7 Elektromagnetische inductie

We weten al dat een magnetisch veld een kracht uitoefent op een stroomvoerende geleider of een bewegende lading. Laten we nu eens kijken hoe een magnetisch veld een stroom kan induceren.

We zagen eerder al dat bewegende ladingen aan de oorsprong liggen van magneetvelden.

Het omgekeerde fenomeen bestaat echter ook: een veranderend magnetisch veld kan ladingen laten bewegen en dus een stroom opwekken. Dit verschijnsel noemen we elektromagnetische inductie

Het was Michael Faraday die dit merkwaardige fenomeen ontdekte in 1831. Hij zag dat er een spanning in een winding werd opgewekt als het magnetisch veld in die winding veranderde. Deze opgewekte spanning wordt de inductiespanning Ui genoemd. Als de winding opgenomen is in een gesloten stroomkring, loopt er een stroom door de winding: de inductiestroom Ii

We kunnen dit fenomeen gemakkelijk illustreren aan de hand van een eenvoudig proefje.

Proef

Beweeg een magneet in en uit een spoel die aangesloten is op een ampèremeter (zoals geïllustreerd in voorgaande illustratie). Je ziet hierbij de uitwijking op de ampèremeter veranderen wat aantoont dat er een stroom door de spoel vloeit. Deze stroom werd geïnduceerd door het veranderend magneetveld in de spoel, vandaar de naam elektromagnetische inductie.

Beweeg de magneet snel en traag door de spoel en kijk wat het effect is.

Je kan dit proefje ook virtueel uitvoeren met behulp van een applet. Scan hiervoor de QR-code.

Door een veranderend magnetisch veld in een spoel ontstaat een spanning, deze spanning noemen we de inductiespanning Ui. De stroom die hierdoor ontstaat, noemen we de inductiestroom Ii. De inductiespanning is afhankelijk van de bewegingssnelheid van de magneet en de grootte van het magnetisch veld. Hoe sneller de magneet in en uit de spoel beweegt, hoe groter de inductiespanning; hoe groter het magnetisch veld, dus hoe sterker de magneet, hoe groter de inductiespanning.

Ook elektromagnetische inductie kent heel wat toepassingen, denk maar aan microfoons, pickups van een elektrische gitaar, detectoren van voertuigen …

7.1 Microfoon

Een microfoon zet een akoestisch signaal of geluidsgolf om in een elektrisch signaal. Dit is precies het omgekeerde proces dan wat er gebeurt bij een luidspreker die we eerder al besproken hebben, waar een elektrisch signaal omgezet werd in een geluidsgolf.

Het akoestisch signaal wordt eerst opgenomen door een membraan dat met de geluidsgolf meetrilt. Die trilling wordt vervolgens omgezet in variaties in de elektrische spanning en dus in een identiek elektrisch signaal. Dit gebeurt als volgt: aan het membraan is een spoel bevestigd die rond een magneet gewikkeld is. Als het membraan trilt, trilt de spoel mee en beweegt deze dus heen en weer langs de magneet. Dit creëert een veranderend magnetisch veld die een inductiespanning in de spoel opwekt. Hierdoor zal er een inductiestroom door de spoel lopen en voilà je akoestisch signaal is omgezet in een elektrisch signaal.

Opmerking

In de eerder gegeven theorie bewogen we een magneet in en uit een spoel om een veranderende magnetisch veld in de spoel te genereren en zo een inductiespanning op te wekken. Hier doen we het omgekeerde: we houden de magneet stil, maar bewegen de spoel heen en weer langs de magneet. Beide versie zijn echter evenwaardig, het gaat er enkel om dat het magneetveld in de spoel verandert.

7.2 Elektrische gitaar

Iedereen heeft vast wel al eens verwonderd naar een elektrische gitaar en de prachtige klanken die deze kan produceren, geluisterd. We bekijken even hoe dit werkt.

Op een gitaar bevinden zich pick-ups (ook wel gitaarelementen genoemd). In de afbeelding hiernaast zijn de pick-ups duidelijk zichtbaar, dit zijn de witte elementen waarboven de snaren liggen. In deze pick-ups bevindt zich meestal een spoel (een stuk gewikkeld koperdraad) dat rond een permanente magneet gewikkeld is.

De stalen snaren die boven de magneet liggen, worden zelf ook magnetisch. Als je een snaar aanslaat zodat deze trilt, verandert het magnetisch veld. Hierdoor wordt in de spoel die zich in de pick-ups bevindt een inductiespanning opgewekt. Deze spanning heeft dezelfde frequentie als de trilling van de snaar en kan vervolgens versterkt worden door een versterker.

Er bestaan verschillende soorten pick-ups. Zo heb je single-coil pickups of enkelspoelelementen die een kenmerkende hoge toon produceren. Deze toon herken je misschien wel van de gitaarlijnen van Jimi Hendrix of de Red Hot Chili Peppers. Beluister deze via de QR-code.

Daarnaast bestaan er ook humbuckers of dubbelspoelelementen. Deze klinker warmer dan de enkelspoelelementen, denk hier bijvoorbeeld maar aan een gitaarsolo van BB King. Ook dit kan je beluisteren via de QR-code.

7.3 Detectoren in voertuigen

Bijna elke auto heeft tegenwoordig parkeersensoren. Ook deze sensoren zijn gebaseerd op elektromagnetische inductie. Ze worden inductieve nabijheidssensoren genoemd en geven aan wanneer je auto te dicht bij een metalen object komt. De sensor wekt door middel van een spoel een magnetisch veld op. Als een metalen object, zoals een lantaarnpaal, in de buurt van de sensor komt, dan wordt dat magnetisch veld vervormd. Dit wordt gedetecteerd door de sensor en er luidt een luid gepiep in de auto. Dit waarschuwt de automobilist zodat deze tijdig kan remmen of bijsturen.

7.4 Generatoren

Voor de omzetting naar elektrische energie wordt meestal een generator gebruikt. Een generator zet mechanische energie om in elektrische energie. Een rotatie, vaak komende van een turbine die bijvoorbeeld door stoom wordt aangedreven, zet de generator in beweging. Deze beweging wordt dan via elektromagnetische inductie omgezet in elektriciteit. De relatieve beweging van één of meerdere spoelen ten opzichte van een magnetisch veld wekt een inductiespanning op. Dit principe wordt in heel wat elektriciteitscentrales gebruikt en ligt dus aan de basis van onze energievoorzieningen.

Via de QR-code vind je twee applets waarin je dit zelf eens kan uittesten.

We maken een onderscheid tussen een wisselspanningsgenerator (alternator) en een gelijkspanningsgenerator (dynamo).

Een eenvoudige dynamo kennen jullie allemaal van jullie fiets.