Door S. Hussain Ather, bijgewerkt op 24 maart 2022

RZ/iStock/GettyImages

Introductie

Elektromagnetische verschijnselen zijn een integraal onderdeel van de moderne technologie:van de batterij in uw smartphone tot satellietcommunicatiesystemen. Door dezelfde principes toe te passen, kun je een kleine generator voor elektromagnetische velden (EMF) bouwen met alledaagse materialen zoals koperdraad, een ijzeren spijker en een eenvoudige stroombron.

Benodigde materialen

• 1-2ft geïsoleerd koperdraad (≈30 cm, 0,5 mm diameter)
• 1 standaard ijzeren spijker (≈10 cm lang)
• Geïsoleerde draden voor verbindingen
• Variabele voeding of 9V-batterij
• Paperclips of een klein kompas (optioneel)
• Niet-geleidende basis (hout of beton)

Stap-voor-stap opbouw

1. Plaats de ijzeren spijker op het niet-geleidende oppervlak.
2. Wikkel het koperdraad stevig rond de nagel en laat aan elk uiteinde ongeveer 5 cm draad vrij. Meer beurten verhogen de veldsterkte.
3. Bevestig de vrije uiteinden van de spoel aan de uiteinden van de geïsoleerde draden.
4. Sluit één geïsoleerde draad aan op de positieve pool van de voeding en de andere op de negatieve pool.
5. Plaats paperclips in de buurt van de nagel om de magnetische aantrekkingskracht te observeren.
6. Schakel de voeding in en verhoog geleidelijk de spanning. Naarmate de stroom stijgt, moeten de paperclips uitgelijnd zijn langs de as van de spoel.
7. Voor een visuele bevestiging plaatst u een kompas tussen de spoel en de stroombron; de naald draait naar de as van de spoel wanneer de stroom vloeit.

Natuurkunde achter de generator

Wanneer elektrische stroom door de koperen spoel vloeit, ontstaat er een cirkelvormig magnetisch veld dat wordt beschreven door de rechterhandregel:wijs uw duim in de richting van conventionele stroom en krul uw vingers rond de veldlijnen. De geometrie van de spoel concentreert het veld binnen de ijzeren kern, waardoor deze in een elektromagneet verandert.

In tegenstelling tot permanente magneten hebben elektromagneten een continue stroom nodig om hun veld in stand te houden. Deze bestuurbaarheid maakt ze onmisbaar in de moderne techniek.

Het magnetische veld berekenen

Het magnetische veld in een solenoïde wordt gegeven door:

B =μ₀nL

waarbij B is het veld in Tesla's, μ₀=1,257×10⁻⁶T·m/A is de permeabiliteit van de vrije ruimte, n is het aantal windingen per lengte-eenheid, en L is de lengte van de kern. Met behulp van de wet van Ampère:

B =µ₀I/L

waarbij I de stroomsterkte in ampère is. Deze vergelijkingen gaan uit van een strak gewikkelde spoel en een uniforme kern.

Alternatieve ontwerpen

Voor toepassingen die compactheid en efficiëntie vereisen, wordt de voorkeur gegeven aan toroïdale (donutvormige) elektromagneten. Het veld binnen een ringkern is:

B =μ₀nI/(2πr)

waarbij r de gemiddelde straal is. Ringkernkernen beperken de magnetische flux, waardoor lekkage en energieverlies worden verminderd, waardoor ze ideaal zijn voor transformatoren en inductoren.

Gemeenschappelijke toepassingen van elektromagneten

Elektromagneten zijn alomtegenwoordig:van industriële hijskranen en magnetische scheiders tot medische beeldvorming (MRI) en deeltjesversnellers. Ze voeden ook alledaagse apparaten zoals luidsprekers, hoofdtelefoons en inductiekookplaten. In de transportsector zijn magneettreinen afhankelijk van supergeleidende elektromagneten om het voertuig te laten zweven en voort te bewegen.

Veiligheidsoverwegingen

Koppel altijd de stroombron los voordat u de spoel opnieuw configureert. Overmatige stroom kan de draad en de kern verhitten, wat mogelijk brandwonden of brand kan veroorzaken. Gebruik een voeding met stroombegrenzende functies om overstroomomstandigheden te voorkomen.