ELEKTROMAGNEET: SAMENSTELLING, ONDERDELEN, HOE HET WERKT EN TOEPASSINGEN - FYSIEK - 2025

Een elektromagneet is een apparaat dat magnetisme produceert uit elektrische stroom. Als de elektrische stroom wegvalt, verdwijnt ook het magnetische veld. In 1820 werd ontdekt dat een elektrische stroom een ​​magnetisch veld in zijn omgeving produceert. Vier jaar later werd de eerste elektromagneet uitgevonden en gebouwd.

De eerste elektromagneet bestond uit een ijzeren hoefijzer, geverfd met isolerende vernis, waarop achttien windingen koperdraad zonder elektrische isolatie waren gewikkeld.

Figuur 1. Elektromagneet. Bron: pixabay

Moderne elektromagneten kunnen verschillende vormen hebben, afhankelijk van het uiteindelijke gebruik dat eraan zal worden gegeven; en het is de kabel die is geïsoleerd met vernis en niet de ijzeren kern. De meest voorkomende vorm van de ijzeren kern is de cilindrische vorm, waarop de geïsoleerde koperdraad is gewikkeld.

Je kunt een elektromagneet maken met alleen de wikkeling die een magnetisch veld produceert, maar de ijzeren kern vermenigvuldigt de intensiteit van het veld.

Wanneer elektrische stroom door de wikkeling van een elektromagneet gaat, wordt de ijzeren kern gemagnetiseerd. Dat wil zeggen, de intrinsieke magnetische momenten van het materiaal worden uitgelijnd en opgeteld, waardoor het totale magnetische veld wordt versterkt.

Magnetisme als zodanig is in ieder geval sinds 600 voor Christus bekend, toen de Griek Thales van Miletus uitvoerig over de magneet sprak. Magnetiet, een ijzermineraal, produceert magnetisme van nature en permanent.

Voordelen van elektromagneten

Een ongetwijfeld voordeel van elektromagneten is dat het magnetische veld kan worden ingesteld, verhoogd, verlaagd of verwijderd door de elektrische stroom te regelen. Bij het maken van permanente magneten zijn elektromagneten nodig.

Waarom gebeurt dit nu? Het antwoord is dat magnetisme intrinsiek is voor materie, net als voor elektriciteit, maar beide verschijnselen manifesteren zich alleen onder bepaalde omstandigheden.

Er kan echter worden gezegd dat de bron van het magnetische veld elektrische ladingen of elektrische stroom is. Binnen de materie, op atomair en moleculair niveau, worden deze stromen geproduceerd die magnetische velden produceren in alle richtingen die elkaar opheffen. Dit is de reden waarom materialen normaal gesproken geen magnetisme vertonen.

De beste manier om het uit te leggen is door te denken dat kleine magneten (magnetische momenten) in de materie zijn ondergebracht die in alle richtingen wijzen, zodat hun macroscopisch effect wordt opgeheven.

In ferromagnetische materialen kunnen magnetische momenten uitlijnen en gebieden vormen die magnetische domeinen worden genoemd. Wanneer een extern veld wordt toegepast, worden deze domeinen uitgelijnd.

Wanneer het externe veld wordt verwijderd, keren deze domeinen niet terug naar hun oorspronkelijke willekeurige positie, maar blijven ze gedeeltelijk uitgelijnd. Op deze manier wordt het materiaal gemagnetiseerd en vormt het een permanente magneet.

Samenstelling en onderdelen van een elektromagneet

Een elektromagneet bestaat uit:

- Een wikkeling van kabel geïsoleerd met vernis.

- Een ijzeren kern (optioneel).

- Een stroombron, die direct of wisselend kan zijn.

Figuur 2. Onderdelen van een elektromagneet. Bron: zelf gemaakt.

De wikkeling is de geleider waardoor de stroom die het magnetische veld produceert, passeert en wordt gewikkeld in de vorm van een veer.

Bij het opwikkelen zijn de bochten of bochten meestal erg dicht bij elkaar. Daarom is het uitermate belangrijk dat de draad waarmee de wikkeling is gemaakt elektrische isolatie heeft, dit wordt bereikt met een speciale vernis. Het doel van lakken is dat zelfs wanneer de windingen bij elkaar zijn gegroepeerd en elkaar raken, ze elektrisch geïsoleerd blijven en de stroom haar spiraalvormige loop voortzet.

Hoe dikker de wikkelingsgeleider, hoe meer stroom de kabel kan weerstaan, maar beperkt het totale aantal windingen dat kan worden gewikkeld. Om deze reden gebruiken veel elektromagneetspoelen een dunne draad.

Het geproduceerde magnetische veld is evenredig met de stroom die door de wikkelingsgeleider gaat en ook evenredig met de dichtheid van de windingen. Dit betekent dat hoe meer windingen per lengte-eenheid worden geplaatst, hoe groter de intensiteit van het veld.

Hoe strakker de kronkelende bochten zijn, hoe groter het aantal dat in een bepaalde lengte past, waardoor hun dichtheid toeneemt en dus het resulterende veld. Dit is nog een reden waarom elektromagneten kabel gebruiken die is geïsoleerd met vernis in plaats van plastic of ander materiaal, wat de dikte zou vergroten.

Solenoïde

In een solenoïde of cilindrische elektromagneet zoals weergegeven in figuur 2, wordt de intensiteit van het magnetische veld bepaald door de volgende relatie:

B = μ⋅n⋅I

Waar B het magnetische veld (of magnetische inductie) is, dat in eenheden van het internationale systeem wordt gemeten in Tesla, μ de magnetische permeabiliteit van de kern is, n de dichtheid van windingen of het aantal windingen per meter en tenslotte de stroom I die circuleert door de wikkeling die wordt gemeten in ampère (A).

De magnetische permeabiliteit van de ijzerkern is afhankelijk van de legering en is gewoonlijk tussen de 200 en 5000 keer de permeabiliteit van lucht. Het resulterende veld wordt vermenigvuldigd met dezelfde factor ten opzichte van dat van een elektromagneet zonder ijzeren kern. De doorlaatbaarheid van lucht is ongeveer gelijk aan die van een vacuüm, namelijk μ ₀ = 1,26 × ^10-6 T * m / A.

Hoe werkt het?

Om de werking van een elektromagneet te begrijpen, is het noodzakelijk om de fysica van magnetisme te begrijpen.

Laten we beginnen met een eenvoudige rechte draad met een stroom I, deze stroom produceert een magnetisch veld B rond de draad.

Figuur 3. Magnetisch veld geproduceerd door een rechte draad. Bron: Wikimedia Commons

De magnetische veldlijnen rond de rechte draad zijn concentrische cirkels rond de geleidingsdraad. De veldlijnen voldoen aan de rechterhandregel, dat wil zeggen, als de duim van de rechterhand in de richting van de stroom wijst, zullen de andere vier vingers van de rechterhand de circulatierichting van de magnetische veldlijnen aangeven.

Magnetisch veld van een rechte draad

Het magnetische veld als gevolg van een rechte draad op een afstand r ervan is:

Stel dat we de kabel buigen zodat deze een cirkel of lus vormt, dan komen de magnetische veldlijnen aan de binnenkant ervan samen en wijzen allemaal in dezelfde richting, toevoegen en versterken. In het binnenste deel van de lus of cirkel is het veld intenser dan in het buitenste deel, waar de veldlijnen scheiden en verzwakken.

Figuur 4. Magnetisch veld geproduceerd door een draad in een cirkel. Bron: Wikimedia Commons

Het magnetische veld in het midden van een lus

Het resulterende magnetische veld in het midden van een lus met straal a met een stroom I is:

Het effect vermenigvuldigt zich als we de kabel elke keer buigen zodat deze twee, drie, vier, … en vele beurten heeft. Wanneer we de kabel in de vorm van een veer met zeer dichte spoelen wikkelen, is het magnetische veld in de veer uniform en zeer intens, terwijl het aan de buitenkant praktisch nul is.

Stel dat we de kabel in een spiraal van 30 windingen wikkelen in 1 cm lang en 1 cm in diameter. Dit geeft een dichtheid van windingen van 3000 omwentelingen per meter.

Ideaal solenoïde magnetisch veld

In een ideale solenoïde wordt het magnetische veld erin gegeven door:

Samenvattend, onze berekeningen voor een kabel met 1 ampère stroom en voor het berekenen van het magnetische veld in microteslas, altijd 0,5 cm verwijderd van de kabel in verschillende configuraties:

1. Rechte kabel: 40 microteslas.
2. Kabel in een cirkel met een diameter van 1 cm: 125 microteslas.
3. Spiraal van 300 windingen in 1 cm: 3770 microtesla = 0,003770 Tesla.

Maar als we aan de spiraal een ijzeren kern toevoegen met een relatieve permittiviteit van 100, dan wordt het veld 100 keer vermenigvuldigd, dat is 0,37 Tesla.

Het is ook mogelijk om de kracht te berekenen die de elektromagneet in solenoïde vorm uitoefent op een deel van de ijzeren kern met doorsnede A:

Uitgaande van een verzadigd magnetisch veld van 1,6 Tesla, zal de kracht per vierkante meter sectie van het ijzeren kernoppervlak uitgeoefend door de elektromagneet 10 ^ 6 Newton zijn, wat overeenkomt met 10 ^ 5 kilogram kracht, dat is 0,1 ton per vierkante meter doorsnede.

Dit betekent dat een elektromagneet met een verzadigingsveld van 1,6 Tesla een kracht van 10 kg uitoefent op een ijzeren kern met een doorsnede van 1 cm ² .

Elektromagnetische toepassingen

Elektromagneten maken deel uit van veel gadgets en apparaten. Ze zijn bijvoorbeeld aanwezig binnen:

- Elektrische motoren.

- Dynamo's en dynamo's.

- Sprekers.

- Elektromechanische relais of schakelaars.

- Elektrische bellen.

- Magneetkleppen voor stroomregeling.

- Computer harde schijven.

- Schroot hijskranen.

- Metaalscheiders van stedelijk afval.

- Elektrische remmen voor treinen en vrachtwagens.

- Nucleaire magnetische resonantiebeeldvormingsmachines.

En nog veel meer apparaten.

Referenties

1. García, F. Magnetisch veld. Hersteld van: www.sc.ehu.es
2. Tagueña, J. en Martina, E. Magnetism. Van het kompas tot de draai. Hersteld van: Bibliotecadigital.ilce.edu.mx.
3. Sears, Zemansky. 2016. Universitaire natuurkunde met moderne natuurkunde. 14e. Ed. Deel 2. 921-954.
4. Wikipedia. Elektromagneet. Hersteld van: wikipedia.com
5. Wikipedia. Elektromagneet. Hersteld van: wikipedia.com
6. Wikipedia. Magnetisatie. Hersteld van: wikipedia.com