Alledaagse materialen: IJzeren bout of grote staafspijker (bouwmarkt) • geëmailleerd koperdraad 0,3–0,6 mm (bouwmarkt of elektrotechniekwinkel) • AA- of D-batterijen of labvoeding max. 6 V • krokodillenbekdraden • paperclips als testlast
Niveau: Natuurkunde VMBO-T klas 3 (kwalitatief) / HAVO klas 4 (kwantitatief)
Een ijzeren bout uit de bouwmarkt, een rol geëmailleerd koperdraad en een batterij zijn voldoende om een werkende elektromagneet te bouwen. Door het aantal windingen en de stroomsterkte te variëren, is te meten hoe sterk de magneet wordt. Dit practicum combineert ambacht met kwantitatief onderzoek en legt direct de verbinding met toepassingen als luidsprekers, relais, MRI-scanners en elektromotoren.
Het experiment is toegankelijk voor VMBO-T (kwalitatief, vergelijkend) en uitbreidbaar naar HAVO/VWO (kwantitatief met formules en grafieken).
Niveau: Natuurkunde VMBO-T klas 3–4 / HAVO klas 4
Niveau: Natuurkunde HAVO klas 4 / VWO klas 3–4 (formule B = μ0nI); kwalitatief ook geschikt voor VMBO-T klas 3
Een elektrische stroom in een draad wekt een cirkelvormig magnetisch veld op rondom de draad (wet van Ampère). Wanneer de draad in een spoel wordt gewikkeld, versterken de velden van alle windingen elkaar langs de as van de spoel. Wordt een ijzeren kern in de spoel geplaatst, dan wordt het materiaal gemagnetiseerd en wordt het veld nogmaals sterk versterkt — dit is het principe van de elektromagneet.
Het magnetisch veld binnen een lange solenoïde (ideale spoel) is:
B = μ0 × n × I
In de praktijk is de versterking door de ijzeren kern enorm: zachte ijzersoorten hebben een relatieve permeabiliteit (μr) van 100–10 000, wat betekent dat het veld met die factor wordt vergroot ten opzichte van een lege spoel. Dit maakt de elektromagneet onmisbaar in toepassingen waar sterke, schakelbare magneetvelden nodig zijn.
Niveau: alle niveaus
Gebruik uitsluitend lage spanning (max. 6–9 V, batterijen of een veilige labvoeding). Sluit de spoel nooit kortdurig rechtstreeks op een hoge spanning aan — de draadweerstand beperkt de stroom, maar bij te lage weerstand warmt de draad op. Voer de elektromagneet niet te lang stroom zonder pauze (thermisch: de weerstand stijgt, de isolatielak kan beschadigen bij extreme verhitting). Dit experiment is veilig uitvoerbaar zonder specifieke beschermingsmiddelen.
Niveau: Natuurkunde VMBO-T klas 3 (vragen 1–2 en 5–6) / HAVO klas 4 (alle vragen)
Het magnetisch veld B is evenredig met het aantal windingen per meter (n). Bij verdubbeling van het aantal windingen (bij gelijkblijvende draadlengte dus verdubbeling van n) verdubbelt theoretisch het veld — en daarmee de tilkracht. In de praktijk is het verband bij kleine aantallen windingen lineair; bij grotere aantallen speelt verzadiging van de ijzerkern een rol.
B is ook evenredig met de stroomsterkte I. Verdubbeling van de spanning geeft (bij dezelfde weerstand) verdubbeling van de stroom en daarmee verdubbeling van het veld. Dit effect is identiek aan het verdubbelen van het aantal windingen — beide factoren zijn equivalent in de formule B ∝ n × I (ook wel uitgedrukt als ampèrewikkelingen: A·W = I × N).
100 windingen over 0,10 m → n = 100 / 0,10 = 1000 m−1. B = μ0 × n × I = 4π × 10−7 × 1000 × 1 = 4π × 10−4 ≈ 1,26 × 10−3 T = 1,26 mT. Ter vergelijking: een sterke permanente magneet haalt circa 0,1–1 T; een MRI-scanner 1,5–3 T.
IJzer is ferromagnetisch. Op atomair niveau zijn er magnetische domeinen — kleine gebieden waarin alle atoomdipooltjes parallel zijn georiënteerd. Zonder extern veld wijzen de domeinen in willekeurige richtingen en heffen ze elkaar op. Het magnetisch veld van de spoel richt de domeinen op in dezelfde richting — het materiaal wordt gemagnetiseerd. Dit intern veld voegt zich bij het spoelveld en versterkt het totale veld met een factor μr (relatieve permeabiliteit, voor zacht ijzer: 1000–5000).
Hout is niet ferromagnetisch en heeft een relatieve permeabiliteit van vrijwel 1 (zoals vacuüm). Het magnetisch veld wordt daardoor niet versterkt — de elektromagneet is net zo sterk als een spoel zonder kern. Er worden aanzienlijk minder paperclips opgetild dan met de ijzeren kern.
Voorbeelden: (a) Relais — elektromagneet schakelt een groot vermogen via een kleine stroom aan/uit; de schakelbaarheid is de sleuteleigenschap. (b) MRI-scanner — supergeleide elektromagneet genereert een uiterst sterk en homogeen veld van 1,5–7 T; de variabele gradièntmagneten laten plaatsspecifieke meting toe. (c) Elektromagneet in sloopkraan — trekt ton zwaar schroot op met een schakelbare kracht; zodra de stroom uitvalt, laat de magneet los. (d) Elektromotor / generator — wisselende elektromagneten oefenen kracht uit op een rotor.
De elektromagneet werd in 1824 uitgevonden door William Sturgeon en verfijnd door Joseph Henry, die aantoonde dat wikkelingen van geïsoleerde draad het veld dramatisch konden versterken. Dit legde de basis voor de telegraaf, de elektromotor en uiteindelijk de MRI-scanner. De bouwmarktversie uit dit practicum is in principe identiek aan Sturgeon's originele apparaat — alleen de precisie van de winding en de kwaliteit van het staal verschilt.
Bekijk het volledige assortiment onderwijsmaterialen voor natuurkunde in onze webshop, of neem contact op voor advies over geschikte practica voor uw situatie.
Inloggen
Wachtwoord vergeten
Account aanmaken
Uw winkelwagen is leeg.
