Inductiespanning genereren,
een beetje anders

Datum: oktober 2011

Inleiding:

Een proefje dat ik in een natuurkunde boek tegenkwam en waarvan ik dacht "leuk om te doen".

Principe:

Door een magneet naar en van een spoel op en neer te bewegen wordt een wisselspanning geproduceerd

Materiaal:

  • Vernier Go!Link Interface
  • Vernier Voltmeter
  • Neodynium magneet
  • Spoelen (10000 windingen, 600 windingen)
  • Kabels met klemmen
  • PC met Excel
  • Draaitafel
  • Plakband

draaitafel

    spoel

Uitvoering:

  • Bouw de opselling op zoals hiernaast en hieronder is weergegeven.

  • Neem een stukje dubbelzijdig plakband of maak een rolletje enkelzijdig plakband en plaats dit zo dicht mogelijk bij de rand van de draaitafel.

  • Plaats de magneet daarop.

  • Zet de spoel zo dicht mogelijk tegen de draaitafel.

  • Verbind de spoel met de voltmeter van de Vernier die aangesloten is op een PC via Go!Link met daarop draaiende Logger Pro of Logger Lite software.

  • Stel de meting in voor een periode van 2,3,5 en/of 10 minuten. In dit geval heb ik de default meetsnelheidswaardes gebruikt.

  • Start de meting op.
  • Exporteer na de meting de resultaten als CSV file.
  • Importeer deze in Excel en analyseer de resultaten.
  • Herhaal het experiment evt. met een spoel met minder windingen en/of met een grotere afstand tussen spoel en magneet.

Resultaat:

De resultaten van 3 experimenten zijn samengevat in onderstaande grafiek:
  • 10000 windingen zo dicht mogelijk bij de magneet
  • 600 windingen zo dicht mogelijk bij de magneet
  • 10000 windingen op een afstand van ca. 3 cm van de magneet

Zoals te verwachten zijn de signalen van een spoel met minder windingen en met een grotere afstand veel zwakker. Bij de spoel met 600 windingen zien we alleen maar ruis, zoals we in onderstaande grafiek, waarbij we ingezoomd hebben ook goed te zien is.

De resultaten zijn opgeslagen in de file: dataanalyse.xls

Discussie en conclusie:

Een magneet die naar een spoel toe of van een spoel af beweegt, veroorzaakt een spanning over de uiteinden van de spoel: de inductiespanning. Zon inductiespanning ontstaat ook door de magneet bij de spoel te laten ronddraaien, zoals in een (fiets)dynamo. Of door de magneet te vervangen door een spoel aangesloten op een wisselspanningbron, zoals bij een transformator.

De inductiespanning Uind over een spoel wordt veroorzaakt door een verandering van de magnetische flux M binnen de spoel. Volgens de inductiewet van Faraday is deze inductiespanning recht evenredig met het veranderingstempo van de magnetische flux binnen de spoel.

Literatuur:

  • A. Schommers; 'Elektronica echt niet moeilijk, deel 2: experimenten met wisselstroom'; Elektuur BV; 1988; ISBN 9070160501; p 107-137.
  • A.J.Dirksen; 'Leerboek Elektronica, Deel 1 Gelijkstroomtheorie'; De Muiderkring; 1979; ISBN 9060821017; p 134.
  • Hubert Biezeveld, Louis Mathot; 'Scoop VWO bovenbouw Natuurkunde 2'; Wolters-Noordhoff; 1999; ISBN 90001077080; p. 106.

Relevante websites:

Minder relevante websites:

Opmerkingen:

  • Uiteraard is het niet noodzakelijk om dit experiment uit te voeren met de Vernier Go!Link, men kan ook Coachlab of een Oscilloscoop gebruiken.
  • De Go!Link kan men bij Vernier International bestellen. Het pakket inclusief thermometer en voltmeter en transportkosten kost ca. 100. Jammer genoeg komen daarbovenop nog BTW en inklaringskosten van ca. 30.
    Tegenwoordig is deze ook in NL verkrijgbaar, o.a. bij Eurofysica.
  • Mijn spoelen komen van een Emergo experimenteerdoos die ik ooit via Marktplaats op de kop getikt heb.
  • Het draaitafeltje is de zgn. "Solar Powered Turn Table / Rotary Display" die ik ooit bij DealExtreme gekocht heb.

Achtergrondinformatie:
 

De magnetische inductie

De magnetische inductie B geeft de sterkte van het magnetisch veld aan. De eenheid is tesla (T). Bij de polen van een magneet is de magnetische inductie het sterkst, in het midden van een magneet is die het minst sterk. De magnetische inductie is een vectorgrootheid, wat inhoudt dat hij een richting heeft. Deze richting is van de noordpool van een magneet naar de zuidpool.

Bij een spoel hangt de sterkte van het magneetveld van die spoel af van:

  • De stroomsterkte door die spoel,
  • Het aantal windingen van die spoel
  • De lengte van de spoel
  • De aanwezigheid van een kern in de spoel

De magnetische flux

De magnetische flux F is een maat voor het aantal magnetische veldlijnen dat loodrecht door een oppervlak gaat. De eenheid is de weber (Wb). De grootte van de flux wordt berekend met de formule F = BnA, Hierin is Bn de component van B loodrecht op het oppervlak en A het oppervlak in m2 waar de veldlijnen doorheen gaan.

Des te meer veldlijnen door een bepaald oppervlak gaan, des te groter wordt de flux.

Fluxverandering krijgt men als:

  • het aantal veldlijnen door een oppervlak groter wordt, bijvoorbeeld als een magneet dichter naar het oppervlak toegeschoven wordt,
  • door het oppervlak groter te maken, bijvoorbeeld door uitschuiven, zodat er meer veldlijnen door gaan.

Inductiespanning

De inductiespanning Vind is de spanning die over de uiteinden van een spoel ontstaat als de magnetische flux door die spoel verandert.

In de tekeningen hiernaast zie je dat er links weinig veldlijnen door de spoel gaan, in de rechter tekening zijn dat er al meer. Dat betekent dat als de magneet naar de spoel toe beweegt, de flux door die spoel toeneemt en er een inductiespanning zal ontstaan.

De grootte van de inductiespanning bereken je met de formule:

 
Hierin is N het aantal windingen van de spoel, DF de verandering van de flux en Dt de tijdsduur waarin die fluxverandering plaatsvond.

Uit die formule blijkt dat je een grote inductiespanning krijgt als door een spoel met veel windingen er in een korte tijd een grote fluxverandering is.

Inductiespanning bepalen met een flux,tijd grafiek.

Als een grafiek gegeven wordt, waarin de flux door een spoel uitgezet is tegen de tijd, dan kun je de inductiespanning vinden met de helling of steilheid van de lijn. Die steilheid is gelijk aan:

 

Is die lijn een kromme, zoals in de tekening hiernaast, dan teken je eerst een raaklijn aan die grafiek in het punt waar je de inductiespanning wilt weten. Vervolgens bepaal je de steilheid van die raaklijn. Het product van het aantal windingen en de steilheid is dan de inductiespanning. In de tekening hernaast zie je dat fluxverandering en dus de inductiespanning het grootst is op de tijdstippen 1 en 3. Op de tijdstippen 0, 2 en 4 zie je dat de raaklijnen horizontaal lopen, de inductiespanning is daar nul!
 

Inductiestroom

Als op een spoel waarin een inductiespanning wordt opgewekt een elektrisch onderdeel, zoals een lampje of weerstand wordt aangesloten, dan gaat in die spoel een inductiestroom lopen.

De richting van de inductiestroom

De inductiestroom heeft een zodanige richting, dat hij een eigen magnetisch veld opwekt dat de verandering van de uitwendige flux tegenwerkt.

  1. De magneet nadert de spoel, de uitwendige flux neemt toe.
In de tekening hiernaast nadert de noordpool de spoel. Het aantal naar linksboven gerichte veldlijnen door de spoel neemt dus toe. De spoel zal deze verandering tegenwerken door een stroom te laten lopen die de toename van uitwendige veldlijnen die naar linksboven tegenwerkt. Hij maakt dus een veld dat naar rechtsonder is gericht. Met de rechterhandregel vind je dan dat de inductiestroom in de winding van A naar B loopt. De negatief geladen elektronen bewegen altijd tegen de stroomrichting in, dus bij A ontstaat een ophoping van negatieve lading, A wordt dus de minpool van deze spanningsbron. B wordt dus de pluspool en heeft dan ook de hoogste potentiaal.

NB. De spoel is hier een spanningsbron, in een spanningsbron loopt de stroom altijd van de min naar de plus, buiten de spanningsbron loopt de stroom altijd van de plus naar de min!

  1. De magneet verwijdert zich van de spoel, de uitwendige flux neemt af.

Als de magneet nu weer teruggetrokken wordt, dan neemt de uitwendige naar linksboven gerichte flux af, de spoel werkt deze verandering nu tegen door zelf veldlijnen naar linksboven te maken. Dan zal de inductiestroom in de spoel tegengesteld zijn aan de situatie waarin de magneet de spoel naderde. De plus- en minpool wisselen dan om.


15/01/2017