Hoe Elektromagneten Werken

{h1}

Elektromagneten zijn te vinden in motoren, tape decks, harde schijven, videorecorders en tal van andere apparaten. Ontdek wat een elektromagneet van elektromagneten maakt en leer er thuis een te maken.

- Wat hebben een sloophof, een rockconcert en je voordeur gemeen? 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 wanneer iemand aanbelt, trekt een kleine elektromagneet een metalen klepel tegen een bel.

Mechanisch gezien is een elektromagneet vrij eenvoudig. Het bestaat uit een stuk geleidende draad, meestal koper, gewikkeld om een ​​stuk metaal. Net als het monster van Frankenstein lijkt dit 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. Een stroom wordt geïntroduceerd, hetzij van een batterij of een andere bron van elektriciteit, en stroomt door de draad. Dit creëert een magnetisch veld rond de opgerolde draad, waardoor het metaal magnetiseert alsof het een permanente magneet is. Elektromagneten zijn handig omdat u de magneet kunt in- en uitschakelen door het circuit te voltooien of te onderbreken.

Voordat we te ver gaan, moeten we bespreken hoe elektromagneten verschillen van uw gewone magneten, zoals de magneten die uw popsicle-kunst in de koelkast houden. Zoals je weet hebben magneten twee polen, "noord" en "zuid", en trekken dingen aan die gemaakt zijn van staal, ijzer of een combinatie daarvan. Zoals stokken trekken stelen en tegengestelden aan (ah, de kruising van romantiek en fysica). Als u bijvoorbeeld twee staafmagneten hebt met de uiteinden "noord" en "zuid", trekt het noordelijke uiteinde van een magneet het zuidelijke uiteinde van de andere aan. Aan de andere kant zal het noordelijke uiteinde van een magneet het noordelijke uiteinde van de andere afstoten (en op dezelfde manier zal het zuiden zuiden afstoten). Een elektromagneet is op dezelfde manier, behalve dat deze "tijdelijk" is - het magnetisch veld bestaat alleen wanneer er elektrische stroom vloeit.

De deurbel is een goed voorbeeld van hoe elektromagneten kunnen worden gebruikt in toepassingen waar permanente magneten gewoon niet logisch zouden zijn. Wanneer een gast op de knop op uw voordeur drukt, sluit het elektronische circuit binnen in de deurbel een elektrische lus, wat betekent dat het circuit is voltooid en "ingeschakeld". Het gesloten circuit zorgt ervoor dat elektriciteit kan stromen, waardoor een magnetisch veld ontstaat en de klep wordt veroorzaakt om gemagnetiseerd te worden. De hardware van de meeste deurbellen bestaat uit een metalen bel en een metalen klepel die, wanneer de magnetische ladingen ervoor zorgen dat ze samenklonteren, je het klokkenspel binnen hoort en de deur kunt beantwoorden. De bel gaat, de gast laat de knop los, het circuit gaat open en de deurbel stopt met zijn helse bellen. Dit magnetisme op aanvraag is wat de elektromagneet zo nuttig maakt.

In dit artikel gaan we dieper in op elektromagneten en ontdekken we hoe deze apparaten een behoorlijk coole wetenschap hebben en toepassen op gadgets overal om ons heen die ons leven gemakkelijker maken.

De geschiedenis van elektromagneten

Zie, Michael's magneet - electro, dat wil zeggen.

Zie, Michael's magneet - electro, dat wil zeggen.

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

Maxwell's 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 toen een batterij in zijn laboratorium werd in- en uitgeschakeld [bron: Gregory]. Dit zou alleen gebeuren als er een magnetisch veld aanwezig was om te interfereren met de naald van het kompas, dus concludeerde hij dat een magnetisch veld werd gegenereerd uit de elektriciteit die uit de batterij stroomde. Maar Oersted trok naar het vakgebied van de chemie en liet het onderzoek naar elektriciteit en magnetisme aan anderen over [bron: Mahon].

De grootvader van elektromagnetisme is Michael faraday, een chemicus en een fysicus die veel van de theorieën ontwikkelden die later door Maxwell worden voortgebouwd. Eén reden waarom Faraday zoveel prominenter in de geschiedenis is dan Maxwell of Oersted waarschijnlijk te danken is aan het feit dat hij zo'n productief onderzoeker en uitvinder is. Hij wordt alom geprezen als een pionier op het gebied van elektromagnetisme, maar hij is ook gecrediteerd voor het ontdekken van elektromagnetische inductie, die we later zullen bespreken wanneer we enkele echte toepassingen onderzoeken. Faraday heeft ook de elektromotor uitgevonden, en naast zijn invloedrijke werk in de natuurkunde was hij ook de allereerste persoon die werd benoemd tot de prestigieuze positie van Fullerian Professor of Chemistry aan de Royal Institution of Great Britain. Niet te shabby.

Dus wat heeft het werk van deze mannen ontdekt? In het volgende gedeelte zullen we bekijken hoe elektromagneten werken.

De blijvende kracht van elektromagneten

Een eenvoudige elektromagneet

Een eenvoudige elektromagneet

Zoals we in de inleiding al zeiden, zijn basismetromagneten niet zo gecompliceerd; je kunt zelf een eenvoudige versie van een maken met behulp van materialen die je waarschijnlijk in huis hebt liggen. Een geleidende draad, meestal geïsoleerd koper, is rond een metalen staaf gewikkeld. De draad zal warm aanvoelen, waardoor isoleren belangrijk is. De staaf waarop de draad is gewikkeld, wordt a genoemd solenoideen het resulterende magnetische veld straalt vanaf dit punt weg. De sterkte van de magneet is direct gerelateerd aan het aantal keren dat de draad rond de staaf draait. Voor een sterker magnetisch veld moet de draad strakker worden gewikkeld.

OK, er is iets meer mee dan dat. Hoe dichter de draad rond de staaf of kern wordt gewikkeld, hoe meer lussen de stroom eromheen maakt, waardoor de sterkte van het magnetische veld toeneemt. Behalve hoe strak de draad is opgewonden, kan het materiaal dat wordt gebruikt voor de kern ook de sterkte van de magneet regelen. IJzer is bijvoorbeeld een ferromagnetische metaal, wat betekent dat het zeer goed doorlaatbaar is [bron: Boston University]. doordringbaarheid 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, worden de atomen in de metalen kern willekeurig gerangschikt, niet in een bepaalde richting. Wanneer de stroom wordt geïntroduceerd, dringt het magnetische veld de staaf binnen en lijnt de atomen opnieuw uit. Met deze atomen in beweging, en allemaal in dezelfde richting, groeit het magnetische veld. De uitlijning van de atomen, kleine gebieden van gemagnetiseerde atomen genoemd domeinen, neemt toe en af ​​met het stroomniveau, dus door de stroom van elektriciteit te regelen, kunt u 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 verhoogd magnetisme.

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

Met een gewone magneet, zoals die met de foto van de familiehond in de koelkast, zijn de atomen altijd uitgelijnd en is de sterkte van de magneet constant. Wist je dat je de blijvende kracht van een permanente magneet kunt wegnemen door deze te laten vallen? Door de impact kunnen de atomen zelfs uitvallen. Ze kunnen weer worden gemagnetiseerd door er een magneet over te wrijven.

De elektriciteit om een ​​elektromagneet van stroom te voorzien moet ergens vandaan komen, toch? In het volgende gedeelte zullen we enkele manieren onderzoeken waarop deze magneten hun sap krijgen.

De "Electro" in "Elektromagneet" plaatsen

Dit is hoe de magnetische velden eruit zien in een standaard elektromagneet.

Dit is hoe de magnetische velden eruit zien in een standaard elektromagneet.

Omdat een elektrische stroom nodig is om een ​​elektromagneet te bedienen, waar komt deze vandaan? Het snelle antwoord is dat alles dat een stroom produceert, een elektromagneet van stroom kan voorzien. Van de kleine AA-batterijen die in uw TV-afstandsbediening worden gebruikt tot grote, industriële elektriciteitscentrales die elektriciteit rechtstreeks uit een elektriciteitsnet trekken, als het elektronen opslaat en overdraagt, kan het een elektromagneet van stroom voorzien.

Laten we beginnen met een blik op hoe huishoudelijke batterijen functioneren. De meeste batterijen hebben twee gemakkelijk herkenbare polen, een positieve en een negatieve. Wanneer de batterij niet in gebruik is, verzamelen elektronen zich bij de negatieve pool. Wanneer de batterijen in een apparaat worden geplaatst, komen de twee polen in contact met de sensoren in het apparaat, waardoor het circuit wordt gesloten en elektronen vrij tussen de polen kunnen stromen. In het geval van uw afstandsbediening, is het apparaat ontworpen met een ladenof uitgangspunt voor de energie die is opgeslagen in de batterij [bron: Grossman]. De belasting zet de te gebruiken energie in werking met de afstandsbediening. Als u eenvoudig een draad rechtstreeks op elk uiteinde van een batterij zonder belasting zou aansluiten, zou de energie snel van de batterij leeglopen.

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

Aan de andere kant van het spectrum bevindt zich de aarde zelf. Door de definitie die we eerder bespraken, wordt een elektromagneet gecreëerd wanneer elektrische stromen rond een of andere ferromagnetische kern stromen. 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 strijkijzer veroorzaakt dankzij de beweging van vloeibaar ijzer over de buitenste kern, creëert een elektrische stroom. Deze stroom genereert een magnetische lading, en dit natuurlijke magnetisme van de aarde is wat een kompas laat werken. Een kompas wijst altijd naar het noorden omdat de metalen naald wordt aangetrokken door de aantrekkingskracht van de Noordpool.

Het is duidelijk dat er een breed scala aan elektromagnetische toepassingen is tussen kleine, zelfgemaakte wetenschappelijke experimenten en de aarde zelf. Waar verschijnen deze apparaten in de echte wereld? In het volgende gedeelte zullen we bekijken hoe ons dagelijks leven wordt beïnvloed door elektromagnetisme.

Elektromagneten overal om ons heen

Ingenieurs plaatsen een gigantische magneet in de Large Hadron Collider, een enorme deeltjesversneller.

Ingenieurs plaatsen een gigantische magneet in de Large Hadron Collider, een enorme deeltjesversneller.

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 door de kern stroomt, hun kracht kan beheersen.

Moderne technologie leunt zwaar op elektromagneten om informatie op te slaan met behulp van magnetische opnameapparaten. Wanneer u gegevens opslaat op de harde schijf van uw computer, bijvoorbeeld, worden kleine, gemagnetiseerde stukken metaal op een schijf ingesloten 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, wordt het patroon geconverteerd naar het oorspronkelijke binaire patroon en vertaald naar een bruikbare vorm. Dus wat maakt dit een elektromagneet? De stroom die door de circuits van de computer loopt, magnetiseert die kleine stukjes metaal. Dit is hetzelfde principe dat gebruikt wordt in bandrecorders, videorecorders en andere op tape gebaseerde media (en ja, sommige van jullie hebben nog steeds cassettes en videorecorders). Dit is de reden waarom magneten soms grote schade aanrichten aan de herinneringen van deze apparaten.

Elektromagneten hebben ook de weg geëffend om in de eerste plaats echt gebruik te maken van het potentieel van elektriciteit. In elektrische apparaten beweegt de motor omdat de stroom die uit uw 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 roteren, vergelijkbaar met de manier waarop een band rond een as roteert.

Dus, waarom dit proces niet overslaan en gewoon de uitlaat gebruiken om de motor in de eerste plaats van stroom te voorzien? Omdat de stroom die nodig is om een ​​apparaat van stroom te voorzien vrij groot is. Is het u wel eens opgevallen dat het inschakelen van een groot apparaat zoals een televisie of een wasmachine soms kan veroorzaken dat de lichten in uw huis flikkeren? Dit komt omdat het apparaat in eerste instantie veel energie trekt, maar die grote hoeveelheid is alleen nodig om de motor aan de gang te krijgen. Zodra dat gebeurt, deze cyclus van elektromagnetische inductie neemt het over.

Van huishoudelijke apparaten gaan we naar de meest complexe machines die ooit zijn gebouwd om te zien hoe elektromagneten worden gebruikt om de oorsprong van het universum te ontgrendelen. Deeltjesversnellers zijn machines die geladen deeltjes naar elkaar toe drijven met ongelooflijk hoge snelheden om te observeren wat er gebeurt als ze botsen. Deze balken van subatomaire deeltjes zijn zeer precies en het regelen van hun baan is van cruciaal belang, zodat ze niet uit koers raken en de machine beschadigen. Hier komen elektromagneten binnen. De magneten worden langs het pad van de botsende balken geplaatst en hun magnetisme wordt feitelijk gebruikt om hun snelheid en traject te regelen [bron: NOVA-leerkrachten].

Geen slecht CV voor onze vriend, de elektromagneet, nietwaar? Van iets dat je in je garage kunt maken om de gereedschappen te gebruiken die wetenschappers en ingenieurs gebruiken om de oorsprong van het universum te ontcijferen, elektromagneten hebben een vrij belangrijke rol in de wereld om ons heen.

Klaar om zelf elektromagnetische experimenten uit te proberen? Klik door naar de volgende pagina voor leuke ideeën.

DIY-elektromagneten en experimenten om te proberen

Elektromagneten zijn eenvoudig te maken; slechts een paar stukjes hardware en een stroomvoorziening komen u op weg. Ten eerste hebt u de volgende items nodig: -

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

Zodra u deze items hebt, verwijdert u de isolatie van elk uiteinde van de koperdraad net genoeg om een ​​goede verbinding met de batterij te krijgen. Wikkel de draad rond de nagel; hoe vaster je het kunt wikkelen, hoe krachtiger het magnetisch veld zal zijn. Verbind tenslotte de batterij door een uiteinde van de draad aan te sluiten op de pluspool en een op de negatieve pool (het maakt niet uit welk uiteinde van de draad wordt gekoppeld met welke aansluiting). Presto! Een werkende elektromagneet [bron: Jefferson Lab].

Krijg je geen genoeg van praktische elektromagnetische experimenten? We hebben nog enkele ideeën om uit te proberen:

  • Wat is de magnetisch kracht van een enkele spoel gewikkeld rond een spijker? Van 10 beurten 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 om te zien hoeveel nietjes het kan oppakken.
  • Wat is het verschil tussen een ijzer en een aluminium kern voor de magneet? Rol bijvoorbeeld wat aluminiumfolie strak op en gebruik het als de kern voor uw magneet in plaats van de spijker. Wat gebeurt er? Wat als u een plastic kern gebruikt, zoals een pen?
  • Hoe zit het met magneetventielen? Een solenoïde, weet je nog, is een andere vorm van elektromagneet. Het is een elektromagnetische buis die over het algemeen wordt gebruikt om een ​​stuk metaal lineair te bewegen. Zoek een rietje of een oude pen (verwijder de inktslang). Zoek ook een kleine spijker (of een rechtgebogen paperclip) die gemakkelijk in de buis kan schuiven. Wikkel 100 slagen draad rond de buis. Plaats de spijker of paperclip aan het ene uiteinde van de spoel en sluit vervolgens de spoel aan op de batterij. Zie je hoe de spijker beweegt? Solenoïden worden op allerlei plaatsen gebruikt, met name sloten. Als uw auto stroomvergrendelingen heeft, kunnen deze werken met een solenoïde. Een ander veel voorkomend 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 uitschakelen door de richting van het magnetische veld in de magneet te wijzigen. (Wees alsjeblieft voorzichtig als je een magneet in je solenoïde plaatst, omdat de magneet kan schieten.)
  • Hoe weet ik dat er echt een magnetisch veld is? Je kunt het magnetisch veld van een draad bekijken met ijzervijlsel. Koop wat ijzervijlsel of vind je eigen ijzervijlsel door een magneet door een speeltuin of strandzand te laten lopen.Leg een lichte afvegen van vijlsel op een vel papier en plaats het papier op een magneet. Tik licht op het papier en de vijlen komen overeen met het magnetische veld, zodat je de vorm ervan kunt zien!

Kijk voor meer informatie over elektromagneten en aanverwante onderwerpen op de elektriserende links op de volgende pagina.


Video Supplement: Hoe werkt een magneet?.




Onderzoek


Waarom Rond Hoeken Zien Kan Volgende 'Superkracht' Worden
Waarom Rond Hoeken Zien Kan Volgende 'Superkracht' Worden

Wat Is Een Eenvoudige Harmonische Beweging?
Wat Is Een Eenvoudige Harmonische Beweging?

Science Nieuws


Six-Toed 'Hemingway Cats' Overleeft Orkaan Irma
Six-Toed 'Hemingway Cats' Overleeft Orkaan Irma

7 Juli 1947: Ufo-Crashes In Roswell, N.M.
7 Juli 1947: Ufo-Crashes In Roswell, N.M.

Eerste Solide Teken Dat Materie Zich Niet Gedraagt ​​Zoals Antimaterie
Eerste Solide Teken Dat Materie Zich Niet Gedraagt ​​Zoals Antimaterie

Mama'S Stress Tijdens De Zwangerschap, Gebonden Aan Tienercoördinatieproblemen
Mama'S Stress Tijdens De Zwangerschap, Gebonden Aan Tienercoördinatieproblemen

100 Slechtste Amerikaanse Steden Voor Mensen Met Allergieën: De Lijst
100 Slechtste Amerikaanse Steden Voor Mensen Met Allergieën: De Lijst


WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com