I think I can safely say that nobody understands quantum mechanics.
Richard Feynman
De wetenschap van elektromagnetisme is een van de belangrijkste vakgebieden die we kennen. Voor toepassingen in de industrie en voor ons begrip van het universum speelt het een centrale rol.
Misschien besef je het niet direct, maar zonder elektromagnetisme zouden we geen elektriciteit kunnen opwekken of transporteren. We zouden de enorme hoeveelheden energie die we dagelijks gebruiken nooit tot in onze huizen krijgen. Denk daar eens aan wanneer je het licht aandoet, de waterkoker aanzet of tv kijkt.
Elektromagnetisme is dus overal, zoals je zal ontdekken. In dit artikel focussen we op een specifiek verschijnsel: elektromagnetische inductie, het opwekken van elektrische spanning door een veranderend magnetisch veld.
Wat is elektromagnetisme?
Laten we beginnen bij elektromagnetisme. Wat was dat ook alweer?
Magnetisme
We weten wel wat magnetisme is, toch? Sommige materialen zijn magnetisch, wat betekent dat ze een magnetische kracht uitoefenen, terwijl andere dat niet zijn. In die magnetische materialen, en we noemen de materialen die zelfs buiten een extern magnetisch veld magnetisch blijven permanente magneten of ferromagnetische materialen, zijn de ongepaarde elektronen allemaal uitgelijnd, wat betekent dat ze een kracht in een bepaalde richting uitoefenen.
Voor extra hulp bij het begrijpen van deze fundamentele concepten kun je overwegen om een gespecialiseerde docent natuurkunde en wiskunde te raadplegen.
In niet-magnetische materialen gebeurt dit niet, omdat de elektronen daar ofwel allemaal gepaard zijn, ofwel volledig willekeurig geordend zijn.
Deze ferromagnetische materialen, zoals ijzer of nikkel, zijn ofwel vanzelf magnetisch of zijn dat geworden doordat ze in contact zijn geweest met een magnetisch veld. En hoewel deze dingen op zichzelf al interessant zijn, zijn ze lang niet zo handig als elektromagneten, die je aan en uit kunt zetten en die veel en veel krachtiger zijn.
En krachtige magneten kunnen ontzettend veel doen.
Zonder elektromagnetische inductie zouden we geen elektriciteit kunnen opwekken in centrales. Generatoren werken namelijk precies volgens dit principe: beweging wordt omgezet in stroom.
En elektromagnetisme?
Een elektromagneet is ondertussen een magneet die wordt aangedreven door een elektrische stroom.
Elektriciteit zelf heeft een magnetische kracht. En hoewel die kracht zelfs aanwezig is in een eenvoudige koperdraad, en zoals we al zeiden ook in alle minuscule hoeveelheden elektrische lading in elk atoom en elke chemische binding, hebben wetenschappers manieren gevonden om die kracht veel sterker te maken.
Over het algemeen gebruiken elektromagneten draadspoelen, waarbij elke winding rond een stuk metaal loopt, meestal ijzer. Zo’n constructie wordt een solenoïde genoemd. Wanneer er een elektrische stroom door deze draad loopt, wordt het geproduceerde magnetische veld geconcentreerd rond de magnetische kern, het stuk metaal in het midden van de solenoïde. Deze elektromagneten zijn ontzettend sterk, en zodra je de elektriciteit uitschakelt, houdt de solenoïde op gemagnetiseerd te zijn.
Dus ja, een elektromagneet is in feite gewoon een heel sterke magneet. Toch is deze specifieke combinatie van elektriciteit en magnetisme ongelooflijk nuttig. En een van de belangrijkste elektromagnetische inductie toepassingen is precies elektromagnetische inductie zelf, het opwekken van elektromotorische kracht, of emf, of geïnduceerde spanning, door de beweging van een magnetisch veld.
Deze magneten wekken dus elektriciteit op. Zie je nu waarom ze zo nuttig kunnen zijn?
Toepassing
- Generator
- Transformator
- Inductiekookplaat
- Draadloze opladers
- Elektrische motor
Wat gebeurt er?
- Zet beweging om in elektrische energie
- Verandert spanning via inductie
- Verwarmt pannen via magnetische velden
- Laden apparaten zonder direct contact
- Gebruikt magnetische velden voor beweging
Een korte geschiedenis van elektromagnetische inductie
Om het proces en het belang van elektromagnetische inductie het best uit te leggen, is het handig om kort naar de geschiedenis te kijken. Laten we teruggaan naar de allereerste experimenten die dit verschijnsel aan het licht brachten, helemaal terug in de jaren 1830.
Op dat moment bestond de hoefijzervormige elektromagneet al, dankzij de uitvinding van William Sturgeon, en wisten we al dat elektrische stromen zelf ook een magnetische kracht uitoefenen, dankzij de bevindingen van Ampère en Oersted.
Maar het was een man genaamd Michael Faraday die de principes van elektromagnetische inductie ontdekte, toen hij in 1831 een klein experiment uitvoerde en publiceerde.
Michael Faraday
Michael Faraday is uitgegroeid tot een van de invloedrijkste wetenschappers uit de geschiedenis, onder meer doordat zijn werk over magnetisme liet zien hoe deze kracht bijvoorbeeld lichtstralen kan beïnvloeden. Toch was zijn meest invloedrijke experiment het experiment waarmee hij elektromagnetische inductie ontdekte.
Faraday nam een ijzeren ring en wikkelde met twee verschillende stukken draad spoelen rond tegenoverliggende zijden ervan. Toen hij een elektrische stroom door een van de draden liet lopen, verwachtte hij een soort elektrische lading of effect te zien in de tweede draad.
Daarom sloot hij deze tweede draad aan op een galvanometer, een apparaat dat elektrische ladingen meet. En jawel, wanneer hij de batterij bij de eerste draad aan en uit schakelde, gaf de galvanometer een elektrische lading aan. Volgens Faraday kwam dit door de magnetische flux die door het midden van de ring ging.
Om dit te verduidelijken: er werd alleen een elektrische stroom opgewekt wanneer het magnetische veld veranderde. Dus alleen op de momenten dat hij de batterij aansloot en loskoppelde, zag hij een verandering op de galvanometer. Op andere momenten gaf de galvanometer niets aan.
Daarom voerde hij ook een ander experiment uit, waarbij hij een staafmagneet in en uit een draadspoel liet glijden. Ook daar werd dezelfde elektrische lading op de galvanometer waargenomen door de beweging.
De wet van Faraday en de vergelijkingen van Maxwell
Hoewel Faraday het praktische werk deed, werden zijn resultaten niet meteen met veel enthousiasme ontvangen, omdat hij zijn bevindingen niet in wiskundige vorm presenteerde.
Het was James Clerk Maxwell die, dertig jaar later, wiskundig beschreef wat Faraday had aangetoond. De vergelijkingen van Maxwell zijn de naam geworden voor de wetten die beschrijven wat er gebeurt bij elektromagnetische inductie.
Er ontstaat alleen stroom als het magnetisch veld verandert. Een stilstaande magneet doet niets, pas door beweging ontstaat er spanning in een spoel.
Hoe werkt elektromagnetische inductie?
Dus, wat is dit verschijnsel dat Faraday ontdekte nu precies? Eenvoudig gezegd was het belang van zijn ontdekking dat veranderingen in magnetische velden elektrische stromen kunnen opwekken.
Zoals we weten hebben elektrische stromen een magnetisch veld. Dat is precies waar solenoïden om draaien. Maar zoals Faraday liet zien, kun je, als je op dat magnetische veld inwerkt met een andere magneet, het potentiaalverschil of de spanning van de elektrische stroom veranderen.
Als je zo’n magneet in en uit een spoel beweegt, voel je behoorlijk wat weerstand. Maar door die weerstand ontstaat juist de stroom. Beweeg je de magneet sneller, dan neemt de geïnduceerde stroom toe. Maak je het magnetische veld sterker, dan gebeurt hetzelfde.
Op deze manier kunnen magneten dus worden gebruikt om kinetische energie om te zetten in elektrische energie, want door de magneet te bewegen gaat de stroom lopen. Precies zo werken generatoren: zij wekken elektriciteit op door de beweging van een magneet in een magnetisch veld.
Misschien zie je nu waarom dit zo’n ongelooflijk belangrijke ontdekking was. En hopelijk maakt deze elektromagnetische inductie uitleg ook duidelijk waarom zoveel processen in onze moderne wereld hierop steunen.
Hoe inductie werkt in simpele stappen 🔍
- ⚙️ Dit proces wordt gebruikt in vrijwel alle energieopwekking
- 🧲 Een magneet of stroom creëert een magnetisch veld
- 🔄 Dat veld verandert door beweging of wisselstroom
- ⚡ Die verandering wekt spanning op in een spoel
- 🔌 De spanning zorgt voor een elektrische stroom
Hoe gebruiken we elektromagnetische inductie?
Om dit verschijnsel verder te verduidelijken, gaan we kijken naar een van de belangrijkste technologieën die ervan gebruikmaken. Dat is de elektrische generator, een apparaat dat eigenlijk ongelooflijk veel voorkomt. Van elektriciteitscentrales, waar bijvoorbeeld brandstoffen worden verbrand om het magnetische veld aan te drijven, tot auto’s en piepkleine motortjes in allerlei apparatuur, deze dingen zijn overal.
Dit zijn stuk voor stuk klassieke elektromagnetische inductie toepassingen, en ze laten goed zien waarom dit onderwerp zo belangrijk is binnen de natuurkunde.
Elektrische generatoren
Elektrische generatoren werken door een magnetisch veld te produceren waarin andere gemagnetiseerde spoelen worden bewogen.
Auto’s gebruiken bijvoorbeeld een wisselstroomgenerator, of alternator, om ervoor te zorgen dat de accu geladen blijft. Bij wisselstroom beweegt de geïnduceerde stroom voortdurend in afwisselende richtingen, vandaar de naam.
Stel je een magnetisch veld voor in een afgesloten ruimte. In het midden van die ruimte bevindt zich een draaiende draadspoel waar stroom doorheen loopt.
Zoals je je kunt voorstellen, zal er interactie en weerstand ontstaan tussen de draadspoel, met zijn eigen magnetische veld, en het algemene magnetische veld in de generator.
Wanneer één kant van de draaiende spoel omhoog beweegt, wordt er een positieve stroom geïnduceerd. Wanneer diezelfde kant weer omlaag beweegt, gebeurt het omgekeerde. Daardoor krijg je een stroom die voortdurend verandert.
In een gelijkstroomgenerator, dus een DC-generator, is er een mechanisme dat ervoor zorgt dat de bewegingen in het magnetische veld worden omgekeerd, zodat er geen afwisseling meer plaatsvindt.
Waarom AC gebruiken?
Wisselstroom, of AC, komt veel vaker voor in grote elektrische installaties. Dat komt doordat het veel gemakkelijker te transporteren is dan DC. Je kunt de spanning verhogen terwijl de stroomsterkte klein blijft.
Maar juist door die hoge spanning heb je transformatoren nodig om die stroom bruikbaar te maken. En over transformatoren kun je alles leren in ons artikel daarover.
Als afsluiting is het goed om te onthouden dat elektromagnetische inductie een van de belangrijkste ontdekkingen in de geschiedenis van de natuurkunde is. Zonder dit principe zouden veel moderne systemen eenvoudigweg niet bestaan. Daarom blijven elektromagnetische inductie toepassingen zo’n belangrijk onderdeel van techniek, industrie en energievoorziening. En nogmaals, voor wie zoekt op elektromagnetische straling inductie, deze tekst ging specifiek over inductie door veranderende magnetische velden, niet over elektromagnetische straling.
📊 Poll: Wat vind jij het meest fascinerend aan elektromagnetische inductie?
Samenvatten met AI
Vond je dit artikel leuk? Laat een beoordeling achter!
Laden...
