Elektromagnetisme: Deel 2: magnetisme

Play

De wetten van Maxwell die het gedrag van elektromagnetisme beschrijven zijn één van de 6 fundamentele wetten waarop gans de wetenschap steunt. De andere vijf zijn de wetten van Newton, de evolutietheorie, de thermodynamica, de relativiteitstheorie en de kwantummechanica. Een begrip van deze wetten is ook belangrijk om fenomenen zoals klimaatverandering te begrijpen. Daarom is het tijd om hier even dieper op in te gaan.

Inleiding
Goeiedag, het is vandaag zondag 28 juni 2020, ik ben Jozef Van Giel en dit is de 405de aflevering van deze podcast.
Ik hoopte met de inleidende afleveringen op het broeikaseffect voldoende basis te hebben gegeven op het gebied van fysica om alles wat ik in de vorige aflevering uitlegde te begrijpen. Maar tijdens het inspreken stelde ik vast dat ik over enkele begrippen rond elektromagnetische te snel gegaan ben en de achterliggende fysica niet voldoende had uitgelegd. Daarom ben ik beginnen schrijven aan een aflevering waarin ik de beginselen van elektromagnetisme uitleg..
Het werden uiteindelijk 3 afleveringen…
In de eerste aflevering heb ik wat uitleg gegeven over elektrostatica. In deze aflevering spreek ik over magnetisme en het verband tussen magnetisme en elektriciteit. In de derde en laatste aflevering spreek ik over elektromagnetische golven en leg ik uit dat dit eigenlijk het gevolg is van dezelfde fysische wetten als elektriciteit en magnetisme.
Ik hoop dat je na deze aflevering toch een andere kijk zal krijgen op wat je in je dagelijkse leven allemaal tegen komt.
Vandaag horen jullie het tweede deel van deze reeks.
Elektromagnetisme: Deel 2: magnetisme

Laat me eerst de belangrijkste zaken uit de vorige aflevering samenvatten.

Objecten die elektrostatisch geladen zijn stoten elkaar af als ze dezelfde soort lading hebben en trekken elkaar aan als ze tegengestelde lading hebben. Elektrostatische lading wordt veroorzaakt door protonen en elektronen en een voorwerp is elektrostatisch geladen als het aantal elektronen niet overeenkomt met het aantal protonen. Als je een geleider elektrostatisch oplaadt dan zal de lading zich over de buitenkant van de geleider verspreiden.

De omgeving van een elektrisch geladen voorwerp waar andere elektrisch geladen voorwerpen een kracht ondervinden heet een elektrisch veld. Het verschil in potentiaal tussen twee punten in zo’n veld wordt in volt uitgedrukt. Doordat in zo’n veld een kracht wordt uitgeoefend op een geladen object kan dat object arbeid leveren als het over een potentiaalverschil beweegt. Dus bevat het elektrische energie. Die energie is gelijk aan zijn lading maal het potentiaalverschil tussen het startpunt en het eindpunt.

Ladingen die bewegen noemen we een elektrische stroom. Elektrische stroomsterkte is dus lading per seconde. Bijgevolg vertegenwoordigt een elektrische stroom die door een potentiaalverschil vloeit een energie per seconde. Dat heet vermogen. Dus is het vermogen van zo’n systeem gelijk aan de spanning (of het potentiaalverschil) maal de stroomsterkte.

Elektrische stroom loopt van de plus naar de min, dat is niet meer dan een afspraak. Omdat elektronen een negatieve lading hebben stromen de elektronen van min naar plus.

Als er iets van wat ik tot nu toe zei niet duidelijk is, dan moet je nog eens naar de vorige aflevering luisteren.

 

Wanneer elektronen door een geleider bewegen, wanneer er dus een elektrische stroom door die geleider loopt, ontstaat er een magnetisch veld rond de geleider. Als je kijkt in de richting van de stroom, dus van plus naar min, dus omgekeerd van de elektronenstroom, dan draait dat magnetisch veld met de klok mee. Dat wordt de kurkentrekkerregel genoemd. Als je een kurkentrekker doet meedraaien met dat magnetisch veld, dan zal het zich in de kurk boren in de richting van de elektrische stroom. Dat betekent dat als je in de buurt van die geleider een kompas legt, dan zal dat kompas zich loodrecht op de geleider leggen en zo dat als je langs de geleider in de richting van de stroom kijkt, de noordpool van het kompas naar rechts zal wijzen als het boven de geleider geplaatst wordt, naar links als het onder de geleider geplaatst wordt, naar beneden rechts van de geleider en naar boven links van de geleider. De kurkentrekkerregel is gemakkelijk te onthouden, iedereen weet hoe je een kurkentrekker in een kurk moet draaien. In de lessen elektriciteit spreekt men ook altijd van een linkerhandregel en een rechterhandregel om uit te leggen welke krachten een geleider ondervindt, maar ik heb dat nooit kunnen onthouden. Ik vond dat te moeilijk. Het goede nieuws is dat je dan niet nodig hebt. Je kan al het gedrag van magnetische velden en elektrische geleiders afleiden uit de kurkentrekkerregel en uit het feit dat gelijke magnetische polen elkaar afstoten en tegengestelde elkaar aantrekken.

Volgens de wet van Gauss, waar we vorige keer over spraken, zal de sterkte van dit veld afnemen met de afstand tot de geleider en niet met het kwadraat van de afstand. Waarom? Er vormen zich concentrische cirkels rond die geleider en geen concentrische bollen, en de omtrek van die cirkels is evenredig met de straal en niet met het kwadraat van de straal.

Dit principe kan je gebruiken om een bel te bouwen. Toen ik 12 was heb ik dat ooit gedaan. Alles wat je daarvoor nodig hebt is twee plankjes, twee nagels, een metalen plaatje, een bout en moer, een latje, een batterij en een geïsoleerde elektrische draad. Aan de ene kant van het ene plankje klop je de twee nagels gedeeltelijk in de plank. Je windt de draad met zijn isolatie eerst rond de eerste nagel totdat gans het uitstekende deel van die plank bedekt is en dan, in de tegengestelde richting rond de andere nagel. Het tweede plankje maak je vast aan de andere kant van de eerste plank, en wel zo dat ze even hoog uitkomt als de nagels uit het eerste plankje uitsteken. Daarop maak je het stalen plaatje met zijn achterkant vast. De voorkant van dat plaatje moet boven de nagels uitkomen en wel zo dat het de twee nagels bedekt, maar niet aanraakt. Er moet een luchtspleet van enkele millimeters zijn tussen de nagels en het plaatje. Het boutje met moer bevestig je boven de nagels en boven het stalen plaatje zodat dit contact maakt met het plaatje, maar als je het plaatje tegen de nagels duwt is het contact verbroken. Het ene einde van de draad maak je vast aan het metalen plaatje dan neem je een apart stuk draad om aan het boutje vast te maken. Tenslotte leg je de twee draadeinden die overschieten elk aan de andere pool van de batterij. Het gevolg hiervan is dat er een magnetisch veld ontstaat door de stroom in de draad. Die wordt overgenomen door het ijzer van de nagels. Met elke winding van de geïsoleerde draad rond de nagels wordt het elektrisch veld verder versterkt. Dat magnetisch veld zal het plaatje aantrekken. Maar daardoor verliest het contact met de bout waardoor de stroom onderbroken wordt. Hierdoor keert het plaatje terug naar zijn beginpositie als gevolg van de vering ervan zodat de kring weer gesloten wordt en cyclus kan herbeginnen. Het kloppen van het plaatje tegen de nagels zorgt voor een bel-achtig geluid. Ik heb een schets van dit toestelletje in de notitiepagina gestoken.

Maar het omgekeerde gebeurt ook. Wanneer je een geleider door een magnetisch veld beweegt ontstaat er een elektrische spanning over de uiteinden. Of, als je met een geleider een gesloten kring maakt en je beweegt een deel van die geleider door een magnetisch veld, dan zal er een stroom door de geleider lopen. De reden dat dit gebeurt is dat het bewegend magnetisch veld een elektrisch veld doet ontstaan en een elektrisch veld in een geleider zorgt voor een elektrische stroom. Of andersom: je kan met een magneet bewegen langs een geleider, dat komt op hetzelfde neer want beweging is relatief. Het is trouwens op dat principe dat een dynamo van een fiets werkt: een permanente magneet draait mee met het wiel tussen een spoel. Een spoel is niets meer dan een geïsoleerde geleider die opgerold is zodat hij meerdere keren door het magnetisch veld passeert. Zo wordt de elektrische spanning telkens dat een nieuwe winding in het magnetisch veld passeert verhoogd.

Het kan nog anders. Als je een veranderend magnetisch veld bij een geleider brengt, zal die voor een elektrische stroom in die geleider zorgen. Een veranderend magnetisch veld kan je maken met behulp van een veranderend elektrisch veld op basis van het principe die ik eerst uitlegde. Een elektrische stroom genereert een magnetisch veld rond die geleider. Een veranderende elektrische stroom in een geleider zal dus een veranderend magnetisch veld doen ontstaan. Als je dan een tweede geleider in dat magnetisch veld brengt, krijg je een elektrische stroom in die tweede geleider.

Dat is hoe transformatoren worden gemaakt. De geïsoleerde geleiders worden gewonden rond een ijzeren kern, omdat ijzer magnetische velden veel beter geleidt dan het luchtledige. Aan de andere kant wordt om diezelfde kern een tweede geleider opgewonden. Op de ene geleider wordt een wisselstroom aangelegd. Die genereert een wisselend magnetisch veld in de ijzeren kern. Aan de andere kant zal het wisselend magnetisch veld een elektrische stroom genereren in de tweede geleider. Hoe meer windingen de eerste geleider rond het ijzer heeft, hoe groter het magnetisch veld wordt, want elke winding draagt bij aan het verhogen van het magnetisch veld. Hoe meer windingen de tweede geleider rond het ijzer heeft, hoe hoger de stroom in die geleider zal stijgen. Op dezelfde manier als wanneer je batterijen achter elkaar zet. Met elke batterij stijgt de spanning met de waarde van die batterij. Bijgevolg zal de verhouding tussen de stroom die door de eerste geleider loopt tot de stroom die door de tweede geleider loopt gelijk is aan de verhouding tussen het aantal windingen van de eerste geleider rond de ijzeren kern en het aantal windingen van de tweede geleider rond de ijzeren kern. Dit principe wordt gebruikt om zowel transformatoren te maken die 6 000V van de generator in de elektrische centrale omzetten naar 150kV voor transport op lange afstand, als om de 220 volt uit het stopcontact om te zetten naar de 5 volt die je nodig hebt om je gsm op te laden. Dat is ook de reden waarom op het elektriciteitsnet wisselstroom wordt gebruikt. Je kan die gemakkelijk omzetten naar andere spanningswaarden. Dat is veel lastiger met gelijkspanning. Het kan ook, maar daar heb je hele schakelingen voor nodig die ik hier niet zal uitleggen.

Maar zoals we daarnet zagen zal die stroom op zijn beurt ook een magnetisch veld doen ontstaan. En twee magneten trekken elkaar aan langs de tegengestelde polen en stoten elkaar af aan gelijke polen. Het gevolg is dat er krachten zullen ontstaan die de net ontstane stroom tegenwerken.

Dit kan je gebruiken om een elektrische motor te bouwen. Eigenlijk zijn motoren en generatoren ongeveer op dezelfde manier opgebouwd. Je hebt een rotor, het draaiend gedeelte dat bestaat uit een ijzeren kern dat door een aangelegde elektrische stroom een magnetisch veld genereert, en een stator die hetzelfde doet. De gelijke magnetische velden stoten elkaar af en de tegengestelde trekken elkaar aan waardoor de rotor gaat draaien. Elektrische verbindingen voor de windingen zijn zo gelegd dat op het moment dat de tegengestelde polen tegenover elkaar gaan liggen, waardoor de motor zou stil vallen, de stroomrichting wordt omgedraaid waardoor de motor verder draait. Als je aan die rotor een machine aanlegt die hem forceert om rond te draaien in het magnetisch veld van de stator, zoals een stoomturbine of een windmolen, zal er een elektrische stroom ontstaan in de rotor. Veel waterkrachtcentrales die als pompcentrale werken gebruiken dezelfde machine om waterkracht om te zetten in elektriciteit als om water omhoog te pompen wanneer er elektriciteitsoverschotten zijn.

Ik was nog een kleine jongen toen ik dit vaststelde. Ik had twee speelgoedtreinen van Lego met een elektrisch kabeltje aan elkaar gehangen en dan het ene treintje met mijn hand vooruitgeduwd zodat de wielen draaiden die op hun beurt de rotor van het motortje doen draaien. Het gevolg was dat het andere treintje vanzelf ging rijden telkens ik het eerste treintje voortduwde.

Elektrische machines hebben in tegenstelling tot verbrandingsmachines een zeer hoog rendement. Industriële elektrische machines kunnen tot 98% van de energie die binnen komt omzetten in de energie die geproduceerd wordt. Dus elektriciteit in bewegingsenergie bij motoren, elektriciteit in andere elektriciteit bij een transformator en bewegingsenergie in elektriciteit bij generatoren.

Toch hebben ze ook verliezen. De magnetische velden induceren elektrische velden in de ijzeren kern omdat deze geleiden. Maar deze elektrische velden ondervinden een elektrische weerstand waardoor er energie verloren gaat in de vorm van warmte, zoals we in de vorige aflevering zagen. Dit noemt men de ijzerverliezen. De stromen die op die manier in de ijzeren kern ontstaan noemt men wervelstromen of foucaultstromen. Daarom wordt de kern van een elektrische machine steeds uitgevoerd in fijne lamellen die tegen elkaar gekleefd worden met een isolerende laag ertussen. Doordat deze foucaultstromen dwars op het magnetisch veld lopen worden zo die stromen tegengehouden terwijl het magnetisch veld vrije loop heeft door het ijzer. Bovendien wordt daarvoor staal geproduceerd die zeer zuiver is en met grote korrels om de magnetische geleiding te verbeteren, en waar silicium aan toegevoegd wordt om de elektrische weerstand te verhogen waardoor deze foucaultstromen kleiner worden.

Maar alles wat nadelen heeft kan je gebruiken in je voordeel. Het is namelijk met deze foucaultstromen dat een inductiefornuis werkt. Een spoel produceert een wisselend magnetisch veld in de bodem van de pan. Daardoor ontstaan er foucaultstromen in de bodem van de pan waardoor deze opwarmt. Het rendement en de reactiesnelheid is hoger dan van een klassieke elektrische kookplaat omdat enkel de pan opwarmt en niet de kookplaat. Het reageert zelfs sneller dan een gasfornuis.

Er bestaan zelfs levitatieovens. Dat zijn ovens die in laboratoria gebruikt worden om metalen te smelten. Er wordt in het metaal, dat gesmolten moet worden, met spoelen een wisselend magnetisch veld aangebracht waardoor foucaultstromen vloeien die het metaal opwarmen totdat het smelt. Maar tegelijk wordt het magnetisch veld zo aangestuurd dat het metaal gaat zweven door de aantrekking en afstoting van de magneten. Op een bepaald ogenblik hangt daar in de lucht gewoon een klomp vloeibaar metaal op te warmen. Het wordt toegepast om zeer zuivere legeringen te maken. Doordat het smeltend metaal niet in contact komt met een vat, kunnen er geen verontreinigingen vanuit dat vat in het metaal komen.

Ha ja, en wat zijn permanente magneten dan? In ferromagnetische materialen zijn er magnetische gebieden, de gebieden van Weiss. Dat zijn gebieden waar de beweging van de elektronen van elk atoom overwegend in cirkels bewegen waardoor ze een minuscule elektromagneet vormen. Bovendien staan alle atomen met hun aldus gevormde noordpool in dezelfde richting, terwijl dat bij niet ferromagnetische materialen niet het geval is. In gewoon ijzer zijn de verschillende gebieden van Weiss in willekeurige richting georiënteerd waardoor hun magnetische velden elkaar opheffen. Als je dat ijzer in een magnetisch veld legt, bijvoorbeeld met een spoel, dan zullen die gebieden zich in de richting van dat veld leggen. Als je het magnetisch veld weer weg haalt, dan blijven de meeste gebieden in diezelfde richting georiënteerd. Dat laatste effect wordt hysteresis genoemd. Men kan dat versterken door bepaalde materialen in een magnetisch veld te leggen terwijl ze stollen, of na afkoeling vanaf de Curietemperatuur. Bovendien kunnen legeringselementen dit effect ook beïnvloeden. Bij supersterke magneten worden zeldzame aardmetalen toegevoegd. Op deze manier kan men ook achterhalen hoe het aardmagnetisch veld in het verleden evolueerde. In vulkanisch materiaal dat stolt wordt het magnetisch veld van de aarde bevroren in de ferromagnetische deeltjes die erin zitten.

Ik zou ook nog iets moeten zeggen over verschillende soorten magnetisme. Er bestaat ferromagnetisme, paramagnetisme en diamagnetisme, maar dat zou ons te ver leiden. Ik zet enkele links in de notitiepagina voor wie daar meer van wilt weten.

Volgende keer leggen we het verband tussen elektriciteit, magnetisme en elektromagnetische straling zoals zonlicht.

Het citaat
Het citaat van vandaag komt van Adam Grant. Grant is een organisatiepsycholoog. Hij bestudeerde onder andere creativiteit.
Het originele citaat is in het Engels en komt uit zijn boek “Originals” over creativiteit. Het citaat bevat het mooiste woord uit de Engelse taal: procrastination, uitstelgedrag.
Grant zei:

Uitstelgedrag blijkt een gemeenschappelijke gewoonte te zijn van creatieve denkers en grote probleemoplossers.

Bronnen

Wat meer informatie over magnetische velden

Een inductiefornuis maakt gebruik van foucaultstromen.om warmte in de bodem van de pan te produceren.

Wat zijn levitatieovens.

Permanente magneten verkrijg je als de meeste gebieden van Weiss gelijk georiënteerd zijn.

Hysteresis zorgt ervoor dat ijzer permanent magnetisch blijft, maar het is veel meer dan dat alleen.

Ik vermeldde even de Curietemperatuur, maar wat is dat? Het is een temperatuur waarbij de magnetische eigenschappen van het materiaal veranderen.

Er zijn verschillende soorten magnetisme: ferromagnetisme, paramagnetisme en diamagnetisme,

4 reacties

  1. Fons Tel zei:

    ‘ Elektrische stroom loopt van de plus naar de min; dat is slechts een afspraak’, schrijf je. Maar het zijn toch de elektronen die als vrije en dus negatief geladen deeltjes naar de positieve pool stromen? Dan zou elektrische stroom toch van min naar plus moeten stromen? Hoe zit dat?

    22 november 2020
    Beantwoorden
    • Jozef zei:

      Dag Fons,
      Ja dat klopt. De elektronen stromen van min naar plus.
      Maar in halfgeleiders wordt ook van een gatenstroom gesproken. En gaten zijn positief geladen deeltjes. Eigenlijk komt het erop neer dat er in het kristalrooster hier of daar een elektron ontbreekt waardoor er een positieve lading ontstaat en die kan ook bewegen en als er zo veel zijn die in een richting beweegt, dan spreken we van een gatenstroom. En die stroomt van plus naar min. Dat lijkt over het paard getild, maar kwantummechanisch heeft het perfect zin. Je kan aan zo’n gat zelfs allerlei eigenschappen toewijzen die je aan een echt deeltje zou toewijzen.
      Maar hoe dan ook, de beslissing dat elektriciteit van plus naar min stroomt is vastgelegd lang voor men wist dat elektriciteit het gevolg is van een elektronenstroom. En die beslissing had toen niets te maken met de werkelijke stroom van deeltjes, maar was gewoon een conventie.
      In feite is vastleggen dat een elektron “negatief” geladen is en een proton “positief” ook alleen maar een afspraak. Men had het evengoed omgekeerd kunnen beslissen, men had het zelfs “zwart” en “wit” kunnen genoemd hebben.
      Daarna, toen men meer wist, heeft men nooit meer die conventie veranderd omdat de modellen en het rekenen er perfect mee werken. Dus heeft men het zo gelaten. (een beetje zoals de Amerikanen er niet in slagen om van duimen en onsen af te geraken)
      Beantwoordt dat jouw vraag?

      23 november 2020
      Beantwoorden
      • Fons Tel zei:

        Hallo Jozef,
        bedankt voor je beantwoording, maar ik blijf het een vreemde zaak vinden. Het is alsof je van de evolutietheorie zegt: ja, prima, Darwin had wel gelijk, maar we houden toch maar vast aan het Bijbelse verhaal van de schepping, want dat zit er nu eenmaal diep in. Maar goed, ik begrijp nu dat de wetenschap ook zo haar conventies heeft.
        Groet Fons Tel

        25 november 2020
        Beantwoorden
  2. Rik Delaet zei:

    Ik denk toch dat positief en negatief een betere keuze is dan wit en zwart omdat twee gelijke positieve en negatieve ladingen samen een lading nul kunnen geven net zoals positieve en negatieve getallen dat doen.
    En waarom de stroom van plus naar min gaat zou wel eens kunnen komen van de analogie met van hoog naar laag. De keuze voor de benaming stroom suggereert dat ook.
    Maar als ze de diepere grond toen hadden geweten dan zaten we nu met positieve elektronen en negatieve kernen. Was intuïtiever geweest.

    24 november 2020
    Beantwoorden

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.