Magnetische velden vanuit stromen
Een bewegende elektrische lading creëert er een magnetisch veld omheen, dus is elke stroomvoerende draad omringd door cirkelvormige magnetische veldlijnen. Als je die draad tot een spoel buigt, tellen de veldlijnen van elke winding binnenin op tot één sterk, uniform veld dat langs de lengte van de spoel loopt. Meer windingen draad, of meer stroom erdoorheen, en het veld binnenin wordt sterker.
De formule
B = μ₀ · N · I / L
- B — magnetisch veld (T): de sterkte van het magnetische veld in de spoel
- μ₀ — permeabiliteit van het vacuüm (T·m/A): een vaste constante die bepaalt hoe sterk een stroom een magnetisch veld produceert
- N — aantal windingen (turns): hoeveel lussen draad de spoel vormen
- I — stroom (A): hoeveel lading er elke seconde door de draad vloeit
- L — lengte (m): de lengte van de spoel waarover de windingen zijn gewikkeld
Uitgewerkt voorbeeld
Een spoel (soleniode) heeft 500 windingen draad gewikkeld over een lengte van 0,5 meter en voert een stroom van 2 ampère. Wat is de magnetische veldsterkte vanbinnen?
- N = 500 windingen
- I = 2 A
- L = 0.5 m
- B = μ₀ · N · I / L
- B = (4π × 10⁻⁷ T·m/A) · 500 · 2 A / 0.5 m
B = 8π × 10⁻⁴ T
Test jezelf
De soleniode heeft nu 1000 windingen in plaats van 500, met dezelfde stroom en lengte. Wat gebeurt er met het magnetische veld vanbinnen?
- Juiste antwoord: Hij verdubbelt naar 16π × 10⁻⁴ T
- Hij wordt gehalveerd naar 4π × 10⁻⁴ T
- Hij blijft gelijk op 8π × 10⁻⁴ T
Goed! B is evenredig met N, dus het verdubbelen van de windingen verdubbelt het veld: 4π×10⁻⁷ × 1000 × 2 A / 0.5 m = 16π × 10⁻⁴ T.
Om één enkele rechte stroomvoerende draad, zonder spoel: welke vorm maken de magnetische veldlijnen?
- Een uniform veld zoals in een spoel
- Rechte lijnen die langs de draad lopen
- Juiste antwoord: Cirkels die om de draad zijn gewikkeld
Exact — een rechte stroomvoerende draad is omringd door cirkelvormige magnetische veldlussen, volgens de rechterhandregel.
Waar je dit ziet
Een kraan op de autosloperij laat een spoel draad zakken, zet de stroom aan en tilt een auto op — zet de stroom uit en de auto valt. Geen magnetisme zonder stroom, vol magnetisme op afroep: deurbellen, MRI-scanners en schrootkranen zijn allemaal hetzelfde apparaat, een soleniode waarvan je het veld met een schakelaar commandeert.
Veelgemaakte fouten
Ten eerste de vorm van het veld: rond een rechte draad vormen de veldlijnen cirkels die om de draad gewikkeld zijn — geen rechte lijnen, geen uniform veld; het sterke uniforme veld verschijnt alleen binnenin een spoel. Ten tweede het schalen: B = μ₀ · N · I / L groeit met het aantal windingen en de stroom, dus van 500 naar 1000 windingen bij dezelfde stroom verdubbelt het veld vanbinnen exact. De stroom maakt het veld — een ijzeren kern concentreert het alleen maar.
Hoe het verband houdt
Dit is het keerpunt waarop de module elektromagnetisme van elektriciteit naar magnetisme omslaat: de wet van Coulomb en capaciteit gingen over ladingen in rust, en hier wervelt bewegende lading — stroom — een veld om zich heen op. De lorentzkracht, hierna, sluit de lus: die velden duwen terug op elke andere bewegende lading die er toevallig doorheen dwaalt.