Samenvatting Newton Natuurkunde magnetisme (H9) (klas 5)

§2: Permanente magneet: magnetische werking verandert niet. Magneet (ijzer met hoog koolstofgehalte) heeft magneetpolen, noordpool en zuidpool. Gelijknamige polen hebben afstotende magnetische werking, tegenovergestelde polen hebben aantrekkende werking.

Een magneet en een niet-magneet oefenen onderling ook magnetische kracht op elkaar uit, die is altijd aantrekkend. Stoffen als ijzer, nikkel en kobalt zijn opgebouwd uit minuscuul kleine magneten, elementaire magneten. Deze theorie wordt weergegeven met een model. De elementaire magneten worden als pijlen (pijlpunt is noordpool). NB: kracht is bij de polen het sterkst. Weekijzer = niet-magneet.

Permanente magneten hebben geordende elementaire magneten waardoor vaste polen ontstaan (moeilijk draaibare elementaire magneten). In een stof als weekijzer zijn de elementaire magneten ongeordend en makkelijk draaibaar. In de buurt van een magneet raken ze geordend en daardoor krijgt het weekijzer magnetische eigenschappen. Dit heet magnetische influentie. Wordt de magneet weggehaald, verliest het de magnetische eigenschappen en raken de elementaire magneten weer ongeordend. 

Magnetische veldlijnen lopen buiten de magneet van noord- naar zuidpool, binnen de magneet van zuid- naar noordpool. NB: het zijn krommen. 

Magnetische inductie (B): sterkte ve magnetisch veld in tesla (T) met grootte en richting (vectorgrootheid). Hoe groter de veldlijnendichtheid (hoe dicht de veldlijnen op elkaar liggen) des te groter de magnetische inductie. De raaklijn vd veldlijn is de richting vd kracht (noorden ve naaldmagneet wijst in dat punt naar de zuidpool). 

Stroomspoel en stroomdraad hebben ook magnetische werking: elektromagnetisme. Elektromagneet zet je aan/uit door de stroom aan/uit te zetten.

Magnetisch veld in een stroomspoel is vergelijkbaar met een staafmagneet. Rechterhandregel: gekromde vingers geven draairichting vd stroom door de windingen aan. Uitgestrekte duim = richting vd veldlijnen. 

Omkeren vd stroomrichting -> noord- en zuidpool wisselen om.

In een spoel geldt: hoe groter de stroomsterkte (I) en aantal windingen (N) per meter spoellengte (l), des te groter de veldlijnen dichtheid, des te groter de magnetische inductie. Binnen een spoel is de veldlijnendichtheid en de richting vd veldlijnen hetzelfde, dus de magnetische inductie is overal gelijk. Dit heet een homogeen magnetisch veld.

B = µo * (N * I)/l
B magnetische inductie in T
µo constante van magnetische permeabiliteit in vacuüm of lucht.
N aantal windingen vd spoel
I stroomsterkte in A
l spoellengte in m

De magnetische werking ve stroomspoel kan worden versterkt door een spoelkern van weekijzer erin te zetten. In de gemagnetiseerde kern worden de elementaire magneten geordend waardoor het magnetisch veld vh weekijzer het magnetisch veld vd stroomspoel versterkt. Wordt de stroom uitgeschakeld, dan verliest de stroomspoel zijn magnetische kracht. 

Ook een rechte stroomdraad heeft magnetische veldlijnen. Rechterhandregel: de uitgestoken duim wijst in de richting vd stroom, de gekromde vingers geven de richting vd magnetische veldlijnen rond de draad aan. De magnetische inductie hangt af vd stroomsterkte en de afstand vd veldlijnen tot de draad (Hoe groter de stroomsterkte en hoe kleiner de afstand, des te groter is de magnetische inductie)

§3: een andere magneet in het magnetisch veld ve rechte stroomdraad ondervindt een magnetische kracht en vice versa. Dit is de lorentzkracht.

De lorentzkracht op een stroomdraad in een magnetisch veld staat loodrecht op de stroomsterkte in die draad én loodrecht op de magnetische inductie vh magnetische veld. Rechterhandregel: uitgestrekte duim is de stroomsterkte, de uitgestrekte vingers is de magnetische inductie en loodrecht op de handpalm staat de lorentzkracht. 

Fl = B * I * l
Fl lorentzkracht in N
B magnetische inductie in T (NB: tesla is N/(Am))
I stroomsterkte in A
l lengte vd stroomdraad in m

Deze formule geldt alleen als de lorentzkracht loodrecht op de stroomrichting staat. Is de hoek geen 0°, 90° of 180°, dan is de lorentzkracht kleiner dan de formule aangeeft. Is de hoek 0° of 180°, dan is er geen lorentzkracht. 

Net als in een rechte stroomdraad ondervindt ook een stroomspoel in een magnetisch veld de lorentzkracht. De eenvoudigste vorm ve stroomspoel is 1 winding in een rechthoekige vorm.

In de zijden QR en SP is de stroom gelijk of tegengesteld aan de magnetische inductie. Er is dus geen lorentzkracht. In de zijden RS en PQ staat de stroom loodrecht op de magnetische inductie dus is er wel lorentzkracht. Hier geld Fl = B * I * l. Bij meer windingen geldt Fl = B * I * l * N (N = aantal windingen). SR: Fl omhoog, PQ: Fl omlaag. Beide krachten staan loodrecht op de draaias en hebben hetzelfde moment Ml. Dit zorgt voor een draaibeweging rechtsom totdat het plaatje verticaal is. In de zijden RS en PQ is de stroom dan gelijk of tegengesteld aan de magnetische inductie. Er is dus geen lorentzkracht. In de zijden QR en SP staat de stroom loodrecht op de magnetische inductie dus is er wel lorentzkracht. Toch draait het plaatje niet verder want de lorentzkracht is evenwijdig met de draaias.

Examencontext 1: Aardmagnetisch veld

De aarde heeft ook een magnetisch veld: het aardmagnetisch veld. Je kunt het zien alsof de aarde een inwendige magneet heeft. De zuidpool ligt in het noorden en vice versa (dit is logisch omdat een kompasnaald, die noordelijk is, naar het noorden wijst omdat daar de zuidpool vd aarde zit, zuid trekt noord aan). Er is een maar: het magnetische zuiden is niet precies gelijk aan het geografische noorden, maar er iets naast. De afwijking tov het geografische noorden verschilt per plek en wordt declinatie genoemd. Verder verandert de as vd "magneet in de aarde" elk jaar een beetje.

 Examencontext 2: relais

2 stroomkringen: links met elektromagneet en schakelaar S, rechts met lampje, contactpunten C, B en M en ijzeren plaatje. Wanneer S dicht is, gaat er stroom Door de elektromagneet die het plaatje aantrekt waardoor de 2 stroomkringen verbonden worden en het lampje gaat branden. Als er 2 schakelaars zijn zoals hier, gaat het als volgt. Wordt de 2e stroomkring aangesloten op C en B, zorgt de stroom voor het openen vd schakelaar (lampje uit). Wordt de 2e stroomkring aangesloten op C en M, zorgt de stroom voor het sluiten vd schakelaar (lampje aan). B = breek, M = maak.

Examencontext 3: reedcontact

 Reedcontact: kleine schakelaar in glazen buisje. Normaal gesproken is de schakelaar open, maar in de buurt van een magneet gaat hij dicht. Kan maar een lage spanning bevatten.

Examencontext 4: bel

Wanneer iemand op de drukschakelaar S drukt, is de stroomkring gesloten. Stroom gaat lopen, de elektromagneet trekt het ijzeren plaatje aan waardoor de klepel tegen de bel gaat, maar tegelijkertijd wordt hierdoor het contact met contactpunt B verbroken. De stroom stopt, waardoor het ijzeren plaatje niet meer wordt aangetrokken en terug tegen B gaat. De stroom treedt weer in werking. Dit proces blijft zich herhalen, waardoor de bel rinkelt.

Examencontext 5: luidspreker

De ronde noordpool met daar omheen de ringvormige zuidpool vd permanente magneet zorgt voor een magnetisch veld waar de windingen vd spoel inzitten. De magnetische inductie en de stroom in de windingen staan loodrecht op elkaar, waardoor er een voor- of achterwaartse lorentzkracht is. De spoel is aangesloten op een versterker, die een elektrisch signaal uitzendt (in de vorm van wisselspanning). In dit geval is er in de spoel een wisselstroom (grootte en richting veranderen voortdurend) die zorgt voor trillingen (dit komt omdat de lorentzkracht hierdoor ook steeds van richting en grootte verandert). De trillingen vd spoel gaan door naar de conus, die gaat ook trillen en daardoor hoor je een toon.

Examencontext 6: Elektromotor

Je hebt 2 soorten elektromotors: Gelijkstroommotor en wisselstroommotor.

Gelijkstroommotor/draaispoelmotor: werkt op gelijkspanning. Bestaat uit

Rotor: draaiende gedeelte dat bestaat uit een draaias met een aantal spoelen waarin stroom loopt

Stator: stilstaande deel met permanente of elektromagneet die zorgt voor een magneetveld waardoor de rotor gaat draaien

Commutator: zorgt voor stroomtoevoer van bron naar rotor. Bestaat uit aantal metalen ringsegmenten. 2 tegenover elkaar staande segmenten zijn verbonden aan de uiteinden ve spoel ve rotor. Tussen 2 spoelen lopen windingen.

Koolstofborstels: 2 tegenover elkaar geplaatste staafjes koolstof worden door een spiraalveer tegen de ringsegmenten gedrukt en zijn verbonden met de plus en minkant vd spanningsbron. De stroom die door de koolstofborstels loopt naar de ringsegmenten bijvoorbeeld AA', zorgt voor lorentzkracht waardoor de motor gaat draaien (er loopt stroom door 1 en 2). Draait de motor iets, dan geleiden de koolstofborstels naar BB' waardoor de stroom door 2 en 3 loopt enz.hoemgroter B, I en l, des te sterker de motor.

Examencontext 7: Draaispoelmeter

Een draaispoelmeter werkt hetzelfde als een gelijkstroommotor. Een rotor die draait in het magnetisch veld ve stator. De as vd rotor is vastgeklemd tussen 2 spiraalveren. Naarmate er meer stroom door de spoel loopt, is het moment vd lorentzkrachten groter. De spoel blijft draaien tot er een momentevenwicht is tussen het moment vd lorentzkrachten en het moment vd tegenwerkende spiraalveer. Als er een wijzer wordt bevestigd aan de as die beweegt langs een schaalverdeling, kan zo de stroomsterkte worden gemeten. Het magnetisch veld vd draaispoelmeter is radiaal: de lorentzkrachten staan door de vorm vd spoel en de stator altijd loodrecht op het oppervlak vd spoel. Daardoor is de beweging vh moment vd lorentzkracht altijd constant. Het moment vd veerkracht is evenredig met de draaihoek. Deze 2 dingen zorgen ervoor dat het verband tussen de stroomsterkte en de schaalverdeling ook recht evenredig is.