Het magnetisch veld van de aarde, een bijzondere vorm van materiebestaan, heeft bijgedragen tot het ontstaan en de instandhouding van het leven. Fragmenten van dit veld, stukjes erts aangetrokken door ijzer, leidden tot elektriciteit in dienst van de mensheid. Zonder elektriciteit zou overleven ondenkbaar zijn.
Inhoud
Wat zijn magnetische inductielijnen
Het magnetisch veld wordt gedefinieerd door de intensiteit in elk punt van zijn ruimte. Krommen die veldpunten van gelijke modulo-spanningen verbinden worden magnetische inductielijnen genoemd. De magnetische veldsterkte op een bepaald punt is een krachtkenmerk, en de magnetische veldvector B wordt gebruikt om deze te schatten. De richting ervan op een bepaald punt op de magnetische inductielijn is er tangentieel aan.
Indien een punt in de ruimte door verschillende magnetische velden wordt beïnvloed, wordt de sterkte bepaald door de magnetische inductievectoren van elk optredend magnetisch veld bij elkaar op te tellen. In dit geval wordt de intensiteit op een bepaald punt modulo bij elkaar opgeteld, en wordt de magnetische inductievector gedefinieerd als de som van de vectoren van alle magnetische velden.
Hoewel magnetische inductielijnen onzichtbaar zijn, hebben zij bepaalde eigenschappen:
- Aangenomen wordt dat de magnetische veldlijnen de pool (N) verlaten en van (S) terugkeren.
- De richting van de magnetische inductievector is tangentieel aan de lijn.
- Ondanks de complexe vorm kruisen de curven elkaar niet en zijn ze noodzakelijkerwijs kortgesloten.
- Het magnetisch veld in de magneet is homogeen en de lijndichtheid is maximaal.
- Door een punt in het veld loopt slechts één magnetische inductielijn.
Richting van de magnetische inductielijnen binnen een permanente magneet
Historisch gezien is de natuurlijke eigenschap van bepaalde stenen om ijzer aan te trekken reeds lang op vele plaatsen op aarde waargenomen. In de loop der tijden werden in het oude China pijlen, op een bepaalde manier gesneden uit stukken ijzererts (magnetische ijzersteen), tot kompassen omgevormd, die de richting naar de noord- en zuidpool van de aarde aangaven en oriëntatie op de grond mogelijk maakten.
Onderzoek naar dit natuurverschijnsel heeft aangetoond dat ijzerlegeringen gedurende langere tijd een sterkere magnetische eigenschap hebben. Zwakkere natuurlijke magneten zijn ertsen die nikkel of kobalt bevatten. Tijdens hun studie naar elektriciteit leerden wetenschappers hoe zij kunstmatig gemagnetiseerde voorwerpen konden maken van legeringen die ijzer, nikkel of kobalt bevatten. Daartoe werden zij in een magnetisch veld gebracht dat door een gelijkstroom werd opgewekt en, zo nodig, werden wisselstromen gebruikt om hen te demagnetiseren.
In de natuur gemagnetiseerde of kunstmatig geproduceerde producten hebben twee verschillende polen - de plaatsen waar het magnetisme het meest geconcentreerd is. De magneten werken op elkaar in door middel van een magnetisch veld, zodat de polen met dezelfde naam elkaar afstoten en de polen met verschillende namen elkaar aantrekken. Dit vormt roterende momenten voor hun oriëntatie in de ruimte van sterkere velden, b.v. het veld van de Aarde.
Een visuele voorstelling van de wisselwerking tussen zwak gemagnetiseerde elementen en een sterke magneet wordt gegeven door de klassieke ervaring met staalvijlsel dat op karton is gestrooid en een platte magneet eronder. Vooral als het zaagsel langwerpig is, is duidelijk te zien hoe het langs de krachtlijnen van het magnetisch veld loopt. Door de positie van de magneet onder het karton te veranderen, wordt een verandering in de configuratie van hun beeld waargenomen. Het gebruik van kompassen in dit experiment versterkt nog het effect van het begrijpen van de structuur van het magnetisch veld.
Een van de eigenschappen van magnetische veldlijnen, ontdekt door M. Faraday suggereert dat ze gesloten en continu zijn. Lijnen die uit de noordpool van een permanente magneet komen, gaan de zuidpool binnen. Binnenin de magneet zijn ze echter niet open en komen ze van de zuidpool in de noordpool terecht. Het aantal lijnen in het product is gemaximaliseerd, het magnetisch veld is homogeen en de inductie kan zwakker worden wanneer gedemagnetiseerd.
Bepaling van de richting van de magnetische inductievector met behulp van de boorregel
In het begin van de 19e eeuw ontdekten wetenschappers dat er een magnetisch veld ontstaat rond een geleider waar een stroom doorheen loopt. De resulterende krachtlijnen gedragen zich op dezelfde manier als een natuurlijke magneet. Bovendien vormde de wisselwerking tussen het elektrisch veld van een geleider met een stroom en het magnetisch veld de basis voor de elektromagnetische dynamica.
Inzicht in de oriëntatie in de ruimte van de krachten in de op elkaar inwerkende velden maakt het mogelijk de axiale vectoren te berekenen:
- Magnetische inductie;
- Magnitudes en richtingen van inductiestroom;
- Hoeksnelheid.
Dit begrip werd geformuleerd in de regel van de borax.
Door de translatiebeweging van de rechter borawlik te combineren met de richting van de stroom in de geleider, verkrijgen we de richting van de magnetische veldlijnen zoals aangegeven door de draaiing van de slinger.
De regel van de snijder, die geen natuurkundige wet is, wordt in de elektrotechniek gebruikt om niet alleen de richting van de magnetische veldlijnen te bepalen, afhankelijk van de stroomvector in de geleider, maar integendeel om de stroomrichting in de solenoïdedraden te bepalen ten gevolge van de draaiing van de magnetische inductielijnen.
Inzicht in deze relatie stelde Ampere in staat de wet van de roterende velden te rechtvaardigen, die leidde tot de ontwikkeling van elektromotoren van verschillende principes. Alle inductieve apparaten met inductorspoelen volgen de regel van de borax.
Rechter regel
Het bepalen van de richting van een stroom die zich beweegt in het magnetisch veld van een geleider (één zijde van een gesloten spoel van geleiders) wordt duidelijk aangetoond door de rechterhandregel.
Het zegt dat wanneer de rechterhandpalm naar de N-pool is gekeerd (de stroomdraden gaan de handpalm binnen) en de duim 90 graden is afgebogen om de richting van de geleider aan te geven, het magnetisch veld in een gesloten lus (spoel) een elektrische stroom induceert, waarvan de bewegingsvector door de vier vingers wordt aangegeven.
Deze regel laat zien hoe gelijkstroomgeneratoren oorspronkelijk tot stand zijn gekomen. Een of andere natuurkracht (water, wind) liet een gesloten lus van geleiders in een magnetisch veld ronddraaien, waardoor elektriciteit werd opgewekt. Vervolgens zetten motoren, na ontvangst van elektrische stroom in een constant magnetisch veld, deze om in mechanische beweging.
De rechter regel geldt ook in het geval van spoelspoelen. De beweging van een magnetische kern in hen veroorzaakt inductiestromen.
Als de vier vingers van de rechterhand op één lijn liggen met de stroomrichting in de spoelen van een spoel, dan zal de duim die 90 graden is afgebogen naar de noordpool wijzen.
De regels van de borax en de rechterhandregel tonen met succes de wisselwerking van elektrische en magnetische velden aan. Zij maken het begrip van de werking van verschillende apparaten in de elektrotechniek toegankelijk voor bijna iedereen, niet alleen voor wetenschappers.
Verwante artikelen:
