Elektromagneet: werking, toepassingen en geschiedenis eenvoudig uitgelegd
Leer in eenvoudige taal hoe elektromagneten werken, hun toepassingen en geschiedenis — praktisch, helder en perfect voor studenten en hobbyisten.
Elektromagneten zijn tijdelijke en kunstmatige magneten. Het zijn magneten die alleen magnetisch zijn als er een spoel draad met elektriciteit doorheen loopt. De spoel van draad wordt een solenoïde genoemd. De sterkte van de magneet is in grote lijnen evenredig met de stroom die in de kring stroomt en met het aantal windingen van de spoel. De elektriciteit die door de draad loopt wordt een stroom genoemd: die stroom is een beweging van elektronen, die negatief geladen deeltjes zijn. Elektromagneten kunnen eenvoudig stukjes ijzer, nikkel en kobalt aantrekken, en worden daarom veel gebruikt in techniek en industrie.
Hoe werkt een elektromagneet?
Wanneer er stroom door een draad loopt ontstaat rond die draad een magnetisch veld. Wikkel je de draad als een spoel (een solenoïde), dan versterken de veldlijnen elkaar in het midden van de spoel en ontstaat er een sterk magnetisch veld langs de as van de spoel. Plaats je een ijzeren kern in het hart van die spoel, dan richt het ferromagnetische materiaal de veldlijnen en vergroot het de veldsterkte veel sterker dan een lege spoel. Dit komt door de hoge magnetische permeabiliteit van materialen zoals ijzer, nikkel en kobalt.
Belangrijke factoren die de sterkte bepalen
- Stroomsterkte: meer stroom geeft een sterker magnetisch veld.
- Aantal windingen: meer windingen (ampère-windingen) verhogen het veld.
- Kernmateriaal: zachte ferromagnetische materialen (zoals zacht ijzer) leiden tot sterkere en snel veranderende magneten; staal behoudt magnetisatie langer en is moeilijker te demagnetiseren.
- Luchtspleet: een grotere afstand tussen delen van de kern vermindert het veld; in speciale toepassingen wordt daar nauwkeurig mee gerekend.
- Verzadiging: bij hoge stromen bereikt een kernverzadiging waarna extra stroom nauwelijks extra veld oplevert.
Materialen en magnetisch gedrag
Niet alle metalen reageren hetzelfde: puur ijzer of zogeheten zachte magnetische legeringen worden snel magnetisch en raken ook weer snel ontmagnetiseerd als de stroom wegvalt. Legeringen zoals staal (ijzer met koolstof) hebben vaak een grotere restmagnetisatie en houden dus langer magnetisme vast; daarom zijn ze minder geschikt als kern als je wilt dat de elektromagneet snel schakelt. Om hysteresis- en wervelstroomverliezen te beperken worden in wisselstroomtoepassingen vaak gelamineerde kernen of speciale siliciumstalen platen gebruikt.
Hoe bouw je een eenvoudige elektromagneet?
Een eenvoudige elektromagneet maak je door geïsoleerde koperdraad rondom een ijzeren staaf te wikkelen. Verbind de twee uiteinden van de draad met de + (positieve) en - (negatieve) kant van een batterij of een andere stroombron. Belangrijke praktische punten:
- Gebruik geïsoleerde draad zodat windingen elkaar niet kortsluiten.
- Meer windingen en een dikkere stroombron geven meer kracht.
- Let op verwarming: veel stroom door dunne draad kan de isolatie en batterij beschadigen.
- Houd rekening met polariteit: keer je de stroom om, dan keren noord- en zuidpool van de magneet om (rechts-of linksom-wikkeling bepaalt welke pool waar zit).
Geschiedenis in het kort
De samenhang tussen elektriciteit en magnetisme kwam in het begin van de 19e eeuw aan het licht: Hans Christian Ørsted ontdekte in 1820 dat een elektrische stroom een naald kon beïnvloeden. Michael Faraday en André-Marie Ampère deden verder fundamenteel werk. De Britse uitvinder William Sturgeon bouwde in 1825 een van de eerste praktische elektromagneten: een spoel met een ijzeren kern die voor die tijd relatief veel kracht kon leveren. Later werden elektromagneten essentieel in telecommunicatie (telegraaf), elektromotoren en generatoren.
Toepassingen
Elektromagneten komen in veel dagelijkse en industriële toepassingen voor, onder andere:
- Inbraakalarmen en elektrische deursloten
- Relais en schakelaars (relais) die elektrisch schakelen zonder mechanisch contact
- Brandbellen en deurbelmechanismen
- Elektromotoren en generatoren: in principe werken zij met elektromagneten om beweging of elektriciteit op te wekken
- Luidsprekers en microfoons (magneten en spoelen zetten elektrische signalen om in beweging en omgekeerd)
- Kranen voor het verplaatsen van autowrakken en schroot
- MRI-scanners en andere medische apparatuur (vaak met sterke elektromagneten, soms supergeleidend)
- Snel wisselende magneten in transformatoren en industriële toepassingen
Elektromagnetisme en opwekking van elektriciteit
Elektromagneten werken niet alleen als consument van elektriciteit; volgens de wet van Faraday kan ook beweging tussen magneten en spoelen elektrische spanning opwekken. Het heen- en weer bewegen van een magneet ten opzichte van een spoel (of andersom) induceert een elektrische stroom in die spoel — dit is het basisprincipe achter dynamo's en generatoren.
Veiligheid en beperkingen
- Een elektromagneet kan heet worden bij langdurig gebruik; zorg voor goede koeling en juiste bedrading.
- Sterke magnetische velden kunnen elektronische apparatuur en magnetische opslag media beschadigen.
- Bij wisselstroomtoepassingen treden extra verliezen op (wervelstromen, hysteresis) waarvoor speciale kernmaterialen of lamineringen nodig zijn.
- Er bestaat een grens aan hoe sterk je een kern kunt magnetiseren: verzadiging beperkt de maximale veldsterkte.
Door hun aan- en uitschakelbaarheid, regelbaarheid en relatief eenvoudige bouw zijn elektromagneten onmisbaar in moderne techniek. Of het nu gaat om kleine relais in huishoudelijke apparaten of enorme hulpmagneten in de industrie, hetzelfde basisprincipe van stroom door een spoel bepaalt hun werking.
De elektromagneet trekt paperclips aan wanneer er stroom wordt toegepast waardoor er een magnetisch veld ontstaat, verliest deze wanneer de stroom en het magnetisch veld worden verwijderd.
Als er stroom door een draad stroomt, maakt het een magnetisch veld rond de draad. Meestal is dit veld erg zwak, dus een enkele draad maakt geen magnetisch veld sterk genoeg om metalen voorwerpen op te vangen. Op deze foto is "I" de stroom en "B" het magnetisch veld.
Waarom elektromagneten werken
Elektromagneten werken omdat wanneer elektriciteit door een draad stroomt het een magnetisch veld om de draad maakt. De richting van het magnetisch veld kan worden gevonden met behulp van de rechtse regel. Dit betekent dat als een persoon de duim van zijn rechterhand in de richting van de stroom wijst, het magnetisch veld om de draad heen gaat op dezelfde manier als zijn vingers om de draad heen gaan.
Het magnetisch veld dat door een enkele draad wordt opgewekt is meestal niet erg sterk. Om een elektromagneet te maken wordt de draad normaal gesproken in vele lussen gewikkeld om de velden van elk stuk draad samen te voegen tot één sterker magnetisch veld.
Vragen en antwoorden
V: Wat is een elektromagneet?
A: Een elektromagneet is een tijdelijke en kunstmatige magneet die alleen magnetisch is als er een draadspoel met elektriciteit doorheen loopt. De draadspoel wordt een solenoïde genoemd.
V: Hoe varieert de sterkte van een elektromagneet?
A: De sterkte van de magneet is evenredig met de stroom die in het circuit loopt, dus als de stroom toeneemt, wordt het magnetisme sterker.
V: Welke deeltjes zijn verantwoordelijk voor het ontstaan van elektriciteit?
A: Elektriciteit die door een draad loopt, bestaat uit negatief geladen deeltjes die elektronen worden genoemd.
V: Wie heeft de elektromagneet uitgevonden?
A: De Britse elektricien William Sturgeon vond de elektromagneet uit in 1825.
V: Wat maakt een elektromagneet nuttig in vergelijking met permanente magneten?
A: Een elektromagneet is nuttig omdat hij gemakkelijk kan worden in- en uitgeschakeld (met behulp van een elektrische stroom), terwijl een permanente magneet niet kan worden uitgeschakeld en zijn onmiddellijke omgeving zal blijven beïnvloeden.
V: Hoe maak je een elektromagneet?
A: Om een elektromagneet te maken wordt koperdraad om een ijzeren staaf gewikkeld. De twee uiteinden van de draad worden verbonden met de + (positief) en de - (negatief) kant van de batterij.
V: Hoe reageren verschillende legeringen verschillend bij blootstelling aan elektromagnetische velden?
A: IJzer houdt heel snel op een elektromagneet te zijn, maar staal heeft tijd nodig om te slijten.
Zoek in de encyclopedie