science >> Wetenschap >  >> anders

Hoe elektromagneten werken

Moet u wat oud metaal opruimen? Elektromagneten te hulp! Hier, een elektromagneet wordt gebruikt om enkele van de ongeveer 3 op te pikken, 500 in beslag genomen geweren om te worden omgesmolten. David McNew/Getty Images

Wat doet een sloopwerf, een rockconcert en je voordeur gemeen hebben? Ze gebruiken elk elektromagneten , apparaten die een magnetisch veld creëren door de toepassing van elektriciteit. Sloopwerven gebruiken extreem krachtige elektromagneten om zware stukken schroot of zelfs hele auto's van de ene plaats naar de andere te verplaatsen. Je favoriete band gebruikt elektromagneten om het geluid dat uit de luidsprekers komt te versterken. En als iemand aanbelt, een kleine elektromagneet trekt een metalen klepel tegen een bel.

Mechanisch, een elektromagneet is vrij eenvoudig. Het bestaat uit een stuk geleidende draad, meestal koper, gewikkeld om een ​​stuk metaal. Zoals het monster van Frankenstein, dit lijkt weinig meer dan een losse verzameling onderdelen totdat elektriciteit in beeld komt. Maar je hoeft niet te wachten op een storm om een ​​elektromagneet tot leven te brengen. Er wordt een stroom ingevoerd, hetzij van een batterij of een andere stroombron, en stroomt door de draad. Dit creëert een magnetisch veld rond de opgerolde draad, het metaal magnetiseren alsof het een permanente magneet is. Elektromagneten zijn handig omdat u de magneet aan en uit kunt zetten door het circuit te voltooien of te onderbreken, respectievelijk.

Voordat we te veel verder gaan, we moeten bespreken hoe elektromagneten verschillen van uw gewone "permanente" magneten, zoals degenen die je popsicle-kunst aan de koelkast houden. Zoals u weet, magneten hebben twee polen, "Noord en Zuid, " en dingen aantrekken die van staal zijn gemaakt, ijzer of een combinatie daarvan. Zoals polen afstoten en tegenpolen elkaar aantrekken (ah, het snijpunt van romantiek en natuurkunde). Bijvoorbeeld, als je twee staafmagneten hebt waarvan de uiteinden met "noord" en "zuid zijn gemarkeerd, " het noordelijke uiteinde van de ene magneet zal het zuidelijke uiteinde van de andere aantrekken. Aan de andere kant, het noordelijke uiteinde van de ene magneet zal het noordelijke uiteinde van de andere afstoten (en op dezelfde manier, zuid zal zuid afstoten). Een elektromagneet is op dezelfde manier, behalve dat het "tijdelijk" is -- het magnetische veld bestaat alleen als er elektrische stroom vloeit.

De deurbel is een goed voorbeeld van hoe elektromagneten kunnen worden gebruikt in toepassingen waar permanente magneten gewoon geen zin hebben. Wanneer een gast op de knop van uw voordeur drukt, het elektronische circuit in de deurbel sluit een elektrische lus, wat betekent dat het circuit is voltooid en "ingeschakeld". Het gesloten circuit laat elektriciteit stromen, waardoor een magnetisch veld ontstaat en de klepel wordt gemagnetiseerd. De hardware van de meeste traditionele deurbellen bestaat uit een metalen bel en een metalen klepel die, wanneer de magnetische aantrekkingskracht ervoor zorgt dat ze aan elkaar kletteren, je hoort de bel binnen. De bel gaat, de gast laat de knop los, het circuit opent en de deurbel stopt met zijn helse rinkelen. Dit on-demand magnetisme maakt de elektromagneet zo nuttig.

In dit artikel, we zullen elektromagneten van naderbij bekijken en ontdekken hoe deze apparaten behoorlijk coole wetenschap nodig hebben en deze toepassen op gadgets overal om ons heen die ons leven gemakkelijker maken.

Inhoud
  1. De geschiedenis van elektromagneten
  2. De kleefkracht van elektromagneten
  3. De 'Electro' in 'Elektromagneet' plaatsen
  4. Elektromagneten overal om ons heen
  5. DIY-elektromagneten en experimenten om te proberen

De geschiedenis van elektromagneten

De grote hoefijzerelektromagneet gebruikt door de Engelse natuurkundige en scheikundige Michael Faraday, rond 1830. Stringer/Hulton Archief/Getty Images

De relatie tussen elektriciteit en magnetisme werd pas in 1873 grondig bestudeerd toen natuurkundige James Maxwell observeerde de interactie tussen positieve en negatieve elektrische ladingen [bron:Mahon]. Door voortdurend te experimenteren, Maxwell stelde vast dat deze ladingen elkaar aantrekken of afstoten op basis van hun oriëntatie. Hij was ook de eerste die ontdekte dat magneten polen hebben, of individuele punten waar de lading is gericht. En, belangrijk voor elektromagnetisme, Maxwell merkte op dat wanneer een stroom door een draad gaat, het genereert een magnetisch veld rond de draad.

Maxwells werk was verantwoordelijk voor veel van de wetenschappelijke principes op het werk, maar hij was niet de eerste wetenschapper die experimenteerde met elektriciteit en magnetisme. Bijna 50 jaar eerder ontdekte Hans Christian Oersted dat een kompas dat hij gebruikte reageerde wanneer een batterij in zijn laboratorium werd in- en uitgeschakeld [bron:Gregory]. Dit zou alleen gebeuren als er een magnetisch veld aanwezig zou zijn om de naald van het kompas te verstoren, dus leidde hij af dat er een magnetisch veld werd opgewekt uit de elektriciteit die uit de batterij vloeide. Maar Oersted werd aangetrokken door het vakgebied van de chemie en liet het onderzoek naar elektriciteit en magnetisme aan anderen over [bron:Mahon].

De grootvader van het elektromagnetisme is Michael faraday , een scheikundige en natuurkundige die veel van de theorieën heeft ontworpen waarop later door Maxwell is voortgebouwd. Een van de redenen waarom Faraday zoveel prominenter in de geschiedenis is dan Maxwell of Oersted, is waarschijnlijk te wijten aan het feit dat hij zo'n productieve onderzoeker en uitvinder is. Hij wordt alom geprezen als een pionier op het gebied van elektromagnetisme, maar hij wordt ook gecrediteerd voor het ontdekken van elektromagnetische inductie, die we later zullen bespreken wanneer we enkele toepassingen in de echte wereld verkennen. Faraday vond ook de elektromotor uit, en naast zijn invloedrijke werk in de natuurkunde, hij was ook de allereerste persoon die werd benoemd tot de prestigieuze positie van Fulleriaanse hoogleraar scheikunde aan de Royal Institution of Great Britain. Niet te armoedig.

Dus wat heeft het werk van deze mannen aan het licht gebracht? In de volgende sectie, we zullen kijken hoe elektromagneten werken.

De kleefkracht van elektromagneten

Dit diagram toont een eenvoudige elektromagneet. Hoe dingen werken

Zoals we in de inleiding al zeiden, basiselektromagneten zijn niet zo ingewikkeld; je kunt zelf een eenvoudige bouwen met materialen die je waarschijnlijk in huis hebt liggen. Een geleidende draad, meestal geïsoleerd koper, wordt om een ​​metalen staaf gewikkeld. De draad wordt heet om aan te raken, daarom is isolatie belangrijk. De staaf waarop de draad is gewikkeld, wordt a . genoemd solenoïde , en het resulterende magnetische veld straalt weg van dit punt. De sterkte van de magneet is direct gerelateerd aan het aantal keren dat de draad om de staaf wikkelt. Voor een sterker magnetisch veld, de draad moet strakker worden gewikkeld.

OKE, er is iets meer aan de hand dan dat. Hoe strakker de draad om de staaf wordt gewikkeld, of kern, hoe meer lussen de stroom eromheen maakt, het vergroten van de sterkte van het magnetische veld. Naast hoe strak de draad is gewikkeld, het materiaal dat voor de kern wordt gebruikt, kan ook de sterkte van de magneet regelen. Bijvoorbeeld, ijzer is een ferromagnetisch metaal, wat betekent dat het zeer doorlatend is [bron:Boston University]. permeabiliteit is een andere manier om te beschrijven hoe goed het materiaal een magnetisch veld kan ondersteunen. Hoe meer geleidend een bepaald materiaal is voor een magnetisch veld, hoe hoger de doorlaatbaarheid.

Alle materie, inclusief de ijzeren staaf van een elektromagneet, bestaat uit atomen. Voordat de solenoïde wordt geëlektrificeerd, de atomen in de metalen kern zijn willekeurig gerangschikt, niet in een bepaalde richting wijzen. Wanneer de stroom wordt ingevoerd, het magnetische veld dringt de staaf binnen en lijnt de atomen opnieuw uit. Met deze atomen in beweging, en allemaal in dezelfde richting, het magnetische veld groeit. De uitlijning van de atomen, kleine gebieden van gemagnetiseerde atomen genaamd domeinen , neemt toe en af ​​met het stroomniveau, dus door de stroom van elektriciteit te regelen, u kunt de sterkte van de magneet regelen. Er komt een punt van verzadiging wanneer alle domeinen op één lijn liggen, wat betekent dat het toevoegen van extra stroom niet zal resulteren in een verhoogd magnetisme.

Door de stroom te regelen, je kunt de magneet in wezen in- en uitschakelen. Wanneer de stroom is uitgeschakeld, de atomen keren terug naar hun natuurlijke, willekeurige toestand en de staaf verliest zijn magnetisme (technisch gezien, het behoudt enkele magnetische eigenschappen, maar niet veel en niet voor heel lang).

Met een doorsnee permanente magneet, zoals degenen die de foto van de familiehond bij de koelkast houden, de atomen zijn altijd uitgelijnd en de sterkte van de magneet is constant. Wist je dat je de kleefkracht van een permanente magneet kunt wegnemen door hem te laten vallen? De impact kan er zelfs voor zorgen dat de atomen uit de lijn vallen. Ze kunnen weer worden gemagnetiseerd door er een magneet op te wrijven.

De elektriciteit om een ​​elektromagneet aan te drijven moet ergens vandaan komen, Rechtsaf? In de volgende sectie, we zullen enkele manieren onderzoeken waarop deze magneten hun sap krijgen.

De 'Elektro' in 'Elektromagneet' plaatsen

Zo zien de magnetische velden eruit in een basiselektromagneet. Hemera/Thinkstock

Omdat een elektrische stroom nodig is om een ​​elektromagneet te laten werken, waar komt het vandaan? Het snelle antwoord is dat alles wat stroom produceert een elektromagneet kan aandrijven. Van de kleine AA-batterijen die in de afstandsbediening van uw tv worden gebruikt tot grote, industriële elektriciteitscentrales die elektriciteit rechtstreeks van een net halen, als het elektronen opslaat en overdraagt, dan kan het een elektromagneet van stroom voorzien.

Laten we beginnen met een blik op hoe huishoudelijke batterijen werken. De meeste batterijen hebben twee gemakkelijk herkenbare polen, een positieve en een negatieve. Wanneer de batterij niet in gebruik is, elektronen verzamelen zich bij de negatieve pool. Wanneer de batterijen in een apparaat worden geplaatst, de twee polen komen in contact met de sensoren in het apparaat, het circuit sluiten en elektronen vrij tussen de polen laten stromen. In het geval van uw afstandsbediening, het apparaat is ontworpen met een laden , of vertrekpunt, voor de energie opgeslagen in de batterij [bron:Grossman]. De belasting gebruikt de energie om de afstandsbediening te bedienen. Als u gewoon een draad rechtstreeks op elk uiteinde van een batterij zou aansluiten zonder belasting, de energie zou snel uit de batterij wegvloeien.

Terwijl dit gebeurt, de bewegende elektronen creëren ook een magnetisch veld. Als u de batterijen uit uw afstandsbediening haalt, het zal waarschijnlijk een kleine magnetische lading behouden. Je kon geen auto oppikken met je afstandsbediening, maar misschien wat kleine ijzervijlsel of zelfs een paperclip.

Aan de andere kant van het spectrum bevindt zich de aarde zelf. Volgens de definitie die we eerder hebben besproken, een elektromagneet wordt gecreëerd wanneer elektrische stromen rond een ferromagnetische kern vloeien. De kern van de aarde is ijzer, en we weten dat het een noordpool en een zuidpool heeft. Dit zijn niet alleen geografische aanduidingen, maar werkelijke tegengestelde magnetische polen. Het dynamo-effect , een fenomeen dat enorme elektrische stromen in het ijzer veroorzaakt dankzij de beweging van vloeibaar ijzer door de buitenste kern, creëert een elektrische stroom. Deze stroom genereert een magnetische lading, en dit natuurlijke magnetisme van de aarde is wat een kompas doet werken. Een kompas wijst altijd naar het noorden omdat de metalen naald wordt aangetrokken door de aantrekkingskracht van de Noordpool.

Duidelijk, er is een breed scala aan elektromagneettoepassingen tussen kleine, zelfgemaakte wetenschappelijke experimenten en de aarde zelf. Dus, waar duiken deze apparaten op in de echte wereld? In de volgende sectie, we zullen kijken hoe ons dagelijks leven wordt beïnvloed door elektromagnetisme.

Elektromagneten overal om ons heen

De elektromagneet in de Large Hadron Collider (LHC) heeft de vorm van een gigantische kaak. Het bestaat uit twee spoelen van 27 ton (24 ton), geïnstalleerd in een 1, 450 ton (1, 315 ton) stuitligging. Francis DEMANGE/Getty Images

Veel elektromagneten hebben een voordeel ten opzichte van permanente magneten omdat ze gemakkelijk aan en uit kunnen worden gezet, en het verhogen of verlagen van de hoeveelheid elektriciteit die rond de kern stroomt, kan hun kracht beheersen.

Moderne technologie is sterk afhankelijk van elektromagneten om informatie op te slaan met behulp van magnetische opnameapparaten. Wanneer u gegevens opslaat op een traditionele harde schijf van een computer, bijvoorbeeld, klein, gemagnetiseerde stukjes metaal zijn ingebed op een schijf in een patroon dat specifiek is voor de opgeslagen informatie. Deze gegevens begonnen het leven als binaire digitale computertaal (0s en 1s). Wanneer u deze informatie ophaalt, het patroon wordt omgezet in het oorspronkelijke binaire patroon en vertaald in een bruikbare vorm. Dus wat maakt dit een elektromagneet? De stroom die door het circuit van de computer loopt, magnetiseert die kleine stukjes metaal. Dit is hetzelfde principe dat wordt gebruikt in bandrecorders, videorecorders en andere op tape gebaseerde media (en ja, sommigen van jullie hebben nog steeds cassettedecks en videorecorders). Daarom kunnen magneten soms grote schade aanrichten aan het geheugen van deze apparaten.

U kunt elke dag elektromagnetisme gebruiken als u een telefoon of tablet draadloos oplaadt. Het oplaadpad creëert een magnetisch veld. Uw telefoon heeft een antenne die synchroniseert met de oplader, een stroom laten vloeien. Zoals je je misschien kunt voorstellen, de elektromagnetische spoelen in dergelijke apparaten zijn klein, maar grotere spoelen kunnen grotere apparaten zoals elektrische auto's opladen.

Elektromagneten maakten ook de weg vrij om het potentieel van elektriciteit echt te benutten. Bij elektrische apparaten, de motor beweegt omdat de stroom die uit je stopcontact vloeit een magnetisch veld produceert. Het is niet de elektriciteit zelf die de motor aandrijft, maar de lading die door de magneet wordt gecreëerd. De kracht van de magneet zorgt voor een roterende beweging, wat betekent dat ze rond een vast punt draaien, vergelijkbaar met de manier waarop een band rond een as draait.

Dus, waarom zou u dit proces niet overslaan en gewoon het stopcontact gebruiken om de motor van stroom te voorzien? Omdat de stroom die nodig is om een ​​apparaat van stroom te voorzien vrij groot is. Is het je ooit opgevallen hoe het inschakelen van een groot apparaat zoals een televisie of een wasmachine soms de lichten in je huis kan doen flikkeren? Dit komt doordat het apparaat in eerste instantie veel energie verbruikt, maar die grote hoeveelheid is alleen nodig om de motor op gang te krijgen. Zodra dat gebeurt, deze cyclus van elektromagnetische inductie overneemt.

Van huishoudelijke apparaten, we gaan naar enkele van de meest complexe machines die ooit zijn gebouwd om te zien hoe elektromagneten worden gebruikt om de oorsprong van het universum te ontsluiten. Deeltjesversnellers zijn machines die geladen deeltjes met ongelooflijk hoge snelheden naar elkaar toe stuwen om te observeren wat er gebeurt als ze botsen. Deze bundels van subatomaire deeltjes zijn zeer nauwkeurig en het beheersen van hun traject is van cruciaal belang, zodat ze niet uit koers raken en de machines beschadigen. Dit is waar elektromagneten binnenkomen. De magneten zijn gepositioneerd langs het pad van de botsende bundels, en hun magnetisme wordt feitelijk gebruikt om hun snelheid en traject te regelen [bron:NOVA Teachers].

Geen slecht cv voor onze vriend de elektromagneet, toch? Van iets dat je in je garage kunt maken tot het bedienen van de tools die wetenschappers en ingenieurs gebruiken om de oorsprong van het universum te ontcijferen, elektromagneten spelen een vrij belangrijke rol in de wereld om ons heen.

Klaar om zelf enkele elektromagnetische experimenten uit te proberen? Lees verder voor leuke ideeën.

DIY-elektromagneten en experimenten om te proberen

Elektromagneten zijn eenvoudig te maken; slechts een paar stukjes hardware en een voeding helpen je op weg. Eerst, je hebt de volgende items nodig:

  • een ijzeren spijker, ten minste 15 centimeter lang
  • een lengte van 22-gauge geïsoleerde koperdraad
  • één D-cel batterij

Zodra u deze items heeft, verwijder de isolatie van elk uiteinde van de koperdraad, net genoeg om voor een goede verbinding met de accu te zorgen. Wikkel de draad om de nagel; hoe strakker je het kunt wikkelen, hoe krachtiger het magnetische veld zal zijn. Eindelijk, sluit de batterij aan door een uiteinde van de draad aan de positieve pool en een aan de negatieve pool te bevestigen (het maakt niet uit welk uiteinde van de draad wordt gekoppeld aan welke terminal). Vooruit! Een werkende elektromagneet [bron:Jefferson Lab].

Kun je geen genoeg krijgen van hands-on elektromagnetische experimenten? We hebben nog enkele ideeën voor u om te proberen:

  • Wat is de magnetisch kracht van een enkele spoel gewikkeld rond een spijker? Van 10 windingen draad? Van 100 beurten? Experimenteer met verschillende aantallen beurten en kijk wat er gebeurt. Een manier om de "sterkte" van een magneet te meten en te vergelijken, is door te kijken hoeveel nietjes hij kan opnemen.
  • Wat is het verschil tussen een ijzeren en een aluminium kern voor de magneet? Bijvoorbeeld, rol wat aluminiumfolie strak op en gebruik het als kern voor je magneet in plaats van de nagel. Wat gebeurt er? Wat als u een kunststof kern gebruikt, als een pen?
  • Hoe zit het met elektromagneten? Een solenoïde is een andere vorm van elektromagneet. Het is een elektromagnetische buis die over het algemeen wordt gebruikt om een ​​stuk metaal lineair te verplaatsen. Zoek een rietje of een oude pen (verwijder de inktbuis). Zoek ook een kleine spijker (of een rechtgebogen paperclip) die gemakkelijk in de buis kan schuiven. Wikkel 100 windingen draad om de buis. Plaats de spijker of paperclip aan het ene uiteinde van de spoel en sluit de spoel vervolgens aan op de batterij. Merk op hoe de nagel beweegt? Elektromagneten worden op allerlei plaatsen gebruikt, vooral sloten. Als uw auto elektrische sloten heeft, ze kunnen werken met behulp van een solenoïde. Een ander veelvoorkomend ding om te doen met een solenoïde is om de nagel te vervangen door een dunne, cilindrische permanente magneet. Vervolgens kunt u de magneet in en uit bewegen door de richting van het magnetische veld in de solenoïde te veranderen. (Wees voorzichtig als u een magneet in uw solenoïde probeert te plaatsen, aangezien de magneet eruit kan schieten.)
  • Hoe weet ik dat er echt een magnetisch veld is? Je kunt het magnetische veld van een draad bekijken met ijzervijlsel. Koop wat ijzervijlsel of vind je eigen ijzervijlsel door een magneet door speeltuin of strandzand te halen. Doe een beetje vijlsel op een vel papier en plaats het papier over een magneet. Tik zachtjes op het papier en de vijlsel zal uitgelijnd zijn met het magnetische veld, laat je zijn vorm zien!

Oorspronkelijk gepubliceerd:1 april 2000

Veelgestelde vragen over elektromagneten

Hoe wordt een elektromagneet gemaakt?
Je kunt zelf een eenvoudige elektromagneet maken met materialen die je waarschijnlijk in huis hebt liggen. Een geleidende draad, meestal geïsoleerd koper, wordt om een ​​metalen staaf gewikkeld. De draad wordt heet om aan te raken, daarom is isolatie belangrijk. De staaf waarop de draad is gewikkeld, wordt een solenoïde genoemd, en het resulterende magnetische veld straalt weg van dit punt. De sterkte van de magneet is direct gerelateerd aan het aantal keren dat de draad om de staaf wikkelt. Voor een sterker magnetisch veld, de draad moet strakker worden gewikkeld.
Wat is een elektromagneet en hoe werkt het?
Elektromagneten creëren een magnetisch veld door de toepassing van elektriciteit. Wanneer je de stroom introduceert, hetzij van een batterij of een andere stroombron, het stroomt door de draad. Dit creëert een magnetisch veld rond de opgerolde draad, het metaal magnetiseren alsof het een permanente magneet is. Elektromagneten zijn handig omdat u de magneet aan en uit kunt zetten door het circuit te voltooien of te onderbreken, respectievelijk.
Wat zijn de belangrijkste kenmerken van elektromagneten?
Een belangrijk kenmerk is dat een elektromagneet een magnetisch veld heeft, maar alleen als de elektrische stroom vloeit. Ze worden gebruikt in situaties waar gewone magneten geen zin zouden hebben.

Veel meer informatie

gerelateerde artikelen

  • Hoe kooien van Faraday werken
  • Hoe atomen werken
  • Hoe kompassen werken
  • Hoe Maglev-treinen werken
  • Hoe elektrische motoren werken
  • Hoe elektromagnetische voortstuwing zal werken
  • Hoe maak je een elektromagneet?

bronnen

  • "Elektromagneten." Encyclopædia Britannica Online. 22 aug. 2021. http://www.britannica.com/EBchecked/topic/183188/electromagnet
  • "Ferromagneten." De Universiteit van Boston. 22 aug. 2021. http://physics.bu.edu/~duffy/py106/MagMaterials.html
  • Gagnon, Steve. Jefferson Lab-bronnen. "Wat is een elektromagneet?" https://education.jlab.org/qa/electromagnet.html
  • Gregorius, Frederik. "Oersted en de ontdekking van elektromagnetisme" Episodes in Romantic Science. Afdeling Geschiedenis, Universiteit van Florida, 1998.
  • Vieze man, Lisa. "Buis vol plasma creëert zonne-uitbarsting in laboratorium." Bedraad tijdschrift. 31 augustus 2010. (22 aug. 2021) http://www.wired.com/wiredscience/2010/08/solar-eruption-in-a-tube/
  • Mansveld. EEN. "Elektromagneten - hun ontwerp en constructie." Ruwe concept afdrukken. Juli, 2007.
  • Mearian, Lucas. "Draadloos opladen uitgelegd:wat is het en hoe werkt het?" Populaire wetenschap. 28 maart 2018. (22 aug. 2021) https://www.computerworld.com/article/3235176/wireless-charging-explained-what-is-it-and-how-does-it-work.html
  • NOVA docenten. "NOVA ScienceNOW:CERN." Augustus 2007. (22 aug. 2021) http://www.pbs.org/wgbh/nova/teachers/viewing/3410_02_nsn.html
  • onder de helling, Karel Reginald. "Solenoïden, Elektromagneten en elektromagnetische wikkelingen." Nabu Press. 20 maart 2010.

Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Het verschil tussen een sporofyt en gametofyt
  2. Wat zijn de vier eukaryotische koninkrijken?
  3. Wat zijn de verschillen tussen een oog van een koe en een menselijk oog?
  4. Is het waar dat als je drie weken iets doet, het een gewoonte wordt?
  5. Waarom neemt het DNA-gehalte toe tijdens interfase?
  6. Wat gebeurt er met cellen als gevolg van een natriumonbalans?
  7. Zelfgemaakt skeletmodel
  8. Verschillen tussen codering en sjabloonstrengen
  9. Hoe lucide dromen werkt

Wetenschap