Electrotech-City een initiatief van Walter DI PILLA

Proverbe CHINOIS

INLEIDING

Magnetisme is een verschijnsel dat een belangrijke rol speelt in veel elektrotechnische componenten : magneetschakelaars, motoren, transformatoren, enz..... Om de werking van al die componenten goed te begrijpen gaan we proberen, in de hier volgende les, de veel gebruikte termen, formules en wetten van het magnetisme uit te leggen ;-)

Merk overigens op dat het woord "magnetisme" vaak gebruikt wordt om elektromagnetisme aan te duiden, dat laatste (elektromagnetisme) is slechts een onderdeel van het magnetisme. Maar je mag wel onthouden dat de magnetische verschijnselen uiteindelijk het gevolg zijn van het verplaatsen van elektrische ladingen.

Met betrekking tot het woordgebruik :

1 - Benaming van de magnetische polen :

1. Sommige stenen hebben het vermogen om ijzervijlsel aan te trekken als we ze er in leggen, we noemen dat natuurlijke magneten.

2. Door een bepaalde behandeling kunnen we die eigenschap doorgeven aan ijzeren staaf en die noemen we dan een kunstmatige magneet.Als we die staaf in ijzervijlsel leggen zien we dat de ijzerdeeltjes voornamelijk aan de uiteinden van de staaf blijven kleven, de kracht is daar het sterkst. Die uiteinden worden de Polen van de magneet genoemd. Als we nu de staaf vrij draaibaar opstellen (bijvoorbeeld opgehangen aan een draadje), wijst een van de uiteinden steeds naar de aardse noordpool (eigenlijk de magnetische noordpool) en de andere dus naar de zuidpool. Daarom noemen we die uiteinden :

• noordpool voor dat uiteinde dat naar het noorden wijst en

• zuidpool voor de kant die naar het zuiden wijst. .

3. Gelijke polen van twee magneten stoten elkaar af, tegengestelde polen trekken elkaar aan.

4. Als we een magneet in twee kleinere delen breken krijgt elk van die delen weer een noord- en een zuidpool. Dit kunnen we blijven doen (in theorie) tot we op de kleinste magneet, de "elementaire magneet" (ook wel "magnecuul" genoemd), komen. Zelfs die heeft nog steeds een noord- en een zuidpool. Deze eigenschap helpt ons om de theorie van de WEISS gebiedjes te begrijpen. Dit wordt verder behandeld in de les over het ferromagnetisme. (zie index Elektrotech-City NL)

2 -Veldlijnen :

1. Als we ijzervijlsel op een stuk papier strooien waaronder we een staafmagneet houden, gaan de ijzerdeeltjes bijeenklitten volgens een bepaald patroon. We krijgen zo het patroon van de VELDLIJNEN te zien. Die lijnen bevinden zich overigens in de gehele ruimte om de magneet heen, en niet alleen in het vlak van het papier. Houden we een kompasnaaldje op de lijnen dan zien we dat ze ook nog een duidelijke richting hebben.

2. Volgens afspraak stellen we dat de veldlijnen bij de noordpool van de magneet naar buiten komen en dus bij de zuidpool naar binnen gaan. We stellen ook dat elke veldlijn binnen in de magneet door loopt en zo doende een gesloten lus vormt.

3. Het totaal van al die veldlijnen in een vlak wordt ook wel het : Magnetisch Spectrum genoemd. Dit stelt dus de loop van de veldlijnen voor maar het wordt , ten onrechte, ook wel "de vorm van het magneetveld" genoemd.

4. Helaas komt de zelfde natuurkundige grootheid in verschillende leerboeken met verschillende benamingen voor. Zoals :

• veldlijnen,

• fluxlijnen,

• krachtlijnen.

3 - Magnetische flux :

Definitie : de magnetische flux is het totale aantal veldlijnen dat per tijdseenheid door een gegeven vlak heen gaat.

1. De magnetische flux op een gegeven vlak is dus het totaal aan veldlijnen dat door dat vlak heen gaat.Het gevolg is wel dat, hoe groter het vlak is en hoe dichter de lijnen bij elkaar staan : des te groter wordt de magnetische flux. De fluxwaarde hangt natuurlijk ook af van de hoek die het vlak maakt met de veldlijnen. De flux is maximaal als het vlak loodrecht op de veldlijnen staat (dan gaat het maximum aantal veldlijnen door het vlak heen). Hij wordt nul als het vlak evenwijdig aan de veldlijnen staat (alle veldlijnen gaan er dan langs heen en niet door heen !) Tussen deze uitersten in varieert de flux van maximaal tot nul. Er wordt ook vaak gezegd dat de magnetische flux het totaal aan veldlijnen is tussen de twee polen van een magneet.

2. De eenheid van magnetische flux is de Weber. De afkorting is "Wb". Eén Weber is gelijk aan 100 miljoen veldlijnen (10-exp. 8). Eén milli Weber (mWb) is dan gelijk aan 100 duizend veldlijnen en één micro Weber aan 100 veldlijnen. Het valt op de de eenheid Weber alleen veldlijnen telt en geen rekening houdt met het oppervlak waar op het betrekking heeft. Verder op wordt dit goed gemaakt door de eenheid :"Fluxdichtheid".

3. De eenheid Weber is een erg grote eenheid. Bijvoorbeeld : 1 Wb stelt de flux voor (de veldlijnen) die je zou krijgen bij : een magneet van 1,5 meter hoogte, 1,5 meter lengte en 1 meter breedte. De massa ervan zou al vlug zo'n twee ton bedragen !.

4. Helaas komt de zelfde natuurkundige grootheid in verschillende leerboeken met verschillende benamingen voor. Zoals :

• flux,

• magnetische flux ,

• flux van de magnetische inductie.

5. De flux wordt voorgesteld met de griekse hoofdletter PHI (fi) : Ø

4 - Fluxdichtheid :

1. Als we over magneetveld spreken, bedoelen we doorgaans de ruimte doorkruist door de veldlijnen. Dit magneetveld verandert de natuurkundige eigenschappen van de ruimte waarin het zich bevindt en het wordt slechts beinvloed door de nabijheid van ijzer, kobalt, nikkel en hun legeringen. Een magneetveld (lees : de veldlijnen) kan door materialen zoals cement, hout, papier enz...... heen gaan zonder enige verstoring.

2. Door alleen over een magneetveld te praten kunnen we de grootte nog niet goed vaststellen want het gaat over een ruimtelijke grootheid. De grootte van het magneetveld in een punt M van het veld, heeft niet alleen een waarde maar ook een richting (vektor). De richting wordt bepaald door de plaats van "de magnetische bron" en de faktor tijd. De vektor wordt met B aangegeven (er hoort een pijltje boven op de B te staan, maar dat lukte hier niet ;-) ) en de modulus (grootte) er van is gelijk aan de fluxdichtheid in het betreffende punt. Door middel van de vektornotatie kan voor ieder punt in een magneetveld de richting en de grootte van dat veld worden opgetekend.

Opmerkingen : de vektorgrootte is maatgevend voor de elektrische lading verplaatsing. Als vektor B in elk punt in de (magnetische) ruimte gelijk is (grootte en richting) spreken we van een uniform of homogeen veld.

3. Proefondervindelijk hebben we gezien dat een permanente magneet een stuk ijzer kan aantrekken. Dit gebeurt altijd aan één van de polen. Uit de vorige tekst (fig. 1) zien we dat de veldlijnen bij de polen het dichtst op elkaar lopen. Hier uit kun je dus concluderen dat concentratie van de veldlijnen maatgevend is voor het magnetisme (magnetisch effect)."[Hoe groter het aantal veldlijnen dat een vlak vertikaal doorkruist hoe hoger de fluxdichtheid wordt.]"

4. De eenheid van fluxdichtheid is de TESLA [ T ] waarbij 1 T = 1 Wb / m². Let op ! De fluxdichtheid is in feite de modulus (grootte) van vektor B. In de praktijk wordt heel veel gesproken over "het magneetveld is gelijk aan 1,5 T", terwijl er eigenlijk gezegd zou moeten worden "de modulus van vektor B die de fluxdichtheid voorstelt is gelijk aan 1,5 T"

5. Helaas komt de zelfde natuurkundige grootheid in verschillende leerboeken met verschillende benamingen voor. Zoals :

• magneetveld,

• magnetische inductie,

• fluxdichtheid.

Snap je het nog ? ;-(((

5 - Magnetische veldsterkte :

1. Om de grootte van vektor B te bepalen moeten we rekening houden met de magnetische omgeving waarin de vektor zich bevindt, de vorm en de afmetingen van het magneische circuit, de tijd en de positie t.o.v. de magnetische bron. Eerder (in de les over elektromagnetisme, zie index Elektrotech-City NL) gebruikten we de vektor H (nog steeds geen pijltje er boven ) als vektor van de elektrische veldsterkte. De grootte van vektor H hangt af van de stroom, de vorm en de afmeting van het magnetische circuit, zijn ruimtelijke positie t.o.v. de magnetische bron en de tijd. We moeten vektor H dus alleen vermenigvuldigen met een constante, die afhangt van de magnetische omgeving, om zo doende vektor B te verkrijgen. De eenheid van H is A/m

NOTA : De stroom, in elektromagnetisme, laat ons de "magnetische bron bepalen".....Meer hier over in de les over elektromagnetisme (zie index Elektrotech-City NL).

6 - Heb ik het nu goed begrepen ? :

1. De magnetische flux geeft het aantal veldlijnen dat in ons systeem aanwezig is aan. Maar 100 veldlijnen, gelijk aan 1 micro Wb, veroorzaakt in magnetisch circuit met een oppervlak van 1 cm² niet dezelfde fluxdichtheid als in een oppervlak van 1 mm². Als de fluxdichtheid verandert betekent dat dat het magneetveld ook verandert, immers de magnetische omgeving, de vorm en de plaats zijn niet veranderd. De mmk (magneto motorische kracht) zal dus belangrijker zijn bij de doorsnede van 1 mm² dan bij de doorsnede van 1 cm². Het stroomverbruik zal dus bij gebruik van de (magnetische) doorsnede van 1 mm² het hoogste zijn.

• De flux geeft ons de informatie over de hoeveelheid veldlijnen, aanwezig in ons systeem (het is dus een grootheid, een getal).

• De fluxdichtheid geeft de grootte van de "magnetische bron" aan en hangt af van de vorm van het magnetische circuit.

• De veldsterkte hangt af van de elektrische stroom en bepaalt mede de fluxdichtheid. De invloed van H op B hangt echter sterk af van de gebruikte magnetische (kern) materialen.