Experiment van Ørsted

Datum: Juli 2008

Inleiding:

Een van die experimenten waarover men weliswaar leest maar die men nooit uitvoert.

Principe:

Een draad waardoor een stroom loopt creëert een magnetisch veld.

Materiaal:

  • Elektriciteitsdraad
  • striptang
  • D-batterijen
  • KNEX
  • kabels met banaanstekkers
  • houten liniaal
  • banaanstekkerconnectors
  • boortjes (evt in combinatie met een Dremel)
  • kompassen
  • papier
  • ijzerpoeder
  • PC met EXCEL
  • Coachlab II
  • Magneetveldsensor voor Coachlab (B024)
  • Lijmpistool
  • Spindel deksel van CD of DVD's

Uitvoering:

EXP 1:
  • Neem een stuk elektriciteitskabels van ca. 40 cm en strip er de isolatie vanaf mbv de striptang.
  • Herhaal dit voor een tweede stuk.
  • Neem de liniaal en boor er aan de uiteinden twee gaten in van dusdanige grootte dat de banaanstekkerconnectors erin bevestigd kunnen worden.

  • Span nu een gestripte kabel tussen twee connectoren.
  • Het is makkelijker om het geheel op een plastic taludje te zetten.
  • Steek twee kabels met banaanstekkers in de connectoren.
  • Plaats een kompas onder de kabel. Lijn de draad en kompas op richting het noorden.
  • Neem een D type batterij.
  • Plaats een kabel op de + en een op de - en observeer wat er met de kompas gebeurt.
  • Verwissel de + en de - en observeer opnieuw.

EXP 2:

  • Neem de tweede kabel en buig hem in de vorm zoals in nevenstaande foto te zien is met een lus aan de onderkant en de draad die uit de lus omhoog steekt.

  • Bouw met de KNEX een opstelling waarbij de kabel door het midden kan en waarop het Spindel deksel kan rusten.

  • Boor een gaatje precies in het midden van het deksel.

  • Steek de draad erdoor heen,stel de hoogte in en lijm de draad vast met het lijmpistool.

  • Knip een cirkel papier uit zodat deze precies in het deksel past.

  • Maak een gaatje precies in het midden en steek de draad door het gat. Het papier ligt dan op de bodem van de deksel.
  • Strooi wat ijzerpoeder over het papier en leg ook een kompas in het deksel.
  • Neem een D type batterij.
  • Plaats een kabel op de + en een op de - en observeer.
Coachlab:
  • Tijdens bovenstaande experimenten heb ik ook metingen uitgevoerd mbv van Coachlab II en de Magneetveld sensor B024 (zoals op de eerste foto te zien is).

Resultaat:

De experimenten zin weergegeven in  onderstaande filmpjes.
In IE7 moet men toestemming geven om het javascript te laten uitvoeren.
 

EXP 1

Men kan zien dat zodra er een stroom door de draad loopt de kompasnaald reageert en min of meer loodrecht op de draad gaat staan.

Draait men de stroomrichting om dan veranderd ook de richting van de kompasnaald.

 

YouTube link: Oersted 1

 

EXP 2

We kunnen aan de reactie van het kompas zien dat er stroom door de draad loopt en er dus een magnetisch veld gegenereerd wordt. Het ijzervijlsel reageert echter niet en laat ook na aantikken niet zien dat er een magneetveld gevormd is.

 

YouTube link: Oersted 2
Coachlabmetingen:

In de behuizing van de magneetveldsensor bevindt zich een Hall-element dat gevoelig is voor de sterkte van een magnetisch veld. Het element is gemonteerd nabij het uiteinde van de behuizing. De sensor heeft twee bereiken (instelbaar met de schakelaar): x5: -100 tot + 500 mT (0-3 V); x50: -10 tot 50 mT (0-3V). In dit experiment is de meest gevoelige stand gebruikt.

In EXP 1 heb ik de sensor steeds naar de draad toebewogen en er weer vanaf. Als ik de sensor dicht bij de draad bracht naam het aantal mT af. Het achtergrondsignaal bedraagt 8 mT. In EXP 2 heb ik de sensor cirkelvormig om de draad heen bewogen. Men kan zien dat afhankelijk van de positie het signaal grote of kleiner is dan de 8 mT die men als achtergrond heeft.

Discussie en conclusie:

Als elektriciteit door een draad stroomt bewegen er in werkelijkheid elektronen door die draad.  Denk er hierbij aan dat men er oorspronkelijk de verkeerde keuze gemaakt heeft hetgeen betekent dat de stroomrichting tegengesteld is aan de richting waarin de elektronen zich bewegen. In de definitie van stroomrichting gaat men er dus eigenlijk vanuit dat zich een positieve lading beweegt (van de + naar de -). Het experiment laat dus in feite zien dat bewegende ladingen een magnetisch veld creëren.
In het experiment worden dus magnetische velden gecreëerd op het moment dat er stroom door de draad loopt.

In nevenstaande figuur worden de veldlijnen weergegeven als concentrische cirkels met de draad als middelpunt.

Men kan nu de zgn rechterhandregel toepassen, Houdt de duim in richting van I (de stroomrichting), de vingers geven dan richting aan van B (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.
Naarmate men verder van de draad weg is neemt de sterkte van het magnetisch veld af, omgekeerd evenredig met de afstand tot het middelpunt van de draad. De veldsterkte is echter recht evenredig met de stroomsterkte.
In formule:

Hierin is m0 een constante, de vacuüm permeabiliteit die een waarde van 4p.10-7 Tm/A heeft.
Hierin vinden we ook de verklaring waarom het ijzerpoeder geen magnetische veldlijnen liet zien. De stroomsterkte die we creëerden was te laag om een magnetisch veld van voldoende sterkte te creëren dat de ijzerdeeltjes in een patroon kon dwingen.

Literatuur:

  1. Öersted H.Ch. ; 'Experimenta circa efficaciam conflictus electrici in acum magneticam'; Hafnia; 1820.
  2. Steven Holzner; 'Natuurkunde voor Dummies'; Addison Wesley; 2006; ISBN 9789043012584; p. 293-296.
  3. R. J. Flink; 'Electricteitsleer; Nijgh & Van Ditmar; 1992; ISBN 9023606736; p. 124-135.
  4. Roger Bridgman; 'Elektronica'; Sesam; 1994; ISBN 9024601606; p. 11.

Opmerkingen:

  • De meetresultaten zijn opgeslagen in de file meetresultaten.xls.
  • Een klein doosje met KNEX spullen dat alle onderdelen bevatte die ik nodig had was toevallig bij Intertoys in de aanbieding voor € 4.
  • Dit was ook een ideaal experiment om met mijn Radio Shack Electronic Sensor Lab aan de slag te gaan. Een van de ingebouwde sensoren is een Hall sensor die magneetvelden kan meten. Ik heb een tweetal schakelingen gebouwd die in de handleiding beschreven staan (p. 42 en p. 43) waarmee men magneetvelden kan detecteren. De schakelingen werkten goed met een permanente magneet  maar het magneetveld dat door een draad gaat is te zwak voor deze sensor schakelingen.
  • Magnetische Inductie (B) wordt uitgedrukt in Tesla (T) or milliTesla (mT) als SI eenheid. Ook gebruikt men wel  Gauss (G) of kiloGauss (kG):
                        G = 10000 • T kG = 10 • T T = G / 10000 T = kG / 10 mT = G / 10
  • De Nederlandstalige wikipedia heeft weliswaar een artikel over Oersted maar het pagina URL kan niet goed vertaald worden naar een link
  • Men kan zoeken op Oersted alsmede op Ørsted.

Achtergrondinformatie:

Hans Christian Ørsted (Geboren in Rudkøbing op 14 augustus 1777 – Gestorven in Kopenhagen op 9 maart 1851) was een Deense natuurkundige en chemicus. Het experiment dat we hier uitvoeren, dat er een verband is tussen elektriciteit en magnetisme, werd in 1820 door Ørsted ontdekt. Tijdens het uitvoeren van een demonstratie-experiment viel hem op dat een kompas dat in de  nabijheid van de draad lag waardoor hij stroom liet lopen alleen reageerde als er stroom door de draad liep. In de maanden daarna heeft hij deze observatie verder experimenteel onderzocht en vervolgens gepubliceerd.

Ørsted probeerde geen verklaring te postuleren voor deze observatie. Ørsted leverde ook een  grote bijdrage aan de scheikunde door in 1825 als eerste aluminium te produceren.

Ørsted publiceerde zijn experiment in het latijn.

Öersted H.Ch.
Experimenta circa efficaciam conflictus electrici in acum magneticam. – Hafniae, 1820.

17/01/2017