Practicum: Elektromagneet en magnetische kracht – Natuurkunde 3 VWO

In dit practicum voor 3 VWO onderzoek je hoe de sterkte van een elektromagneet afhangt van de stroomsterkte en het aantal windingen van de spoel. Daarna verken je de kracht op een stroomvoerende geleider in een magneetveld (de Lorentzkracht). Dit practicum legt de basis voor de onderwerpen elektromagnetisme en inductie in de bovenbouw van het vwo.

Leerdoel

Na dit practicum kun je het verband beschrijven tussen stroomsterkte, windingtal en magneetsterkte, de richting van de magnetische kracht op een stroomvoerende geleider bepalen met de linkerhandregel, en kwalitatief verklaren hoe een elektromotor werkt.

Cursusniveau en vakgebied

Niveau: VWO klas 3 | Vak: Natuurkunde | Onderwerp: Magnetisme – elektromagneet, Lorentzkracht, linkerhandregel

Benodigdheden

• IJzeren kern (U-vorm of staafvorm, ø ≈ 10 mm)
• Emaillakdraad 0,5 mm (voor wikkelspoel, isolatie voor hoge windingaantallen)
• Regelbare gelijkspanningsbron (0–6 V)
• Amperemeter (0–3 A)
• Weegschaal of balans met paperlcip-testgewicht (voor meting magneetkracht)
• Assortiment ijzeren paperclips (meetobject)
• Stroomgeleider op statief (rechte koper- of aluminiumstang, ø 3 mm, l = 15 cm)
• Hoefijzermagneet of twee krachtige neodymiummagneten
• Kompas (voor verificatie veldrichting)

Achtergrondinformatie

Een elektromagneet is een spoel met een ferromagnetische kern (bijv. ijzer). Door stroom te sturen door de spoel ontstaat een magneetveld. De sterkte van het magneetveld is evenredig met het aantal windingen N en de stroomsterkte I:

B ∝ N × I

Een stroomvoerende geleider in een magneetveld ondervindt een kracht: de Lorentzkracht. De richting van deze kracht wordt bepaald door de linkerhandregel (voor elektronen als ladingsdragers): wijs met de vier vingers in de richting van de stroom en buig ze in de richting van het magneetveld; de duim wijst dan in de richting van de kracht. De grootte van de Lorentzkracht is:

F = B × I × l

waarbij B de magnetische veldsterkte is (in Tesla), I de stroomsterkte (in A) en l de lengte van de geleider die in het veld staat (in m). De Lorentzkracht is de basis van de werking van elektromotoren en luidsprekers.

Werkwijze

Deel A – Sterkte van de elektromagneet

1. Wikkel 20 windingen emaillakdraad om de ijzeren kern. Sluit aan op de spanningsbron via de amperemeter.
2. Stel de stroom in op 0,5 A; 1,0 A; 1,5 A; 2,0 A. Tel bij elke stroomsterkte hoeveel paperclips de magneet kan optillen. Noteer de resultaten.
3. Houd de stroom constant op 1,0 A. Wikkel achtereenvolgens 20, 40, 60 en 80 windingen. Tel opnieuw het aantal paperclips. Noteer de resultaten.
4. Teken twee grafieken: (1) aantal paperclips tegen stroomsterkte I en (2) aantal paperclips tegen windingtal N.

Deel B – Lorentzkracht op een stroomvoerende geleider

1. Bevestig de koperstang horizontaal tussen de twee magneetpolen (of in het hoefijzermagneetveld). Zorg dat de stang loodrecht op de veldlijnen staat.
2. Sluit de stang aan op de spanningsbron (I = 2,0 A). Observeer de beweging van de stang. Noteer de richting.
3. Keer de stroomrichting om. Observeer de nieuwe beweging. Keer daarna het magneetveld om (draai de magneet 180°). Noteer opnieuw de bewegingsrichting.
4. Gebruik de linkerhandregel om de gevonden richtingen te verifiëren.

Meetresultaten noteren

Verwerkingsvragen

1. Hoe verandert de magneetkracht als je de stroom verdubbelt (windingtal gelijk)? Verklaar aan de hand van B ∝ N × I.
2. Wat is het effect van een ferromagnetische kern vergeleken met een luchtkern? Leg uit met behulp van het concept van magnetische veldlijnen.
3. Een stang met lengte 15 cm staat in een magneetveld van B = 0,050 T. Door de stang loopt een stroom van 3,0 A. Bereken de Lorentzkracht.
4. In welke richting beweegt de stang als de stroom van links naar rechts loopt en het magneetveld van voor naar achter is gericht? Gebruik de linkerhandregel.

Uitwerking

Deel A – Typische meetresultaten

Conclusie: zowel stroomsterkte als windingtal zijn recht evenredig met de magneetkracht. Het product N × I (het aantal amperwindingen) bepaalt de veldsterkte.

Antwoorden verwerkingsvragen

1. De magneetkracht verdubbelt. Omdat B ∝ N × I en N gelijk blijft, verdubbelt B bij verdubbeling van I. De kracht F ∝ B verdubbelt daardoor ook.
2. Een ferromagnetische kern vergroot het magneetveld aanzienlijk (factor 100–1000), omdat de ijzeratomen hun eigen kleine magneetjes uitlijnen in het veld van de spoel. Dit versterkt het totale veld sterk. Bij een luchtspoel richt niets zich uit, en het veld is veel zwakker.
3. F = B × I × l = 0,050 × 3,0 × 0,15 = 0,023 N = 22,5 mN.
4. Stroom van links naar rechts (→), veld van voor naar achter (→ bord in): linkerhandregel → kracht omhoog. (Vingers wijzen naar rechts, buigen naar achter; duim wijst omhoog.)

Veiligheidsaanwijzingen

• Begrens de stroom tot max. 2,5 A om oververhitting van de spoel te voorkomen; schakel de stroom uit na elke meting.
• Neodymiummagneten hebben een zeer sterke aantrekkingskracht: knijpgevaar bij te snel samenbrengen. Houd ze op minimaal 5 cm afstand van elkaar tijdens opslag.
• Houd magnetische velden weg van pacemakers, bankpassen en elektronische apparaten.

Benodigde laboratoriumapparatuur van Labvakhandel

Labvakhandel levert een compleet assortiment voor magnetisme-experimenten in het voortgezet onderwijs, waaronder ijzeren kernen en spoelvormen, emaillakdraad in diverse diameters, hoefijzermagneten, neodymiummagneten en geschikte stroombronnen. Onze producten zijn veilig gecertificeerd en geschikt voor intensief gebruik in het leslokaal.

Bekijk het assortiment magnetisme-apparatuur of neem contact op voor advies.

Meer practicumopdrachten

Ontdek alle practica in de Labvakhandel kennisbank — voor biologie, scheikunde en natuurkunde.