X-MD Spoelen en condensatoren - Les2 - Opbouw van de spoel

• Electronica
• MBO
• Studiejaar 1

Spoelen en condensatoren

Hoofdstuk 2

Opbouw van de spoel

Lesdoelen voor deze les

Stroomvoerende geleider

De Deense natuurkundige Hans Christian Orsted ontdekte in 1820 het verband tussen elektriciteit en magnetisme. Hij toonde aan dat een stroomvoerende geleider invloed heeft op zijn kompas.

Stroomvoerende geleider

Orsted ontdekte dat er een  cirkelvormig magnetisch veld rond de stroomvoerende geleider ontstond.

De richting van dit magnetische veld is te bepalen met de rechterhandregel.

(duim=stroomrichting)

(vingers=veldrichting) 

Stroomvoerende geleider

Omdat het lastig is het magnetisch veld en de stroomrichting in één plaatje weer te geven hebben we een afspraak gemaakt. 

Hulpmiddelen:

• Magnetisch veld -> Kurkentrekkerregel
• Stroomrichting -> pijl (boogschieten)

Spoel

Spoel is een gewikkelde draad.

Wanneer er een stroom door de spoel loopt werken alle cirkelvormige magnetische velden samen en wordt er een elektromagneet gecreëerd. 

Spoel

Ook hier kan de rechterhandregel gebruikt of de kurkentrekkerregel gebruikt worden om de richting van het magnetische veld te bepalen.

Rechterhandregel:

Vingers -> richting van de stroom

Duim -> richting van het magnetische veld (wijst naar de noordpool)

Spoel

Advies:

1. teken de spoel op deze wijze.
2. bepaal de stroomrichting in de geleiders (boven en onder).
3. Bepaal de richting van het magnetische veld.
4. Binnen de spoel wijzen de pijlen naar de noordpool.

Magnetische veldsterkte

De magnetische veldsterkte geven we aan met de letter H (grootheid) en heeft als eenheid A/m. De magnetische veldsterkte is afhankelijk van 3 factoren:

1. De stroom.
2. Het aantal wikkelingen.
3. De lengte van de spoel.

Magnetische veldsterkte

In formulevorm ziet dit er zo uit.

H=N⋅​l​spoel​​​​I​​

Dit is overigens de wet van Maxwell

Magnetische veldsterkte

Een spoel heeft  200 wikkeling en is 5cm lang. Er wordt 5A door de spoel gestuurd. Hoe groot is de magnetische veldsterkte in de spoel?

Magnetische veldsterkte

Een spoel heeft 200 wikkeling en is 5cm lang. Er wordt 5A door de spoel gestuurd. Hoe groot is de magnetische veldsterkte in de spoel?

N=200  l=5cm=0,05m  I=5A

H=N⋅​l​spoel​​​​I​​=200⋅​0.05​​5​​=20000

A/m

Relatie tussen fluxdichtheid en de veldsterkte

Wanneer we de fluxdichtheid (B) meten neemt deze eveneens recht evenredig met H (en dus I) toe. B geeft aan hoe sterk de magneet is (hoe groter hoe sterker).

Relatie tussen fluxdichtheid en de veldsterkte

Wanneer we nu een zachtstalen kern in de spoel aanbrengen (bijvoorbeeld een stalen spijker)

Relatie tussen fluxdichtheid en de veldsterkte

De fluxdichtheid krijgt een versterking/vergroting mee. Wat gebeurt hier nu precies?

Het materiaal wat we gebruikt hebben

noemen we een ferromagnetisch materiaal.

Ferromagnetisch materiaal

Een ferromagnetisch materiaal is opgebouwd uit allemaal dipolen. Dit zijn op moleculair niveau allemaal kleine kompasnaaldjes (en dus magneten). De dipolen hebben allemaal een veldrichting. 

(net als een magneet).

Ferromagnetisch materiaal

Dipolen verzamelen zich altijd in groepjes of gebiedjes die allemaal dezelfde veldrichting hebben. Deze gebiedjes noemen we Weissgebiedjes. Een Weiss-

gebiedje heeft in zijn geheel dus

een veldrichting.

Ferromagnetisch materiaal

In ons materiaal zijn miljoenen weissgebiedjes aanwezig. Deze zijn zo gepositioneerd dat het materiaal zelf niet magnetisch is. De magnetische velden van de gebiedjes heffen elkaar op. 

dit heet maagdelijk materiaal

Ferromagnetisch materiaal

Wanneer we het materiaal gaan magnetiseren draaien de dipolen en daarmee de weissgebiedjes zich stuk voor stuk in dezelfde richting als ons opgewekte magnetische veld. De dipolen gaan dus meewerken met het opgewekte magnetische veld.

Ferromagnetisch materiaal

Wanneer we het magnetisch veld zo sterk maken dat alle weissgebiedjes in dezelfde richting staan als het opgewekte magnetische veld, zal de fluxdichtheid (B) nauwelijks nog toenemen (situatie c). Het materiaal treed in de verzadiging. 

Relatie tussen fluxdichtheid en de veldsterkte

In een ferromagnetisch materiaal wordt het magnetische veld dus versterkt door de dipolen in het materiaal.

Deze versterking noemen we permeabiliteit. 

We geven permeabiliteit aan met de grootheid 

De eenheid die bij permeabiliteit hoort is [H/m]

μ

Permeabiliteit

Als je naar de grafiek kijkt zal je misschien opvallen dat de permeabiliteit (versterking) niet constant is. Anders zou de grafiek lineair lopen.

Absolute en relatieve permeabiliteit

Meestal rekenen we met een relatieve permeabiliteit. Hier hebben we een nulpunt voor nodig. Logischerwijs is hier gekozen voor de permeabiliteit van vacuüm. Dit noemen we de absolute permeabiliteit. We geven de absolute permeabiliteit aan met de grootheid         en deze heeft de constante waarde van                         H/m.

4π⋅10​−7​​

μ​0​​

Absolute en relatieve permeabiliteit

Relatieve permeabiliteit geven we aan met de grootheid        . Deze grootheid is dimensie loos en heeft dus geen eenheid.

De relatieve permeabiliteit geeft aan hoeveel keer groter de permeabiliteit (versterking) van een bepaald materiaal is ten opzichte van vacuüm.

μ​r​​

Absolute en relatieve permeabiliteit

De relatieve permeabiliteit kunnen we berekenen met:

μ​r​​=​μ​0​​​​μ​​

[geen eenheid]

Permeabiliteit

Een stuk dynamostaal heeft een relatieve permeabiliteit van 1000. Hoe groot is de permeabiliteit van het dynamostaal?

                                        H/m

μ​0​​=4π⋅10​−7​​

Permeabiliteit

Een stuk dynamostaal heeft een relatieve permeabiliteit van 1000. Hoe groot is de permeabiliteit van het dynamostaal?

μ=μ​r​​⋅μ​0​​=1000⋅4π⋅10​−7​​=4π⋅10​−4​​

H/m

μ​0​​=4π⋅10​−7​​

μ​r​​=1000

[H/m]

Ferromagnetisch materiaal

We hebben net gezien dat een kern, gemaakt van ferromagnetisch materiaal, gemagnetiseerd kan worden door hem in een magnetisch veld te brengen. Wat zou er gebeuren als de spanning van de spoel afgehaald wordt?

Ferromagnetisch materiaal

De magnetische veldsterkte van het opgewekte veld (H) wordt volledig afgebouwd. Het magnetisch veld aan de polen (B) blijft gedeeltelijk behouden. De kern blijft dus een beetje magnetisch. 

Ferromagnetisch materiaal

Niet alle dipolen vallen terug in hun oorspronkelijke positie.

Dit noemen we remanent magnetisme (Br). Het materiaal is niet maagdelijk meer.

Ferromagnetisch materiaal

Om het remanente magnetisme uit het materiaal te halen zal een tegen magnetisch veld opgewekt moeten worden. De grootte van de veldsterkte die daarvoor nodig is heet coërcitieve veldsterkte (Hc)

Hysteresislus

De kern in een spoel met wisselspanning.

Opgaven

Lezen 2.1 t/m 2.3

Maken blz 133 t/m 140