Toepassingen

Magnetisme is een verbazingwekkend fenomeen in de natuurkunde. De toepassingen van magnetisme zijn echter nog verbazingwekkender. We zullen hier enkele voorbeelden van technische hoogstandjes, maar ook van alledaagse toepassingen laten zien.

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.

Magnetische levitatie toegepast

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.

Voortdrijving door magnetisme

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.

Luidspreker

 

Ook de luidspreker is gebaseerd op het principe van de magneet. In het inwendige van een luidspreker zijn de aansluitdraden (4) van de radio verbonden met een draadspoel (3), die vastgemaakt is aan de conus (2). De conus van een luidspreker is meestal van verstevigd bordpapier gemaakt, en kan alleen naar voren en naar achteren bewegen. Direct aansluitend rond de draadspoel is een permanente magneet (1) bevestigd. Wanneer de wisselstroom van een audiosignaal door de draadspoel loopt, ondergaat de spoel onder invloed van het veld een kracht. Omdat de stroom met dezelfde frequentie als het audiosignaal van richting wisselt, beweegt ook de luidsprekerconus met deze frequentie naar achteren en naar voren, waardoor er in de omringende lucht een afwisseling van verdichtingen en verdunningen ontstaat, en er geluidsgolven worden gevormd. Een luidspreker zet dus elektrische energie om in geluidsenergie, en de frequenties van de uitgezonden geluidsgolven komen overeen met de frequenties van het elektrische signaal dat werd ingevoerd.

 

Galvanometer

 

Een galvanometer (een schematische figuur is rechts te zien) bestaat uit een draadspoel (4) die in het magnetische veld van een permanente magneet (2 & 3) is opgehangen. Wanneer er door de spoel een stroom (I ) loopt, oefent het magnetische veld er een krachtmoment op uit. Dit krachtmoment wordt tegengewerkt door een veer (1) die een krachtmoment levert dat evenredig is aan de hoek waarover de veer wordt verdraaid. De spoel, en de wijzer die daaraan bevestigd is, draaien dus alleen maar tot dat punt waarin het krachtmoment van de veer in evenwicht verkeert met het krachtmoment dat door het magnetische veld wordt veroorzaakt. De uitwijking van de naald is op deze manier recht evenredig aan de stroomsterkte in de spoel. Alleen is de uitwijking ook nog afhankelijk van de hoek die de spoel draait en daarom gebruiken ze gebogen pooleinden, zodat de kracht op de spoel (F) altijd loodrecht op het vlak van de spoel staat. Hierdoor is de uitwijking van de naald evenredig aan de stroomsterkte in de spoel.

 

Elektromotor/Dynamo

 

Door een elektromotor wordt er elektrische energie omgezet in mechanische energie. Een elektromotor werkt volgens hetzelfde principe als een galvanometer, alleen de spoel is hier groter en op een grotere cilinder gewikkeld. In de schematische figuur rechts is slechts één winding te zien, maar dat zijn er in het echt meer. De cilinder is bevestigd aan een draai-as. Op de manier van een galvanometer draait de cilinder slechts een kwart slag, maar de cilinder van een elektromotor moet onafgebroken in één richting blijven draaien. Als de spoel in de verticale stand staat, zou dan de stroomrichting omgedraaid moeten worden, zodat de spoel weer een halve slag kan draaien. In een gelijkstroom-elektromotor kan dat gerealiseerd worden met behulp van
borstels. Deze borstels hebben een vaste positie en zij maken contact met de geleidende collectors, die aan de as zijn gemaakt. Met iedere halve omwenteling komen de twee borstels in contact met een andere collector, zodat de stroom in de spoel de andere kant op gaat, waardoor de spoel verder kan draaien.

Een dynamo werkt precies omgekeerd: mechanische energie wordt omgezet in elektrische energie. Je kent de dynamo wel van je fiets. De draai-as wordt nu in beweging gebracht door de fietsband. Daardoor wordt een stroom opgewekt die je kan gebruiken om je licht te laten branden.

 

Terug naar het Hoofdmenu

English - Nederlands