Embedded Files
Van elektriciteit naar beweging: ELEKTROMOTOREN
Van elektriciteit naar beweging: ELEKTROMOTOREN
Ørsted, Ampère, Faraday en vele anderen hebben in de 19e eeuw de relatie tussen elektriciteit, magnetisme en de elektromagnetische krachten onderzocht. Ze ontdekten o.a. dat je dingen in beweging kan zetten door elektriciteit en magnetisme op een slimme manier te combineren. Dat heeft geleid tot de ontwikkeling van de elektromotor.
In elk toestel dat elektrische energie gebruikt om beweging te creëren zit een elektromotor. Ze hebben allemaal 1 ding gemeen: ze gebruiken elektriciteit om magnetisme op te wekken, waardoor afstoting en aantrekking plaatsvindt. Zo zet je dus elektrische energie om in bewegingsenergie.
OPDRACHT
Schrijf zoveel mogelijk toestellen op die elektrische energie gebruiken om iets te laten bewegen.
Er bestaan veel verschillende ontwerpen om een elektromotor te bouwen maar ze maken allemaal gebruik van magnetische afstoting en aantrekking.
Een elektromotor zonder borstels.
Een simpele elektromotor met borstels.
Nog een mooi voorbeeld van een toestel dat elektrische energie omzet in beweging: de (elektrodynamische) luidspreker! Een versterker stuurt een veranderlijke elektrische stroom naar de elektromagneet die op het membraan vastzit. De spoel en het membraan gaan dan heen en weer trillen omdat vlak bij de spoel een permanente magneet zit. De trilling van het membraan veroorzaakt een trilling in de lucht. Geluid dus.
Van beweging naar elektriciteit: GENERATOREN
Van beweging naar elektriciteit: GENERATOREN
Met elektriciteit kan je magnetisme maken en daarmee dingen in beweging zetten. Maar je moet dan wel eerst elektriciteit hebben. Het onderzoek naar elektriciteit en magnetisme leverde echter nog een ander resultaat op. Met magneten kan je elektriciteit maken!
EXPERIMENT
We nemen een plastieken buis en laten er een balletje door vallen.
We nemen een koperen buis en laten er een balletje door vallen.
We nemen een plastieken buis en laten er een magneet door vallen.
De tijd om te vallen is in deze drie gevallen identiek.
Nu laten we een magneet door de buis vallen. We merken dat de magneet er véél langer over doet om doorheen de koperen buis te bewegen.
(Uitbreiding: hou een magneetsensor bij de koperen buis als de magneet erdoor valt.)
DE WET VAN LENZ
Als een gesloten stroomkring een magnetisch veld voelt dat verandert (!), dan ontstaat in die stroomkring een elektrische stroom.
De richting van die elektrische stroom is zodanig dat hij de verandering van het magneetveld tegenwerkt.
In het specifieke geval van de magneet die door een koperen buis valt, krijg je dus een cirkelvormige stroom en daardoor magnetisme dat het vallen van de magneet tegenwerkt.
SIMULATIE
Gebruik de simulatie Inductive Pendulum van National MagLab om te bestuderen hoe een systeem kan afremmen omdat een spoel een veranderend magnetisch veld voelt. In de spoel krijg je een elektrische stroom die energie naar de lamp voert.
EXPERIMENT
We nemen een spoel en sluiten er voltmeter op aan. We laten verschillende magneten doorheen de spoel vallen. We gebruiken spoelen met verschillende windingen. We laten de magneten vanop verschillende hoogte door de spoel vallen.
Met de computer registreren we hoe de spanning in de tijd varieert.
Noteer je waarnemingen.
Als we een magneet doorheen een spoel laten vallen, voelt de spoel een veranderend magnetisch veld. Er ontstaat dan een spanning over de spoel. Als je op de spoel een toestel zou aansluiten, dan heb je een gesloten stroomkring waardoor een elektrische stroom vloeit.
TERMINOLOGIE - INDUCTIE, INDUCTIESPANNING
Als door een verandering in het magnetisch veld een elektrische stroom of een elektrische spanning ontstaat, dan spreken we van magnetische inductie.
De spanning die ontstaat doordat een geleider een verandering van het magnetisch veld voelt, noemen we inductiespanning (Ui).
Het resultaat van ons experiment ziet er ongeveer uit als in de figuur hiernaast.
Als de magneet de spoel binnenkomt, wil de spoel de toename van het magneetveld tegenwerken. Er ontstaat een inductiespanning (2).
Als de magneet de spoel buitengaat, wil de spoel de afname van het magneetveld tegenwerken. Er ontstaat een inductiespanning (4).
De magneet valt doorheen de spoel. Hij gaat trager als hij de spoel binnenkomt dan wanneer hij de spoel verlaat.
De afname van het magnetisme in de spoel gebeurt dus "sneller" dan de toename. De spanningspiek is groter.
Als de spoel meer windingen bevat, dan zijn de spanningspieken evenredig groter.
SIMULATIE
Gebruik de simulatie De wet van Faraday bij PHET om te onderzoeken wat er gebeurt als je een magneet doorheen een spoel beweegt.
SIMULATIE
Gebruik de simulatie Faraday’s Law of Electromagnetic Induction van Javalab om te onderzoeken wat er gebeurt als je een magneet in de buurt van een spoel beweegt.
De wet van Faraday (light version)
Als een geleider een verandering van het magnetisch veld voelt, dan krijgen we een inductiespanning in die geleider.
De inductiespanning is groter als de verandering van het magnetisch veld "sneller" is.
De wet van Faraday (expert version)
Als een geleider een verandering van het magnetisch veld voelt, dan krijgen we een inductiespanning in die geleider.
De inductiespanning is recht evenredig met het tempo waaraan de magnetische flux verandert:
Hou chipkaarten weg van een magnetisch veld! Als je de kaart beweegt in het veld ontstaan wervelstromen in de chip en die kunnen warmte genereren zodat de circuits in je chip doorbranden!
STEM PROJECT - EEN ELEKTRISCHE MUZIEKINSTRUMENT (NOG VERDER UITWERKEN)
Een elektromagnetische pickup, zoals die van een elektrische gitaar, kan je zelf maken.
Een pickup bestaat uit een magneet die een stalen snaar zal magnetiseren. Als die snaar trilt, voelt een spoel het veranderend magnetisch veld. In de spoel ontstaat dan een inductiespanning en -stroom. De inductiestroom in een wisselstroom met dezelfde frequentie als die van de trillende snaar. Dit signaal wordt dan versterkt en naar een luidspreker gestuurd. Het signaal kan ook rechtstreeks worden gedigitaliseerd.
NAAR HET STEM PROJECT (LINK INVOEGEN) ⧉
Generatoren en wisselstroom
Generatoren en wisselstroom
SIMULATIE
I.p.v. de magneet te bewegen, kan je ook de geleider bewegen in een magneetveld.
Gebruik de simulatie AC Power Generator van Javalab om te onderzoeken hoe je op die manier een elektrische (wissel)spanning maakt.
EXPERIMENT
We beschikken over een oud fietswiel met dynamo in de naaf. We sluiten een lamp met schakelaar aan op de dynamo.
We laten eerst het fietswiel vrij draaien zonder dat we de lamp aansteken.
Daarna laten we het fietswiel vrij draaien terwijl de dynamo de lamp laat branden.
Wat merk je op?
Als de lamp brandt, roteert het fietswiel véél minder lang. De dynamo zet bewegingsenergie om naar elektrische energie.
Als je er in slaagt om een magneet in een spoel te laten bewegen, dan krijg een inductiespanning die je kan gebruiken om elektrische toestellen aan te drijven.
Als je er in slaagt om een geleider in een magneet te laten bewegen, dan krijg je een inductiespanning die je kan gebruiken om elektrische toestellen aan te drijven.
Je zet dan bewegingsenergie om in elektrische energie.
Dit verschijnsel wordt gebruikt om grote hoeveelheden elektrische energie op te wekken.
Een toestel dat elektrische energie genereert d.m.v. beweging noemen we een generator.
Uit onze experimenten is gebleken dat dit proces geen constante spanning (gelijkspanning, vaste ⊕ en ⊖) oplevert maar een veranderlijke spanning (wisselspanning, ⊕ en ⊖ wisselen).
Een generator zet bewegingsenergie om naar elektrische energie.
Een generator levert een wissespanning.
Bij een stuwdam valt water over een turbine, die aan de magneet vastzit.
Een dieselgenerator heeft een ontploffingsmotor die de generator laat bewegen.
Bij een fietsdynamo zet je zelf de magneet in beweging. Dan draait die in de spoel rond.
De wind zorgt voor beweging. Je kan dus elektrische energie maken.
In een kerncentrale zorgen kernreacties voor warmte. Die warmte laat water koken en je krijgt stoom. De stoom drijft een turbine aan. De turbine laat een generator draaien die elektriciteit produceert.
SIMULATIE
Een microfoon is een soort generator van elektriciteit terwijl je met wat goede wil een luidspreker kan zien als een soort elektromotor.
Gebruik de simulatie Microphone and Speaker van Javalab om te bestuderen hoe een microfoon en luidspreker werken.
Transformatoren
Transformatoren
Een transformator bestaat uit 2 spoelen die "magnetisch gekoppeld" zijn door een kern van gietijzer.
Aan de kant van de primaire spoel, met aantal windingen NP, sluiten we een wisselspanning UP aan.
Aan de kant van de secundaire spoel, met aantal windingen NS, meten we een wisselspanning US.
EXPERIMENT
We bouwen een transformator. We gebruiken een primaire spoel met 150 windingen. We gebruiken een secundaire spoel met 1200 windingen.
We proberen eerst of hij werkt op gelijkspanning, daarna op wisselspanning.
Aan de kant van de primaire spoel sluiten we een gekende spanning UP aan.
Aan de kant van de secundaire spoel meten we de spanning US.
Een transformator werkt op wisselspanning. Er gaat wisselspanning in en er komt wisselspanning uit.
De primair (P) gedraagt zich als een magneet die voordurend verandert.
De secundair (S) voelt dat veranderenede magnetisme en gedraagt zich dus als een generator.
De verhouding van spanningen is gelijk aan de verhouding van het aantal windingen:
EXPERIMENT
We nemen de transformator uit het vorige experiment. We sluiten die aan op een bron die een wisselspanning van maximaal 30 V kan produceren. Omdat de verhouding van de windingen 1:8 is, kunnen we toch een lamp laten branden die op 230 V werkt!
OEFENING
Bewijs dat bij een transformator de verhouding tussen de stroomsterkten het omgekeerde (!) is van de verhouding tussen het aantal windingen.
We gebruiken de wet van behoud van energie.
Langs de primair steek je energie in de transformator. Die energie komt er langs de secundair weer uit. Het vermogen langs de primair en het vermogen langs de secundair zijn dus gelijk! (Maar in werkelijkheid heb je altijd wat warmteverlies en zou het kunnen dat je transfo trilt.)
EXPERIMENT
Een mooie toepassing van het principe van de transformator is puntlassen. Om dit te doen heb je véél warmte nodig en dus een grote stroomsterkte. Maar niet noodzakelijk een grote spanning. Je kan dus aftransformeren naar een lagere spanning en toch een grote stroomsterkte te krijgen.
Vul het schema aan zodat je ziet met welke stroomsterkten en spanningen we werken.
Transport van elektrische energie
Transport van elektrische energie
OEFENING
Een fabrikant maakt een warmtebron met een weerstand die zo gekozen is dat er een stroomsterkte van 0,500 A doorheen loopt als je die aansluit op een spanningsbron van 240 V. Wat is het vermogen van die warmtebron? Wat is de weerstand van die warmtebron?
Als de fabrikant een warmtebron met hetzelfde vermogen wil maken, maar dan een die je moet aansluiten op een spanningsbron van 12 V, hoeveel stroomsterkte moet dan door die warmtebron lopen? Hoe groot moet dan de weerstand van die warmtebron zijn?
***
Uit deze berekeningen leer je dat je hetzelfde elektrisch vermogen kan leveren door
bij een lagere spanning een grotere stroomsterkte doorheen een geleider te sturen.
bij een grotere spanning een kleinere stroomsterkte doorheen een geleider te sturen.
Over grote afstanden wordt elektrische energie getransporteerd als een wisselspanning van 380 kV. Maar de elektriciteit die bij je thuis wordt geleverd, is een wisselspanning van maar 230 V. De oorspronkelijke spanning van 380 kV wordt in 2 stappen afgetransformeerd tot onze netspanning van 230 V.
Transformatorhuisje in een Mechelse wijk.
De spanning die binnenkomt is hoogspanning.
In het voorbeeld van de puntlas zie je dat je een groot vermogen, grote stroomsterkte en veel warmte kan hebben langs de kant van de secundair terwijl je langs de kant van de primair bij hetzelfde grote vermogen een kleine stroomsterkte en een weinig warmte hebt.
Hetzelfde principe wordt gebruikt voor het transport van elektrische energie over grote afstanden.
Het transport van elektrische energie gebeurt via een hoogspanningsnet (70-380 kV in België), waardoor de elektrische stroom in de draden laag kan worden gehouden en er dus minder energieverlies (warmte) in de geleiders optreedt. Op die manier kan tóch een hoog vermogen worden getransporteerd.
SIMULATIE
Bekijk met de simulatie Transmission Lines van National MagLab het verschil tussen het transport van elektrische energie bij lage spanning en bij hoge spanning.
There is NO ***ing free energy device!
There is NO ***ing free energy device!
VIDEO
Als je op YouTube begint te zoeken naar generatoren en hoe ze zelf te maken, kom je onherroepelijk ook terecht in een stuk van het internet dat vol onzin staat. Bekijk daarom deze video.
Mehdi Sadaghdar is zelf een ingenieur en weet perfect wat hij in zijn filmpjes doet. Hij stelt het heel duidelijk: "there is NO ***ing free energy device!"
(En die man is zooo grappig. Zijn andere filmpjes op ElectroBOOM zijn ook leuk én interessant.)
EXTRA OEFENINGEN
EXTRA OEFENINGEN
... VIND JE IN JE WERKBOEK.
VIDEO
Hmmm. Kan je echt met wat metaal en batterijen een muntje laten roteren?
Page updated
Report abuse