Applications

Magnetism is an amazing physical phenomenon. It's applications, however, amaze even more...

Magnetic Levitation

In het gedeelte theoriën zijn electromagnetisme, verschillende methodes voor levitatie, supergeleiding en moleculaire magnetisme besproken. In dit gedeelte zal die theorie worden toegepast op de magneetzweeftrein. Daarvoor moeten we onderscheid maken tussen de zweving (levitatie) en de voortstuwing (propulsie) van het voertuig. Om beide onderdelen zo goed mogelijk te laten functioneren is het namelijk noodzakelijk dat ze gescheiden worden. Er zal ook met name aandacht worden besteed aan de technische en economische voor- en nadelen van de systemen.

Magnetic levitation applied

Voor het toepassen van attractieve levitatie in treinen is een complex meet- en regelsysteem nodig om de sterkte van de magneten aan te passen aan de hoogte van het voertuig. Het is namelijk niet gewenst dat het voertuig tegen een rail botst. Daarvoor is het het gemakkelijkst om permanente magneten op de rails te gebruiken en electromagnetische spoelen op het voertuig, waarvan de sterkte aanpasbaar is. Om te voorkomen dat het voertuig tegen de zijkanten opbotst moeten aan de zijkanten nog magneten dienen als stootkussens. Het grote nadeel van dit systeem is het meet- en regelsysteem, dat de magnetische sterkte moet aanpassen. Een dergelijk systeem is niet alleen duur, het maakt het systeem ook erg afhankelijk van - gevoelige - apparatuur. Een storing zou fataal zijn.

Het toepassen van Lorentzlevitatie is een stuk eenvoudiger. Daarbij kan een stroomdraad als rails dienen en in het voertuig moeten electromagneten (EM) zorgen voor de levitatie. Op de electromagneten werken dan Lorentzkrachten omhoog. Het grote voordeel van dit systeem is dat er gemakkelijk gerekend kan worden aan de krachten. Voor de zwaartekracht op het voertuig, die gecompenseerd moet worden geldt:

FZ = m x g x h (N)

Voor de Lorentzkracht die optreedt geldt:

FL = B x I x l (N)

Omdat de draad - en dus de electrische stroom - loodrecht op het magnetisch veld staat hoeft met de hoek geen rekening gehouden te worden, aangezien de sinus van een rechte hoek 1 is. Beide B en I zijn variabel, dus moeten we een formule voor B en I krijgen. Aangezien voor levitatie FL groter dan of gelijk aan FZ moet zijn stellen we ze gelijk in de formule:

FL = FZ
FL = B x I x l (N)
=> B x I = FL/l = FZ/l (TxA)
=> B x I = (m x g x h)/l (TxA)

Deze formule houdt geen rekening met de veranderde permeabiliteit van het materiaal, waardoor de stroomdraad loopt, maar dat kan in de formule voor B ingebouwd worden:

B(0) = (0) x I x N/l (T)
B = (r) x I x N/l (T)

Daarbij is B de veldsterkte en mr is de magnetische permeabiliteit van de stof. Wanneer verschillende tussenstoffen aanwezig zijn kan de spoel als het ware worden opgesplitst. Daarbij wordt I x N/l evenredig verdeelt naar de lengte van de spoel.
Omdat op de draad door de baan altijd een stroom moet lopen - ook waar de trein niet rijdt, anders wordt de stroom onderbroken - kan I het best zo klein mogelijk gekozen worden. Ook moet de hoogte van het voertuig niet al te groot gekozen worden. Het grootste nadeel van dit systeem is namelijk de energie die het nodig heeft. Door de baan moet namelijk altijd een stroom lopen. Ook bij dit systeem is touwens een stootkussensysteem nodig om botstingen met de zijkant te voorkomen.

Het derde systeem is het systeem met de repulsieve levitatie. Daarbij stoten het voertuig en de baan elkaar af in verticale richting. Om te voorkomen dat het voertuig omvalt, oftewel voor een stabiele baanligging, moeten ook aan de zijkanten afstotende magneten geplaatst worden. Dat is namelijk het grootste nadeel van repulsieve levitatie: De baanligging is vanzelf niet stabiel. Een groot voordeel van het systeem is dat gebruik kan worden gemaakt van zowel permanente magneten als electomagneten. Het systeem heeft dus geen electrische stroom nodig, mits de permanente magneten sterk genoeg zijn. Daardoor kan het een vrij energiezuinig systeem zijn.
Voor repulsieve levitatie kan ook gebruik worden gemaakt van de eigenschappen van supergeleiders. Supergeleiders gedragen zich namelijk heel apart met magnetisme. Een spoel van supergeleidend materiaal kan bijvoorbeeld een magnetische kracht opwekken wanneer het beweegd langs geleidend materiaal. Ook zijn er voorbeelden van voorwerpen die door middel van supergeleiding gaan zweven door rotatie. De theoriën over supergeleiding zijn echter nog niet sluitend en het verschijnsel is nog te nieuw om er hier diep op in te gaan.

Magnetic Propulsion

Transport is natuurlijk niet mogelijk zonder voortbeweging. Daarom is ook voor magneetzweeftreinen een voortstuwingsmechanisme nodig. Voortdrijven door middel van magnetisme is een van de mogelijkheden. In onderstaand schema is een voorbeeld gegeven van voortstuwing door middel van magnetisme. De pijlen stellen de magnetische krachtvectoren voor.

Voor dit systeem moeten op de baan om en om magnetische noord- en zuidpolen zitten. Op het voertuig moeten electromagnetische spoelen bevestigd zijn, die aangesloten zijn op een wisselspannigsbron met aanpasbare frequentie. De magnetische polen in de figuur moeten namelijk niet statisch zijn, want dan blijft het voertuig in de meest gunstige postitie staan, namelijk noord recht tegenover zuid en het is de bedoeling dat het voertuig vooruit beweegt. Daarom is dus een wisselspaning nodig, die ervoor zorgt dat de magnetische polen omwisselen, zodat er steeds een voortwaardse kracht is. Die spoelen met aanpasbare frequentie moeten op het voertuig geplaatst worden en niet op de baan, omdat anders slechts een trein van de baan gebruik kan maken. Voor de frequentie f is een formule op te stellen. De frequentie is daarvoor afhankelijk van de snelheid van het voertuig v en de lengte van de magnetische polen en de tussenruimte tussen de polen, tezamen r. Daar de snelheid afhangt van de acceleratie a en de acceleratie afhangt van de magnetische kracht FM en de massa van het voertuig m, wordt dit een zeer gecompliceerde formule:

FM = m x a => a = FM/m (m/s²)
v = axdt + v(0) = (FM/m)xdt + v(0) (m/s)
f = 1/T
T = r/v = r/((FM/m)xdt + v(0)) (s)
=> f = 1/T = v/r = ((FM/m)xdt + v(0))/r (Hz)

Voor het voertuig is alleen de actuele snelheid nodig en daarom moet aan de variabele frequentiebron een snelheidsmeter gekoppeld worden om vervolgens de frequentie te bepalen:

f= v/r

Hiernaast staat in een schema een systeem weergegeven, waarbij gebruik wordt gemaakt van repulsieve magnetische levitatie en magnetische propulsie. De afkorting PM staat voor permanente magneet en staat voor de rij met afwisselend noord- en zuidpolen. VM staat voor de electromagneet met variabele frequentie op het voertuig. Naast dit systeem voor magnetische propulsie zijn er nog talloze anderen, waaronder ook systemen die gebruik maken van de speciale eigenschappen van supergeleiding. Dit model geeft het basissysteem van magnetische propulsie.
Een voordeel van magnetische voortstuwing is dat er geen direct contact met de ondergrond voor nodig is, waardoor het systeem weinig gevoelig is voor slijten en waardoor minder kracht - en dus minder energie - nodig is voor dezelfde acceratie. Doordat de contactwrijving wegvalt geldt: Fres = FM + Fluchtwrijving.Een ander groot voordeel is dat het systeem weinig geluid maakt en tevens dat het vrijwel geen uitlaatgassen produceert, wat goede invloed heeft op het milieu.

Speakers

 

Soundspeakers are based on magnetics too. In the innerpart of a speaker are the wires (4) of (e.g.) the radio connected to a coil (3), which is connected to the cone (2). Almost always the cone of a speaker is made of strenghtened boardpaper. The conus can move only forward and backward. A permanent magnet (1) is placed around the coil. When the alternating current of an audiosignal flows trough the coil, the magnet causes a force on the cone. Because the current alternates with the same frequention as the audiosignal, the cone moves with the same frequention forward and backward, which causes alternate compression and rarefaction of the air and produces sound waves. A speaker turns electric energy into kinetic energy, and the frequentions of the output sound waves equal the frequentions of the input electric signal.

 

Electrotype

 

An electrotype (a schematic figure is besides) consists of a coil (4), which has been hung in the magnetic field of an permanent magnet (2 & 3). When a current (I ) flows through the coil, the magnetic field exerts a moment (force) on it. This moment is opposed by a spiral (1) that exerts a moment proportional to the angle with which the spiral rotates. The coil and the pointer, which is attached to it, rotate just until the point where the moment of the spiral equals the moment from the magnetic field. The alteration of the needle is directly proportional to the current in the coil in this way. The alteration of the needle depends, however, also on the rotation angle of the coil. Therefor bend pole ends are used, in order to cause the force on the coil (F) to be perpendicular to the plane of the coil. By that the alteration of the needle is proportional to the current in the coil.

 

Electromotor/Dynamo

 

An electromotor turns electric energy in mechanic energy. A electromotor works on the same base as a electrotype. A difference is, that the coil is larger and turned round a larger cylinder. In the schematic figure on the right you can see just one coil, but there are more of them. The cylinder is fastened to a spindle. A spool of a electrotype turns just a quarter, but the cylinder of a electromotor has to be able to turn continuous in one way. If the coil is in the vertical position, the direction of the current should be turned, so the coil can make another turn. In a direct current elektromotor that can be realized with the help of brushes. This brushes stay in the same position and they make contact with the conductible collectors, which are connected to the spindle. After every half of a turn, the two brushes come in contact with another collector, so the current in de spool alternates, so the spool can turn further on.

A dynamo works right in the opposite way: mechanic energy turns into electric energy. Probably you have one on your bicycle. The spindle is set in motion by the tyre. Trough that a current is generated, which you can use to light your fire.

 

Back to Main Menu

English - Nederlands