagd<br />
Oplossing<br />
N = 400 windingen en I = 2,5 A<br />
N = 200 windingen en I =5A<br />
F m = ? A/m<br />
Voor een spoel A: F m =I·N= 2,5 A · 400 w = 1000 Aw<br />
Voor een spoel B: F m =I·N=5A·200w=1000 Aw<br />
De magnetomotorische kracht kan met een kleinere stroom en meer windingen<br />
of omgekeerd een zelfde resultaat opleveren.<br />
Als je 400 windingen op een spoel met 4 cm diameter en 2 cm lengte wikkelt, kun je hiervan de<br />
veldsterkte in het midden van de spoel berekenen. De stroomsterkte is 2,5 A.<br />
Gegeven<br />
Gevraagd<br />
Oplossing H a =<br />
N = 400 windingen en I = 2,5 A<br />
l =2cm=0,02mof20·10 −2 m<br />
d =4cm=0,04mof4·10 −2 m<br />
H =?inA/m<br />
N · I<br />
d 2 + l = 2,5 · 400<br />
= 22630 A/m<br />
2<br />
4 ·10 −2 2 2 ·10 −2 2<br />
<br />
In de volgende hoofdstukken zal je deze berekening verder uitwerken.<br />
Magnetische veldsterkte H <br />
F<br />
m m<br />
Elektromagnetisch veld rond rechte stroomvoerende geleider<br />
Zin: eerste regel van Maxwell of kurkentrekkerregel<br />
I<br />
Grootte: H <br />
2· · r<br />
met r: loodrechte afstand tot geleider<br />
Elektromagnetisch veld rond stroomvoerende winding<br />
Zin: tweede regel van Maxwell of kurkentrekkerregel<br />
Grootte: (in het midden)<br />
H =<br />
I<br />
2·r<br />
Elektromagnetisch veld rond stroomvoerende solenoïde<br />
Zin: regel van Maxwell of kurkentrekkerregel<br />
Grootte: (in het midden)<br />
N · I<br />
H a =<br />
d 2 + l 2<br />
Bij een lange spoel (d
18<br />
................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................<br />
Tabel<br />
Grootheid<br />
Eenheid<br />
Naam Symbool Naam Symbool<br />
lengte l meter m<br />
massa m kilogram kg<br />
tijd t seconde s<br />
stroomsterkte I ampère A<br />
snelheid v m/s<br />
versnelling a m/s 2<br />
kracht F newton N = kg·m/s 2<br />
arbeid /energie W joule J = N·m<br />
lading Q coulomb C = A·s<br />
spanning U volt V= J/C<br />
weerstand R ohm <br />
geleidbaarheid G siemens (mho) S<br />
vermogen P watt W, kW, mW, ...<br />
rendement onbenoemd -<br />
temperatuurscoëfficiënt 1/K<br />
magnetische massa m weber Wb<br />
magnetische veldsterkte H newton per weber<br />
ampère per meter<br />
N/Wb<br />
A/m<br />
aantal wikkelingen N onbenoemd -<br />
magnetische flux weber Wb<br />
magnetomotorische<br />
kracht of<br />
ampèrewindingen<br />
F m =Aw<br />
ampère of<br />
ampèrewindingen<br />
A<br />
HOOFDSTUK 1-<strong>MAGNETISME</strong> & <strong>ELEKTRICITEIT</strong>