8. Elektromagnetische inductie#
In dit hoofdstuk bestuderen we verder de interactie tussen elektrische en magnetische velden. Dit is de basis van elektronische schakelingen en elektromagnetische velden waar we in volgende hoofdstukken verder op in gaan.
8.1. Wet van Faraday#
De wet van Faraday beschrijft kwantitatief hoe een verandering in magnetische flux een inductiespanning opwekt. In deze video leggen we de begrippen hierbij uit.
In dit voorbeeld laten we zien hoe een veranderend oppervlak van een lus in een magnetisch veld een inductiestroom opwekt.
De wet van Lenz maakt duidelijk in welke richting de inductiestroom gaat lopen. Dit is heel belangrijk voor het begrip van systemen met inductiespanningen.
Kwalitatief is het nu al mogelijk om veel voorbeelden en toepassingen van inductiestroom te begrijpen, zoals verstoringen door zonnestormen, contactloze remmen, metaaldetectoren, dynamo’s en transformatoren.
8.2. Spoelen schakelen#
Een stroom door een spoel genereert een magnetisch veld, wat door de spoel zelf weer wordt opgevangen. Dat leidt volgens de wet van Faraday tot een tegengestelde inductiespanning. Dit begrip wordt zelf-inductie genoemd en is belangrijk in schakelingen. In de video wordt de definitie gegeven en uitgerekend voor een spoel in de spin-echo small angle neutron scattering instrument.
Het plotseling uitschakelen van de stroom door een spoel kan daarom tot een grote spanningssprong leiden die gevaarlijk voor een instrument kan zijn. In de video rekenen we uit hoe groot deze kan zijn.
Bij het beschouwen van inschakeleffecten bij spoelen is het handig om te kijken naar de korte en lange tijdslimieten in de stroom die wordt door gelaten. Zonder te rekenen weet je dan al wat er voor stromen gaan lopen door een schakeling.
Geheel analoog aan de afleiding voor het tijdsgedrag van condensatoren, is het mogelijk om analytische het tijdsgedrag van spoelen te beschrijven. Dit leidt weer tot exponentiele functies.
8.3. Energie in spoelen en magnetische velden#
Het opladen van een spoel kost energie en die energie gaat blijkbaar in de spoel zitten. Dat moet dus wel in het magnetische veld zijn. Dit is een manier om energie tijdelijk op te slaan.
Dit maakt het heel aannemelijk dat er ook in analogie met elektronische velden, energie is in magnetische velden. Dat reken we in deze video uit.
8.4. Inductievelden zijn niet conservatief#
De wet van Faraday kan ook geformuleerd worden als het induceren van een elektrisch veld. Dit is een fundamentelere manier van schrijven, die het duidelijk maakt dat deze velden niet conservatief zijn, in tegenstelling tot wat we in de eerste hoofdstukken van de elektrostatica hebben gezien.
Als voorbeeld berekenen we het geinduceerde veld in een spoel waarin de stroom continue toeneemt.
8.5. Diamagnetisme#
Verschillende materialen kunnen verschillende magnetische interacties hebben. Diamagnetische materialen laten geen magneetvelden door dringen. Dit verklaart levitatie in hoge magneetvelden.
Deze demonstratie met een supergeleider en vloeibaar stikstof laat levitatie door magnetisme zien.
8.6. Samenvattingen magnetisme#
In deze samenvatting laten we zien hoe magneetvelden veroorzaakt worden door bewegende ladingen. We beschouwen de analogie tussen elektrische en magnetische velden via de wetten van Maxwell die we later nog verder gaan verdiepen.
In deze samenvatting bekijken we de analogie tussen condensatoren en spoelen en tussen de energiedichtheid in elektrische en magnetische velden.