Elektromagneet

Het werkingsprincipe van elektromagneten

Een elektromagneet is een apparaat, dat door aansluiting aan een stroombron een magneetveld opwekt. Meestal gaat het om een spoelvormig opgewikkelde geleider met een ferromagnetische spoelkern. Het magneetveld wordt veroorzaakt door de bewogen ladingen van de stroom in de geleider.

Naar de huidige stand van kennis is de beweging van ladingsdrager de enige mogelijkheid om een magneetveld op te wekken. Dit wordt zo ook beschreven door de Maxwell-vergelijkingen, de door de natuurkundige James Clerk Maxwell opgestelde basisvergelijkingen van de elektrodynamica. De Maxwell-vergelijkingen beschrijven precies de grootte van de magnetische en elektrische velden in afhankelijkheid van stromen en ladingen. Meer over de geschiedenis der magneten kunt u nalezen in onze raadgever.

In principe bestaan er alleen magneetvelden, die door de beweging van lading worden opgewekt. Daarbij ontstaat altijd een magneetveld met een noordpool en een zuidpool. Er bestaan geen bronnen voor het magneetveld, zoals de ladingen de bronnen van het elektrische veld zijn.

De eerste natuurkundige, die de magnetische krachten van een geleider, waar stroom doorheen loopt, vaststelde, correct interpreteerde en zijn ontdekking opschreef, was Hans Christian Oersted. Oersted nam hierbij in 1820 in de buurt van een draad, waar stroom doorheen liep, het uitslaan van een kompasnaald waar.

Ook de magnetische krachten van de permanente magneten worden veroorzaakt door een microscopische beweging van de lading in de materie. Zo bewegen zich de elektronen in de atomen met een grote snelheid. De elektronen hebben hierbij ook een karakteristieke elektronenspin. Deze beide dingen veroorzaken een magnetisch moment en daarmee magnetische krachten.

De grootste magneetvelden ooit zijn opgewekt met grote spoelen, waar sterke stromen doorheen worden geleid. Het magneetveld H in het midden van een spoel met de lengte l en de straal R is evenredig met de stroom I, evenredig met het aantal wikkelingen van de spoel n en bij erg lange spoelen omgekeerd evenredig met de lengte van de spoel l, resp. bij erg korte spoelen omgekeerd evenredig met de straal van de spoel R. De formule voor het magnetische veld H op de as van een cilindrische spoel, waar een stroom doorheen loopt, luidt:

\(H = \frac{n\cdot{I}}{\sqrt{l^2+4\cdot{R^2}}}\)
Bijzonder sterk is dus het magneetveld van een spoel met een kleine diameter en een erg groot aantal windingen, waar een erg grote stroom doorheen wordt geleid.

Om bijzonder grote magneetvelden op te wekken worden daarom heden ten dage supergeleidende spoelen met een groot aantal windingen gebruikt. Supergeleiders zijn materialen, die geen elektrische weerstand hebben, dus stroom zonder wrijving geleiden. Er kan dus een erg sterke stroom door het supergeleidende materiaal lopen. Om de doorsnede en dus de diameter van de spoel te verkleinen werden in experimenten in het kader van het fundamentele onderzoek naar hoge magnetische velden supergeleidende spoelen door een rond de spoel aangebrachte explosieve lading per explosie samengedrukt. Daarbij vermindert met een klap de doorsnede van de supergeleidende spoel en het magnetisch veld stijgt voor een kort moment sterk, ook wanneer het dan meteen weer in elkaar stort, omdat de spoel werd vernietigd. Door de explosie werden de magnetische veldlijnen als het ware gecomprimeerd.

Met dit procedé werden al magneetvelden van een paar 10 000 tesla magneetveldsterkte opgewekt. In het heelal op het oppervlak van neutronensterren komen nog grotere magneetvelden.

In een ferromagnetisch materiaal bestaan elementaire magnetische polarisaties, die zich in een extern magnetisch veld uitlijnen en het tot wel duizend maal kunnen versterken. Daarom worden ferromagnetische materialen in elektromagneten als spoelkernen gebruikt. In het eenvoudigste geval wordt gewoon een draad om een cilinder van ferromagnetisch materiaal (bijv. ijzer) gewikkeld.

Iedereen kan hier thuis een eenvoudig experiment mee doen. Daarvoor hoeft men alleen een koperdraad om een potlood te wikkelen. Als nu het ene uiteinde van het koperdraad aan de plus- en het andere aan de minpool wordt aangesloten, dan vloeit er stroom door de draad en er ontstaat een elektromagneet. Hiermee kan men bijvoorbeeld een kompasnaald laten uitslaan.

Wanneer het koperdraad in plaats van om een potlood om een ijzeren cilinder wordt gewikkeld, dan is het magneetveld duidelijk sterker. Het wordt door de ferromagnetische kern met de factor μ, de magnetische permeabiliteit, versterkt. Voor ijzer kan μ waarden van boven de 1 000 bereiken.

Technische toepassingen van elektromagneten

Elektromagneten worden heden ten dage onder andere in generatoren en elektromotoren gebruikt, zijn in relais te vinden en zijn een vereiste voor talrijke elektronische componenten in de radio- en televisiesector. Gebruikelijke transformatoren bestaan bijvoorbeeld uit tegenover elkaar staande spoelen met een verschillend aantal windingen.
In een transformator, die twee spoelen bevat, induceert het magneetveld van de ene spoel een spanning in de tegenoverliggende spoel. De hoogte van deze spanning hangt af van de verhouding tussen het aantal windingen van de beide spoelen. Daarom is het mogelijk, spanningen te verhogen of te verlagen, zonder (afgezien van het warmteverlies) veel vermogen te verliezen.

Indien u zelf een eenvoudige elektromotor wilt bouwen, vindt u instructies bij het volgende klantenproject:

• De eenvoudigste elektrische motor ter wereld

Hoe u daarentegen omgekeerd uit een beweging stroom kunt opwekken (generator) staat in de volgende klantenprojecten: