The great tragedy of science is the slaying of a beautiful hypothesis by an ugly fact.
Thomas Henry Huxley
Een interessante vraag is: hoe zou de wereld eruitzien zonder elektromagneten?
Magneten en een elektromagnetisch veld komen van nature voor, maar een elektromagneet niet. Die moest worden uitgevonden, en dat gebeurde pas relatief laat. Toch zijn elektromagneten inmiddels onmisbaar in technologie, industrie en allerlei toepassingen in huis.
Meer leren over elektromagnetisme natuurkunde is dus allesbehalve theorie alleen. Het helpt je begrijpen hoe veel apparaten werken en waarom elektromagnetische velden zo’n grote rol spelen in ons dagelijks leven.
Dus terug naar de vraag: waar zouden we zijn zonder elektromagneten? Waarschijnlijk nergens ver. Zonder deze technologie zouden veel systemen die we nu vanzelfsprekend vinden simpelweg niet bestaan.
Wanneer ontdekten we de elektromagneet?
Zonder de elektromagneet is de kans groot dat we nog steeds in omstandigheden zouden leven die een beetje lijken op die van de jaren 1820.
Deze technologie werd namelijk pas in de jaren 1820 ontwikkeld, toen twee wetenschappers, een in Denemarken en de andere, William Sturgeon, in Engeland, begonnen te experimenteren met de wisselwerking tussen elektriciteit en magnetisme. Het was Hans Christian Ørsted, of Oersted, die als eerste besefte dat een elektrische stroom een magnetisch veld creëert, terwijl Sturgeon de eerste eenvoudige elektromagneet maakte.
Toch wist lange tijd niemand hoe die koperdraadspoel precies een magnetisch veld kon opwekken. Pas bijna een eeuw later, in 1906, begon een Franse natuurkundige zich over dat probleem te buigen. Met zijn theorie van het magnetische domein kwamen we weer een stap dichter bij het begrijpen van wat er eigenlijk gebeurde in het midden van al die opgerolde draad.
Maar in dit verhaal ontbreken nog twee van de belangrijkste namen uit de geschiedenis van het elektromagnetisme natuurkunde. Misschien heb je wel eens gehoord van Michael Faraday, die het principe van elektromagnetische inductie ontdekte.
Of van André-Marie Ampère, die liet zien dat twee parallelle draden elkaar aantrekken of afstoten afhankelijk van de richting waarin de stroom loopt, en die later zijn naam gaf aan de ampère.
Sindsdien is elektromagnetisme natuurkunde als technologie alleen maar belangrijker geworden, en heeft het onze wereld gevuld met dingen waarvan we ons niet eens realiseren hoe essentieel ze zijn.
Laten we eens kijken naar de wetenschap hierachter.
In tegenstelling tot permanente magneten kun je een elektromagneet precies controleren. Meer stroom betekent een sterker magnetisch veld, minder stroom maakt het veld zwakker of laat het verdwijnen.
Terugblik: wat is magnetisme?
De wetenschap van het elektromagnetisme is gebaseerd op de magneet en alle verschijnselen die ermee samenhangen: de magnetische polen, de magnetische kracht en de geladen deeltjes die dit alles op subatomair niveau aandrijven.
Maar weet je nog precies wat magnetisme is? We bespreken het uitgebreid in ons artikel over magnetisme, maar een korte terugblik is hier handig.
Magnetisme werkt dankzij ongepaarde elektronen. Elektronen zijn deeltjes die deel uitmaken van het atoom, maar in de meeste materialen bestaan elektronen in paren met tegengestelde ladingen. Deze ladingen worden ‘spins’ genoemd en worden gewoonlijk aangeduid als positief en negatief.
Wanneer elektronen gepaard zijn, wordt hun respectieve magnetische moment geneutraliseerd, wat betekent dat ze geen magnetische kracht uitoefenen.
Wanneer ze echter ongepaard zijn, gebeurt die neutralisatie niet. En in echt magnetische materialen, in de wetenschap bekend als ferromagnetische materialen, kunnen deze elektronen spontaan allemaal in dezelfde richting wijzen, waardoor het materiaal echt magnetische eigenschappen krijgt.
Dit ferromagnetisme vind je in materialen zoals ijzer en nikkel.
Situatie
- Liftinstallaties
- Schrootverwerking
- Deurbellen
- Speakers
- MRI-scanners
Waarom elektromagneten nodig zijn
- Gecontroleerde beweging en remsystemen
- Tillen van zware metalen objecten
- Zetten elektrische signalen om in beweging (geluid)
- Vertalen elektrische signalen naar trillingen en geluid
- Gebruiken sterke magnetische velden voor beeldvorming
Wat is elektromagnetisme?
Terwijl dit de manier is waarop magnetisme ‘van nature’ werkt, werken elektromagneten net iets anders. De ontdekkingen van mensen als Ampère, Faraday en Ørsted lagen juist in het inzicht dat dit niet de enige manier was waarop magnetisme werkt.
Zij zagen namelijk dat elektrische stroom ook een magnetisch veld heeft. De ontdekking van Ampère, dat draden met stromen in tegengestelde richtingen elkaar aantrekken, bewees dat.
Bij elektromagnetisme uitleg wordt duidelijk dat de hele draad waar de elektriciteit doorheen stroomt gemagnetiseerd raakt. Dat komt opnieuw door elektronen. Maar in plaats van alleen in een bepaalde richting te wijzen, of netjes op één lijn te liggen, raken elektronen in een elektrische stroom los van hun atomen en bewegen ze langs het materiaal. Dat zorgt voor de magnetische kracht.
Fundamentele interacties
Toch is elektromagnetisme als combinatie van magnetisme en elektriciteit nog veel belangrijker dan alleen de elektromagneet zelf.
Sterker nog, elektromagnetisme wordt beschreven als een van de fundamentele interacties die alle natuurwetten aandrijven, naast zwaartekracht, de zwakke interactie en de sterke interactie. Dat betekent dat elektromagnetisme de kracht is die atomen bijeenhoudt, verantwoordelijk is voor licht, en verantwoordelijk is voor de binding van chemische verbindingen.
Elektromagnetisme natuurkunde is dus een buitengewoon druk en belangrijk terrein. De ontdekking ervan, en ons vermogen om de kracht ervan te benutten, is een ontzettend belangrijk onderdeel van de ontwikkeling van de menselijke wetenschap geweest.
Elektromagneten worden niet alleen gebruikt voor kracht, maar ook voor signalen en schakelingen. Denk aan deurbelmechanismen, relais en speakers.
Hoe werken elektromagneten?
Maar hoe werken deze dingen nu precies, deze elektromagneten? We hebben genoeg gehoord over de achtergrond, maar hoe functioneert een elektromagneet nu eigenlijk?
Een elektromagneet werkt grotendeels op dezelfde manier als een gewone staafmagneet. Net als zo’n normale permanente magneet heeft hij een noordpool en een zuidpool, die gelijke polen van andere magneten afstoten. Ook produceert hij, op dezelfde manier, een magnetisch veld, hetzelfde dat je zichtbaar kunt maken met ijzervijlsel.
Het verschil tussen een elektromagneet en een gewone magneet is echter dat een elektromagneet een veel sterker magnetisch veld heeft. En natuurlijk kun je hem uit- en aanzetten door de stroom uit te schakelen. Juist die twee eigenschappen maken hem bijzonder bruikbaar.
De structuur van een elektromagneet
Zoals we hierboven bespraken, verschilt de fysieke reden voor de magnetische kracht tussen een gewone ferromagneet en zijn elektromagnetische variant. In het eerste geval zijn de elektronen uitgelijnd. In het tweede geval is het de stroom van elektronen, dus elektriciteit, die het magnetisch veld produceert.
Draden zelf zijn dus al magnetisch, zoals Ampère aantoonde. Maar om een elektromagneet te maken, gebruiken we een verfijndere methode.
Die methode is gebaseerd op draadspoelen. Neem een cilindervormig stuk ferromagnetisch metaal, zoals ijzer, en wikkel daar een draad omheen, meestal van koper. Zodra je de elektriciteit inschakelt, loopt de stroom door de draad en wordt het metaal in het midden gemagnetiseerd, net als een permanente magneet.
Schakel je de elektriciteit uit, dan houdt het metaal op magnetisch te zijn.
Zo eenvoudig is het eigenlijk. Strikt genomen heb je die ijzeren kern niet eens nodig, want het magnetisch veld dat de spoel zelf produceert is al geconcentreerd rond het gat in het midden van de spoel. Maar die ijzeren kern, of magnetische kern, maakt de elektromagneet nog veel krachtiger, duizenden keren krachtiger.
Je zou zelf een elektromagneet kunnen maken als je dat wilde. Maar wees voorzichtig en doe het alleen onder toezicht.
Waar gebruiken we elektromagneten voor?
Laten we dus terugkeren naar die vraag: hoe zou de wereld eruitzien zonder elektromagneten? Het is echt een fascinerende vraag, en misschien kunnen we die beter formuleren als: welke dingen zouden we niet hebben als we geen elektromagneten hadden?
Het antwoord is waarschijnlijk behoorlijk lang. Maar we kunnen het beantwoorden aan de hand van enkele van de krachtigste en meest alledaagse technologieën die gebruikmaken van elektromagnetische velden. Ze zijn werkelijk overal.
Elektromotoren en generatoren
Een elektromotor, die je vindt in auto’s en in allerlei andere machines, is afhankelijk van de interactie tussen een magnetisch veld en een elektrische stroom.
Deze motoren bestaan uit een stator, een magneet aan de rand van de motor die stilstaat, en een rotor, een draaiende elektromagneet die bijna identiek is aan de spoel die hierboven werd beschreven.
Wanneer er elektriciteit door de spoel wordt gestuurd, wordt de spoel aangetrokken door de stator, die vervolgens wordt omgedraaid zodat hij de spoel weer afstoot. Daardoor blijft de spoel voortdurend draaien en ontstaat er mechanische energie.
Deze motoren zitten trouwens in alles, van je computer tot je koptelefoon, van je oven tot je harde schijf.
Generatoren zijn mechanisch gezien hetzelfde, ze werken alleen in de omgekeerde richting. Voor verdere hulp bij het begrijpen van deze principes kun je overwegen een docent natuurkunde en wiskunde te raadplegen.
Hoe een elektromagneet werkt 🔍
- ⛔ Zonder stroom verdwijnt het magnetisme
- 🧲 Een draad wordt om een metalen kern gewikkeld
- ⚡ Er loopt elektrische stroom door de spoel
- 🔄 De bewegende elektronen creëren een magnetisch veld
- 🧱 De kern versterkt dit magnetische veld
Transformatoren
Omdat elektriciteitsleidingen honderdduizenden volts kunnen vervoeren, moet die elektriciteit eerst in spanning worden verlaagd voordat ze je broodrooster bereikt, dat maar ongeveer tweehonderd volt nodig heeft. Dat is wat een transformator doet.
Dat werkt via de plaatsing van twee spoelen. De hoge elektrische spanning gaat door de eerste spoel. Als je daar een tweede spoel naast zet met minder windingen, springt de elektrische stroom over naar die tweede spoel, maar dan met een lagere spanning.
Zonder dit soort toepassing van elektromagnetische velden zou je geen enkel elektrisch apparaat in huis kunnen gebruiken.
Magnetische levitatie
Een van de coolste dingen die mensen met elektromagneten hebben gedaan, is magnetische levitatie, of maglev. Dit is een transportsysteem waarbij treinen zweven en daardoor sneller en efficiënter kunnen rijden doordat er geen wrijving is.
Hiervoor zijn twee sets van zeer sterke magneten nodig. Eén set tilt de trein van de rails op en de andere stuwt hem vooruit over het spoor.
Juist dit soort toepassingen laat goed zien waarom elektromagnetisme uitleg niet alleen theorie is, maar direct verbonden is met technologieën die onze wereld letterlijk in beweging houden.
📊 Poll: Waar zie jij elektromagneten het meest terug?
Samenvatten met AI
Vond je dit artikel leuk? Laat een beoordeling achter!
Laden...
