Nothing happens until something moves.
Albert Einstein
In de moderne wereld gebruiken we magneten op enorm veel verschillende manieren. Van de manier waarop een koelkastdeur sluit tot de manier waarop je koptelefoon muziek afspeelt, van het opwekken en transporteren van elektriciteit tot de motor in je auto. Al deze dingen maken op de een of andere manier gebruik van magnetische kracht.
Gezien hoe alomtegenwoordig magneten vandaag de dag zijn, zou onze beschaving zonder hen behoorlijk nutteloos zijn. We zouden geen manier hebben om elektrische stromen door het hele land te verplaatsen. Al onze elektromotoren zouden nutteloos zijn. En we zouden niet over afstand kunnen communiceren, iets waar we inmiddels zo aan gewend zijn geraakt.
Daarom zouden we deze dingen niet als vanzelfsprekend moeten beschouwen. In plaats daarvan zouden we, en dan bedoelen we allemaal, niet alleen wetenschappers, moeten proberen te begrijpen waar het allemaal om draait: hoe ze werken, wat de speciale relatie is tussen elektriciteit en magnetisme, en hoe ze onze wereld draaiende houden.
Dat is onze speciale taak in deze reeks artikelen: iedereen laten begrijpen waarom elektronen bijvoorbeeld een magnetisch moment hebben, of waarom een elektrische stroom een magnetisch veld kan produceren. Waarom magnetische flux een elektrische lading kan opwekken, of waarom al deze zaken zo belangrijk zijn voor onze wereld.
Laten we eens kijken, van de basis van het magnetisch veld tot de belangrijkste magnetische technologieën.
Wat is magnetisme?
Laten we beginnen met wat is magnetisme.
Magnetisme is de kracht, aanwezig in en tussen alle objecten, die wordt geproduceerd door de beweging van elektronen en die resulteert in de aantrekking en afstoting van verschillende objecten. Het is een kracht zonder direct contact die elk afzonderlijk object in de wereld in meerdere of mindere mate beïnvloedt, en die voortkomt uit de beweging van deze subatomaire deeltjes, elektronen, en hun elektrische lading.
Wat vaak als twee aparte krachten wordt gezien, elektriciteit en magnetisme, is in werkelijkheid één verbonden natuurkundig principe. Elektromagnetisme vormt een van de fundamentele krachten die onze wereld mogelijk maken.
Elektronen, magnetische momenten en de drie soorten magnetisme
Elk atoom in een stof bestaat uit deeltjes, waaronder neutronen, elektronen en protonen. Bij wat is magnetisme zijn het de elektronen die het werk doen.
Deze bewegen meestal rond de neutronen, en ze hebben elk hun eigen lading, positief of negatief. Wat over het algemeen gebeurt, is dat elektronen een paar vormen met elektronen van een tegengestelde lading, wat betekent dat een elektron met een negatieve lading gepaard zou zijn met een positief geladen elektron.
Daardoor zou het materiaal relatief stabiel zijn, omdat elke lading de andere opheft. Wanneer stoffen gepaarde elektronen hebben, noemen we dat diamagnetisme.
Er zijn echter veel soorten materialen, waaronder zuurstof, die ongepaarde elektronen hebben. Wanneer dat gebeurt, wordt de stof veel magnetischer, omdat de elektronen zich allemaal kunnen uitlijnen. In de meeste van deze materialen gebeurt dat echter niet, omdat de magnetische momenten van elk van deze afzonderlijke elektronen niet gelijk zijn, tenzij ze onder invloed staan van een extern magnetisch veld.
Deze stoffen, die alleen magnetisme vertonen wanneer ze zich in een extern magnetisch veld bevinden, noemen we paramagnetisch.
En ten slotte zijn er de ferromagnetische stoffen. Dat zijn de magnetische materialen met ongepaarde elektronen met hetzelfde magnetische moment. Dat betekent dat ze spontaan magnetisch kunnen worden, en magnetisch blijven zelfs nadat een extern magnetisch veld is verwijderd.
Wat is dan het magnetisch veld?
Elke magneet of elk magnetisch object heeft een magnetisch veld, de ruimte rondom de magneet waarin de magnetische kracht aanwezig is. Het is de ruimte die wordt beïnvloed door de magnetische lading van de magneet.
Permanente magneten en elektromagneten hebben blijvende magnetische velden, die je meestal ziet weergegeven met ijzervijlsel dat zich rangschikt volgens de vorm van de magnetische veldlijnen. Deze volgen de stroom van de noordpool van de magneet naar de zuidpool.
Om deze concepten verder te verkennen, kun je een gekwalificeerde natuurkundedocent zoeken.
Magnetische velden veranderen afhankelijk van de sterkte van de magneet.
Toepassing
- Elektromotor
- Generator
- Transformator
- Spoel (solenoïde)
- Elektromagneet
- Inductie
Wat gebeurt er
- Elektrische stroom omgezet in beweging
- Beweging omgezet in elektrische energie
- Spanning wordt verhoogd of verlaagd
- Creëert een magnetisch veld via stroom
- Tijdelijk magnetisch veld door elektriciteit
- Verandering magnetisch veld wekt stroom op
Wat is een elektromagneet?
Afgezien van de magnetische momenten van elektronen is het andere verschijnsel dat magnetische velden produceert elektrische lading. Deze ontdekking, terug in de jaren 1830, was een van de belangrijkste uit de geschiedenis, omdat ze de link legde tussen magnetisme en elektriciteit.
We hebben zojuist gezien dat elektronen in een stof een magnetische lading hebben door hun beweging binnen het magnetische materiaal.
Maar de plaats waar elektronen echt bewegen, is in elektrische stromen, die in feite gewoon de beweging van elektronen zijn. Terwijl stromen door een draad lopen, wordt de draad gemagnetiseerd doordat de beweging van de elektronen het magnetische veld produceert.
Het was André-Marie Ampère die dit ontdekte, toen hij aantoonde dat parallelle draden elkaar zouden aantrekken of afstoten, afhankelijk van de richting waarin de stroom liep. Hij gaf later trouwens ook zijn naam aan de ampère.
Hoe maak je een elektromagneet?
Sinds de allereerste elektromagneten is de technologie niet veel veranderd. Ze zijn wel sterker geworden, maar de algemene structuur van de apparaten is hetzelfde gebleven.
Elektromagneten bestaan uit een spoel van draad, gewikkeld rond een metalen kern, meestal een ferromagnetisch materiaal zoals ijzer. Door de draadspoel wordt een elektrische stroom gestuurd, waarvan het magnetische veld wordt geconcentreerd in het gat in de spoel, dus in de ijzeren kern. Deze hele structuur staat bekend als een solenoïde, en wordt nog steeds gebruikt op alle plaatsen waar elektromagnetisme in werking is.
Zodra de elektrische stroom wordt uitgeschakeld, houdt de solenoïde op magnetisch te zijn.
Experimental research is the highest form of scientific experience.
Michael Faraday
Een opmerking over de relatie tussen magnetisme en elektriciteit
Hoewel we weten dat elektriciteit een magnetisch veld produceert, en dat magnetische velden afhankelijk zijn van elektronen, is het onderscheid tussen iets dat magnetisme heet en iets afzonderlijks dat elektriciteit heet, eigenlijk onjuist.
Dit zijn geen losstaande krachten. Het zijn eerder twee kanten van hetzelfde fysieke principe. Elektromagnetisme als verschijnsel is in werkelijkheid een van de fundamentele krachten in het universum.
Praktische toepassingen van elektromagnetisme
- 🧲 MRI-scanners in de medische wereld
- ⚡ Elektriciteitsnetwerken en energievoorziening
- 🔌 Transformatoren die spanning aanpassen
- 🚆 Elektromotoren in voertuigen en machines
- 📱 Elektronica zoals telefoons en laptops
- 🎧 Audioapparatuur zoals koptelefoons en speakers
Wat is elektromagnetische inductie?
Een van de nuttigste ontdekkingen in de geschiedenis van het elektromagnetisme werd gedaan door Michael Faraday, een Britse wetenschapper uit de negentiende eeuw. Dat werd bekend als elektromagnetische inductie, en het blijft tot op de dag van vandaag een van de kernelementen van onze kennis over elektromagnetisme.
Faradays experimenten richtten zich op de manier waarop elektrische ladingen door magnetische velden kunnen worden beïnvloed. Hij concludeerde dat veranderingen in een magnetisch veld kunnen worden gebruikt om een elektrische stroom op te wekken.
Dat klinkt ingewikkeld, maar zijn praktische experimenten waren vrij eenvoudig. Hij nam een ijzeren ring en wikkelde twee verschillende draden rond tegenoverliggende zijden van de ring, waardoor twee solenoïden op hetzelfde stuk ijzer ontstonden.
Hij sloot één draad aan op een batterij en een andere op een galvanometer, een apparaat dat elektrische lading meet. Door de eerste draad met de batterij te verbinden en weer los te maken, ontstond er een verandering in de lading die door de galvanometer werd gedetecteerd. Voor Faraday bewees dit dat de verandering in het magnetische veld in de ijzeren ring een elektrische stroom in de andere draad kon opwekken.
Om zijn ideeën over deze specifieke relatie tussen elektriciteit en magnetisme verder te bewijzen, deed hij nog een experiment. Hij nam een solenoïde zonder kern, dus alleen een draadspoel, en bewoog een staafmagneet in en uit de spoel. Wanneer hij de magneet sneller bewoog, ontdekte hij dat er een grotere stroom in de draad werd geproduceerd.
Waarom was dit zo belangrijk? Omdat Faraday de weg vrijmaakte voor de kennis dat elektrische stromen niet alleen door draden lopen, terwijl hij tegelijkertijd de theoretische basis legde waarop we elektrische energie zijn gaan opwekken door het magnetische veld te manipuleren.
Magnetisme ontstaat door de beweging van elektronen. Zonder deze kleine deeltjes en hun lading zouden er geen magnetische velden bestaan en dus ook geen technologie zoals motoren of generators.
Wat is een transformator?
Transformatoren zijn het cruciale stukje technologie dat gebruikmaakt van de wetenschap van elektromagnetische inductie.
Het zijn misschien wel de meest voorkomende elektrische apparaten op aarde, waarbij bijna alle elektrische energie die we opwekken en gebruiken tijdens haar reis door minstens één transformator gaat.
Dus, wat zijn transformatoren? Een transformator is een statisch apparaat dat een stroom met hoge spanning verandert in een stroom met veel lagere spanning. Dat doet hij door de aanwezigheid van twee aangrenzende solenoïden en door Faradays elektromagnetische inductie.
Door het hele land wordt elektriciteit vervoerd via enorme netwerken. Maar om de kosten laag te houden, wordt de elektriciteit die wordt getransporteerd op zeer hoge spanning vervoerd. Dit, in plaats van een hoge stroomsterkte, vermindert energieverlies en betekent dat de draden zelf niet enorm groot hoeven te zijn.
Wij kunnen elektriciteit met hoge spanning echter niet rechtstreeks gebruiken. Dus voordat de elektriciteit lokaal wordt verdeeld naar onze huizen, moet ze worden omgezet in elektriciteit met lagere spanning. Daar dienen transformatoren voor.
Spanning verlagen
Faradays wet laat zien hoe elektromagnetische inductie kan worden gebruikt om de spanning van elektrische stromen te verlagen en te verhogen.
Denk terug aan zijn experiment: hij gebruikte twee verschillende spoelen, waarbij veranderingen in het magnetische veld tussen beide een elektrische stroom in de tweede spoel opwekten.
Als je echter het aantal windingen in de draad varieert, kun je de spanning van de opgewekte stroom veranderen. Stel dat je tien windingen op de eerste draad hebt, dan kun je eenvoudig het aantal windingen op de tweede halveren en krijg je de helft van de spanning. Dat is precies hoe transformatoren werken.
Als je extra ondersteuning nodig hebt bij het verkennen van de gecombineerde principes van natuurkunde en wiskunde, kun je overwegen om met een docent natuurkunde en wiskunde te werken om je begrip te verdiepen.
📊 Poll: Wat vind jij het meest fascinerend aan elektromagnetisme?
Samenvatten met AI
Vond je dit artikel leuk? Laat een beoordeling achter!
Laden...
