Wikijunior:Natuurkunde/Magnetisme

Gezocht: Wikibookianen die een beroep hebben waar natuurkunde bij gebruikt wordt en die in het hoofdstuk "Einde" heel kort iets willen vertellen over hun beroep.

Inleiding: Schakelingen ontwerpen en bouwen

Automatische schakelingen maken het leven gemakkelijk. Ze zorgen ook voor werkgelegenheid: schakelingen worden door mensen ontworpen, in elkaar gezet, verkocht en onderhouden.

De kracht van magnetisme

Proef: Magnetisme
Benodigdheden: magneet, metalen voorwerpen Neem een magneet en ga ermee op jacht. Zoek in huis naar metalen voorwerpen en kijk of ze aan de magneet blijven hangen. Als je denkt dat dat bij alle metalen voorwerpen gebeurt, vergis je je! Onder "normale omstandigheden" blijven alleen voorwerpen van ijzer en nikkel aan je magneet hangen!
Wat heb ik geleerd:

Proef: Magnetische kracht gaat door papier
Benodigdheden: magneet, stukjes ijzer, vel papier Leg de magneet onder het vel papier en leg stukjes ijzer op het vel papier op de plaats waaronder de magneet zit. Je zult zien dat het metaal nog altijd wordt aangetrokken en ook als je de magneet beweegt, beweegt het ijzer mee.
Wat heb ik geleerd:

Magnetisch veld

Het magnetische veld van een staafmagneet. Het groene gedeelte is de zuidpool, het rode de noordpool.

Je hebt wellicht weleens een magneet bij een andere magneet gehouden. Als je dat doet, zal er een wisselwerking optreden.

Als je een paar naaldmagneten rond een staafmagneet neerzet, zullen de naaldmagneten elk een andere stand aannemen. De richting van de naaldmagneten, heeft te maken met de polen van de staafmagneet. De noordpool van de staafmagneten richten naar de zuidpool. Maar wat gebeurt er als je de staafmagneet weghaalt?

Elke magneet heeft een noordpool (meestal rood of zwart) en een zuidpool (meestal wit, groen of blauw). Ook elektromagneten hebben dat. Aan welk uiteinde de noordpool is, hangt af van de stroomrichting. Als je de stroomrichting omdraait, worden de polen verwisseld.

Proef: Naaldmagneetjes en de staafmagneet
Benodigdheden: staafmagneet, acht naaldmagneetjes Pak de staafmagneet en leg hem neer. Zet om de staafmagneet de naaldmagneetjes. Wat gebeurt er? Ze nemen, zoals voorspeld, allemaal een andere stand. En haal ze nu eens weg? Wat gebeurt er dan?
Wat heb ik geleerd:

Magnetische veldlijnen en geleiders

Naaldmagneten reageren dus op polen van andere magneten. De noordpool van de naaldmagneet wijst naar de zuidpool van de staafmagneet.

Met naaldmagneten wordt onderzocht hoe het magnetisch veld eruit ziet rond een draad waar elektriciteit door loopt. De staafmagneetjes beginnen fanatiek te bewegen.

Als je in plaats van staafmagneten ijzervijlsel gebruikt, zul je zien dat het magnetisch veld de vorm heeft van cirkels. Het velsel gaat in een spiraal om de draad liggen.

Magnetische krachtlijnen

IJzervijlsel kun je als naaldmagneetjes gebruiken. De lijnen waarin het ijzervijlsel zit, worden magnetische krachtlijnen genoemd.

Magnetische krachtlijnen gaan altijd in een boog van de ene pool naar de andere.

Proef: Van de ene pool naar de andere
Benodigdheden: ijzervijlsel, staafmagneet, tafel, vel papier, een voorwerp waar de staafmagneet op kan, zodat ze nog net onder de tafel passen Leg de staafmagneet op het voorwerp en schuif dit samen onder de tafel. Leg een vel papier over de tafel en strooi er ijzervijlsel over. Timmer met je vingers zachtjes op de tafel en dan krijg je ongeveer zoiets te zien als op onderstaande foto.
Wat heb ik geleerd:

Het kompas

Met een kompas kun je de richting van het magneetveld bepalen. Omdat onze aarde een magneetveld heeft, kan met een kompas de richting van de noordpool van dit veld op worden gezocht. Een kompas bestaat uit een magnetische naald die met zijn magnetische noordpool naar de magnetische zuidpool van onze aardbol wijst. Noord en zuid trekken elkaar namelijk aan. De magnetische zuidpool van de aarde noemen we de noordpool, omdat de magnetische noordpool van kompassen naar het noorden wijst. De magnetische noordpool van de aarde noemen we het zuiden.

Proef: Zelf een eenvoudig kompas maken
Benodigdheden: naald, magneet, olie of boter, schoteltje met water Een drijvende naald in een schoteltje water. Het is vrij eenvoudig om zelf een 'kompas' te maken. Neem daarvoor een niet te grote naald en haal die in één richting langs een magneet (dus niet heen en weer, maar steeds in dezelfde richting langs de magneet). Daardoor wordt die naald enigszins gemagnetiseerd. Maak vervolgens de naald een beetje vettig, misschien is het voldoende om hem langs je vingers te wrijven, anders is een klein beetje olie of boter ook prima. Neem vervolgens een schoteltje, en vul het met wat water. Probeer de naald vervolgens op het water te leggen. Door de oppervlaktespanning van het water kan de naald blijven drijven. En als eenmaal de naald drijft, zal hij zich naar het noorden richten. Het water zorgt ervoor dat de naald horizontaal ligt en het dempt snelle bewegingen, zodat dat de naald zich rustig naar het noorden kan draaien.
Wat heb ik geleerd:

Elektrische en permanente magneten

Elektrische magneten

Een elektromagneet kun je maken door om een ijzeren staafje, bijvoorbeeld een spijker, (dun) koperdraad te wikkelen. Als je er elektriciteit (van een batterij) door laten lopen. Dan krijg je een (elektro)magneet!

Proef: Je eigen elektromagneet
Benodigdheden: platte batterij 4½ volt, 2 stukken geïsoleerd koperdraad van elk 30 cm lang, ijzeren spijkers, 2 punaises, blokje hout, paperclip Prik de punaises losjes in het hout, en zo dat er twee centimeter tussen zit. Buig de paperclip open en schuif de uiteinden over de punaisekoppen. Verbind nu met het eerste stuk koperdraad één pool van de batterij met één van de punaises. Wikkel daarna het andere stuk draad heel strak 10 keer om de spijker. Nu bevestig je het ene einde van de draad aan de overgebleven pool van de batterij en het andere einde schuif je over de tweede punaise. Je hebt nu een spoel. Druk de punaises goed aan en kijk of de spijker magnetisch is. Als dat het geval is, heb je het goed gedaan. Maar hoe werkt dit? De stroom die door de gewikkelde koperdraad gaat, veroorzaakt een magnetisch veld om de spijker.
Wat heb ik geleerd:

Elke magneet heeft een noordpool en een zuidpool. Ook elektromagneten hebben dat. Aan welk uiteinde de noordpool is, hangt af van de stroomrichting. Als je de stroomrichting omdraait, worden de polen verwisseld.

Permanente magneten

Een permanente magneet is een magneet die zijn magnetisme blijft behouden. In een permanente magneet zijn de ijzeratomen één kant uit gericht. Een voorbeeld van een permanente magneet is een kompasnaald.

Elektromagneten en hun functies

Magneten worden voor nog veel meer dingen gebruikt. Meestal in de vorm van elektromagneten. Neem maar eens een voorbeeld aan...

De deurbel

Tekening van een opengewerkte deurbel

Een deurbel heeft een drukschakelaar. Je drukt op het knopje en de bel begint te rinkelen. Als je de knop loslaat, veert hij meteen terug. De stroomkring is weer open en er is geen gerinkel meer te horen.

Misschien klinkt het een beetje gek, maar in een deurbel wordt een magneet gebruikt. Om precies te zijn, een elektromagneet. Maar hoe werkt zo'n deurbel?

1. Je drukt op de knop. Dan gaat er een schakelaartje om en op deze manier wordt de stroom ingeschakeld.
2. De elektromagneten trekken de stalen bladveer aan. Hierdoor slaat er een soort hamertje tegen de bel. Dat noem je een klepel.
3. Op dat moment ontstaat er een opening bij een contact punt, waardoor de stroomkring meteen weer wordt verbroken.
4. De elektromagneten verliezen hun magnetische kracht en de bladveer veert weer terug.
5. Als de veer het contactpunt weer raakt, wordt de stroomkring weer hersteld. Alles begint weer opnieuw, totdat de drukschakelaar wordt losgelaten. Dit proces gebeurt héél snel.

De inductiekookplaat

Je weet vast wel dat je kunt koken op gas en elektriciteit. Maar tegenwoordig wordt magnetisme ook gebruikt om mee te koken! Het klinkt misschien een beetje raar, maar het is wel zo. Zulke kookplaten noem je inductiekookplaten.

Er wordt uitgebreid onderzoek naar zulke kookplaten gedaan. Inductiekoken is koken met magneten. Als je zo'n kookplaatje openmaakt, kun je het belangrijkste onderdeel zien zitten van zo'n kookplaat: de spoel. Zoals je in het proefje van net hebt ontdekt, kun je met een spoel en elektriciteit een magnetisch veld opwekken. Dat gebeurt in de spoel, maar je merkt het niet. De stroomrichting verandert heel snel. De noord- en zuidpool wisselen zo snel, dat zelfs ijzer niet aan de spoel vast blijft plakken. De hoeveelheid elektriciteit en de snelheid van het wisselen worden bepaald door een soort computertje onder de kookplaat. Dat is het brein van het inductiekoken.

Als je dan het kookplaatje aanzet en je zet een pan erop, vangt de pan de energie van het magneetveld op en zet het om in warmte.

De fietsdynamo

Jawel, ook in een fietsdynamo worden magneten gebruikt. Maak jouw dynamo maar open! Dan vind je een ronde magneet met een noordpool en een zuidpool van ijzer waar koperdraad omheen is gewikkeld.

Maar hoe werkt dat ding? Als je trapt, begint er een wieltje te draaien die een magneet laat draaien. Als die magneet draait, verandert de magnetisering van het ijzer voortdurend. Daardoor verandert het magneetveld door de spoel ook telkens van grootte en richting. Op deze manier wordt een wisselspanning opgewekt tussen de uiteinden van de spoel.

Er zijn ook dynamo's waarin de spoel ronddraait, terwijl de magneet stilstaat. Ook in dat geval verandert het magneetveld in de spoel steeds van grootte en richting.

Een dynamo levert een spanning die steeds verandert. Zo'n spanning heet een wisselspanning. Een accu levert een constante spanning. Zo'n spanning noem je een gelijkspanning. In het hoofdstuk over elektriciteit leer je meer over spanning.

De transformator

Een transformator bestaat uit twee spoelen, een primaire en een secundaire. Ze zijn bevestigd om een ijzeren juk.

1. Als de primaire spoel wordt aangesloten op een wisselspanning, loopt er een wisselstroom doorheen. Daardoor wordt de primaire spoel een elektromagneet. Doordat de stroom steeds van grootte en richting verandert, doet het opgewekte magneetveld dit ook.
2. Het ijzeren juk wordt op deze manier gemagnetiseerd. De magnetisering verandert mee met het magneetveld en de primaire spoel.
3. Het gevolg is dat er ook in de secundaire spoel een veranderend magneetveld ontstaat. Dit magneetveld wekt een wisselspanning op tussen de uiteinden van de secundaire spoel.

Met een transformator kun je een spanning omhoog of omlaag transformeren. Of de spanning hoger of lager wordt, hangt af van het aantal windingen van de beide spoelen. Als de secundaire spoel meer windingen heeft dan de primaire spoel, wordt de spanning omhoog getransformeerd. Als de secundaire spoel minder windingen heeft dan de primaire spoel, wordt die spanning juist omlaag getransformeerd.

Geluid

Luidspreker

Geluid komt naar ons toe als een golf van steeds veranderende luchtdruk die zich verplaatst door luchtdeeltjes in beweging te brengen. Het trommelvlies vangt de trillingen op en gaat meevibreren. De hersenen 'vertalen' de trillingen zodat we geluid kunnen waarnemen.

Het 'trommelvlies' van de luidspreker bestaat uit een membraan dat trillingen doorgeeft aan de lucht. De kern van de speaker bestaat uit een elektromagneet: een stroomdraad, gewonden om een hardpapieren of kunststof ring. Er ontstaat een magnetisch veld als er door de draad een elektrische stroom loopt. De versterker laat de elektrische stroom vele malen per seconde van richting wisselen, afhankelijk van het aangeboden signaal. De elektromagneet reageert daarop door zuid- en noordpool continu om te draaien.

De spoel is vastgelijmd aan het membraan (ook wel conus genoemd) van de luidspreker en zit om de vaste magneet, daarvan gescheiden door een nauwe luchtspleet. In hetzelfde ritme als de wisseling van beide polen wordt de spoel en dus ook het membraan aangetrokken of afgestoten en laat deze dus meetrillen overeenkomstig het aangeboden signaal.

Microfoon

Doordat er geluid tegen een trilplaatje aankomt, gaat het plaatje meetrillen met het geluid. Aan het trilplaatje zit een klein spoeltje vast. Die gaat dan ook trillen en trilt vlakbij een magneet. Dan ontstaat er stroom in de spoel. Deze stroom wisselt op de maat van de muziek. De wisselende stroom uit een microfoon kan naar een versterker worden gevoerd. Deze versterkt de wisselende stroom zodat die weer naar een luidspreker kan.

Cassettebandje

Opnemen

Als je een opname maakt met een cassetterecorder, dan loopt de band langs de opnamekop. De opnamekop legt de nieuwe opname vast op de band. In de opnamekop zit een spoel, die gemaakt is van dun (geïsoleerd) koperdraad. Als er stroom door de spoel loopt, wordt de spoel een elektromagneet. De spanning die de microfoon of de tuner levert, verandert steeds. Daardoor verandert de stroom door de opnamespoel ook steeds. De spoel wordt een elektromagneet waarvan de sterkte steeds verander. Op een cassetteband is een laagje materiaal aangebracht dat magnetisch kan worden gemaakt. Dit materiaal wordt sterk magnetisch als er veel stroom door de spoel loopt en zwak magnetisch al er weinig stroom door de spoel loopt. Op deze manier ontstaat er op de band een serie gebiedjes die afwisselend sterker en zwakker gemagnetiseerd zijn. Voordat de band de opnamekop passeert, komt hij voorbij de wiskop van de recorder. De wiskop wist de vorige opname van de band. Dat gebeurt door middel van een wisselspanning met een hoge frequentie over de de spoel in de wiskop.

Afspelen

Bij het afspelen beweegt de band langs de weergavekop van de recorder. Deze kop zet de magnetisering van de band om in een zwak, elektrisch signaal. In de praktijk wordt voor het opnemen en het afspelen dezelfde kop gebruikt. Het is een gecombineerde opname-weergavekop. Het elektrische signaal van de weergavekop is heel zwak. Daarom wordt dit signaal eerst versterkt, voor het naar de luidsprekers wordt geleid. Het versterkte signaal wordt door de luidsprekers weer omgezet in geluid.

Meer informatie over luidsprekers en microfoons, zie het hoofdstuk over geluid.

Het relais

Wat is een relais?

Een relais wordt in veel automatische schakelingen gebruikt. Er zit een elektromagneet in die stroomkringen kan openen of sluiten. Het is dus eigenlijk een soort schakelaar.

Toepassingen van een relais

Relais worden gebruikt bij spoorwegovergangen.

Een relais kan worden gebruikt om bellen, lampen en motoren te bedienen. Bijvoorbeeld bij een spoorwegovergang. De knipperlichten, bellen en spoorbomen worden elk door een ander relais aan en uitgezet.

Ook in een auto kom je verschillende relais tegen. Relais worden in een auto gebruikt voor bijvoorbeeld de startmotor, de ruitenwissers en de koelventilator.

Misschien klinkt het een beetje gek, maar ze zitten ook in een wasmachine. In een wasmachine zit een microprocessor en die werkt met lage spanningen en kleine stroompjes. Maar dankzij de verschillende relais kunnen de kleine stroompjes toch apparaten activeren.

Maglev

Wat is maglev nou weer?

Maglev is een afkorting. Het staat voor Magnetic Levitation. In het Nederlands betekent dit Magnetisch Zweven. Dat klopt ook, want er kunnen hiermee voorwerpen tot zweven worden gebracht met behulp van magnetisme. Maar hoe werkt dit? Vreemd genoeg werd de techniek voor het eerst toegepast met elektromagneten en een aluminium model. Ook aluminium reageert namelijk op magnetisme. Dit eerste model kon door ringen heen zweven. De moderne maglev maakt echter gebruik van ‘gewoon’ magnetisme. Eerder vertelde ik dat twee dezelfde polen van een magneet elkaar afstoten, waardoor het blijft zweven. Dit kun je ook met elektromagneten doen. Dit noem je ‘maglev’.

Alleen is het niet stabiel. Het slingert meestal. Dit kan op verschillende manieren worden opgelost. Eén van de manieren om het wel stabiel te maken, is door een wisselend magnetisch veld te regelen. Dit wordt gebruikt in magneetzweeftreinen.

De magneetzweeftrein

Eigenlijk is dit geen trein, zoals de treinen die je (misschien) al kent. Dit voertuig zweeft namelijk ongeveer 10 millimeter boven een baan door een magneetveld. Met een lineaire inductiemotor wordt de trein aangedreven. Er zijn twee mogelijkheden voor het opwekken van het magneetveld: de elektromagneten in het voertuig (passieve baan) en de elektromagneten in de baan (actieve baan). Beide methoden hebben voor- en nadelen. Allereerst is de actieve baan beter dan de passieve baan. Vooral doordat de magneten van de passieve baan in het voertuig zitten (en dus moeten worden opgeheven en vervoerd) is daarvoor een belangrijke reden geweest. Bovendien is de benodigde energie moeilijker aan te leveren, omdat het voertuig geen contact maakt met de omgeving. De magneetzweeftreinen van nu hebben de magneten in de baan.

De magneetzweeftrein is bedacht door de Duitse H. Kemper. In de jaren ’60 en ’70 zijn er in Duitsland en Japan proeven gedaan met magneettreinen. In Duitsland werden in de jaren ’70 proeven gedaan met zowel de actieve als de passieve baan. De passieve banen werd door Krauss Maffei en MBB (Messerschmidt-Bölkow-Blohm) onderzocht en de actieve banen door AEG, Siemens en BBC. Krauss Maffei bouwde in Beieren een proefbaan voor hun Transrapid TR01. Bovendien probeerden ze dezelfde techniek te gebruiken voor een kleiner voortuig (Transurban) voor openbaar vervoer in de steden. De Duitse regering heeft eind jaren ’70 de beide concepten verwerkt in de Arbeitsgemeinschaft Transrapid. De huidige Transrapid is dus een zweeftrein met een actieve baan. Inmiddels is de Transrapid grootscheeps beschikbaar in Shanghai. In China is men erg enthousiast en het is de bedoeling dat er meer trajecten worden gebouwd. Ook wil China de Transrapid-technologie in Azië verkopen.