Elektromagnetisme is een van de fundamentele krachten van het universum, verantwoordelijk voor alles, van elektrische en magnetische velden tot licht. Oorspronkelijk geloofden wetenschappers dat magnetisme en elektriciteit afzonderlijke krachten waren. Maar tegen het einde van de 19e eeuw veranderde deze opvatting, omdat uit onderzoek onomstotelijk bleek dat positieve en negatieve elektrische ladingen werden beheerst door één kracht (d.w.z. magnetisme).
Sinds die tijd hebben wetenschappers getracht elektromagnetische velden te testen en te meten en ze opnieuw te creëren. Daartoe creëerden ze elektromagneten, een apparaat dat elektrische stroom gebruikt om een magnetisch veld op te wekken. En sinds hun eerste uitvinding als wetenschappelijk instrument, zijn elektromagneten een vast onderdeel geworden van elektronische apparaten en industriële processen.
Elektromagneten onderscheiden zich van permanente magneten doordat ze alleen een magnetische aantrekkingskracht op andere metalen objecten vertonen wanneer er een stroom doorheen gaat. Dit biedt talrijke voordelen, doordat de kracht van zijn magnetische aantrekkingskracht kan worden geregeld en naar believen kan worden in- en uitgeschakeld. Om deze reden worden ze veel gebruikt in onderzoek en industrie, waar magnetische interacties ook nodig zijn.
Geschiedenis van elektromagneten:
De eerste geregistreerde ontdekking van de relatie tussen elektriciteit en magnetisme vond plaats in 1820, toen de Deense wetenschapper Hans Christian Orsted opmerkte dat de naald op zijn kompas weg wees van het magnetische noorden toen een nabijgelegen batterij werd aangezet. Deze afbuiging overtuigde hem ervan dat magnetische velden van alle kanten van een draad uitstralen die een elektrische stroom draagt, net als licht en warmte.
Kort daarna publiceerde hij zijn bevindingen, waarmee hij wiskundig aantoonde dat een elektrische stroom een magnetisch veld produceert terwijl het door een draad stroomt. Vier jaar later ontwikkelde de Engelse wetenschapper William Sturgeon de eerste elektromagneet, die bestond uit een hoefijzervormig stuk ijzer, omwikkeld met koperdraad. Wanneer stroom door de draad ging, trok het andere stukken ijzer aan en wanneer de stroom werd gestopt, verloor het magnetisatie.
Hoewel de elektromagneet van Sturgeon volgens moderne maatstaven zwak is, bewijst hij hun potentiële nut. Ondanks dat het slechts 200 gram weegt, kan het met alleen de stroom van een eencellige batterij voorwerpen tillen die ongeveer 4 kg (9 pond) wogen. Als gevolg hiervan begon het onderzoek te intensiveren naar zowel elektromagneten als naar de aard van elektrodynamica.
Tegen de jaren dertig maakte de Amerikaanse wetenschapper Joseph Henry een reeks verbeteringen aan het ontwerp van de elektromagneet. Door geïsoleerde draad te gebruiken, kon hij duizenden draadwikkelingen op een enkele kern plaatsen. Als gevolg hiervan kon een van zijn elektromagneten maar liefst 936 kg (2.063 lbs) aan gewicht dragen. Dit zou een populariserend effect hebben op het gebruik van elektromagneten.
Soorten elektromagneten:
Een elektrische stroom die door een draad stroomt, creëert een magnetisch veld rond de draad, vanwege de wet van Ampere. Deze wet stelt dat voor elk pad met een gesloten lus de som van de lengte-elementen maal het magnetische veld in de richting van het lengte-element gelijk is aan de permeabiliteit maal de in de lus opgesloten elektrische stroom.
Om het magnetische veld in een elektromagneet te concentreren, wordt de draad vaak in een spoel gewikkeld, zodat de draaidraad naast elkaar langs de rand ligt. Het magnetische veld dat wordt opgewekt door de draadwindingen gaat door het midden van de spoel en creëert daar een sterk magnetisch veld. De zijde van de magneet waaruit de veldlijnen tevoorschijn komen, is gedefinieerd als de Noordpool.
Een draadspiraal in de vorm van een helix wordt een 'solenoïde' genoemd. Er kunnen echter veel sterkere magnetische velden worden opgewekt als er een ferromagnetisch materiaal (d.w.z. ijzer) in de spoel wordt geplaatst. Dit wordt een 'ferromagnetische kern' (of 'ijzeren kern elektromagneet') genoemd, die duizendmaal de sterkte van een spoel alleen een magnetisch veld kan genereren.
Dan is wat bekend staat als een "toirodale kern", waarin draad die om een ferromagnetische kern is gewikkeld, de vorm aanneemt van een gesloten lus (ook bekend als een magnetisch circuit). In dit geval nemen de magnetische velden de vorm aan van een gesloten lus, waardoor ze veel minder "weerstand" bieden aan het magnetische veld dan lucht. Als gevolg hiervan kan een sterker veld worden verkregen als het grootste deel van het pad van het magnetische veld zich in de kern bevindt.
En dan zijn er "supergeleidende" elektromagneten, die zijn samengesteld uit opgerolde draad gemaakt van supergeleidende materialen (zoals niobium-titanium of magnesiumdiboride). Deze draden worden ook bewaard bij cryogene temperaturen om ervoor te zorgen dat de elektrische weerstand minimaal is. Dergelijke elektromagneten kunnen veel grotere stromen geleiden dan gewone draad, waardoor de sterkste magnetische velden van elke elektromagneet worden gecreëerd, terwijl ze ook goedkoper zijn om te werken omdat er geen energieverlies is.
Modern gebruik voor elektromagneten:
Tegenwoordig zijn er talloze toepassingen voor elektromagneten, variërend van grootschalige industriële machines tot kleinschalige elektronische componenten. Bovendien worden elektromagneten veel gebruikt voor het uitvoeren van wetenschappelijk onderzoek en experimenten, vooral waar supergeleiding en snelle acceleratie vereist zijn.
In het geval van elektromagnetische solenoïden worden ze overal gebruikt waar een uniform (d.w.z. gecontroleerd) magnetisch veld nodig is. Hetzelfde geldt voor de elektromagneet met ijzeren kern, waar een ijzer of andere ferromagnetische kern kan worden ingebracht of verwijderd om de veldsterkte van de magneet te versterken. Dientengevolge zijn magneetmagneten vaak te vinden in elektronische paintballmarkers, flipperkasten, dotmatrixprinters en brandstofinjectoren, waar magnetisme wordt toegepast en gecontroleerd om de gecontroleerde beweging van specifieke componenten te garanderen.
Gezien hun vermogen om zeer krachtige magnetische velden, lage weerstand en hoge efficiëntie te genereren, worden supergeleidende elektromagneten vaak gevonden in wetenschappelijke en medische apparatuur. Deze omvatten machines voor magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) in ziekenhuizen en wetenschappelijke instrumenten zoals nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectrometers, massaspectrometers en ook deeltjesversnellers.
Elektromagneten worden ook veel gebruikt als het gaat om muziekapparatuur. Deze omvatten luidsprekers, oortelefoons, elektrische bellen en magnetische opname- en gegevensopslagapparatuur - zoals bandrecorders. De multimedia- en entertainmentindustrie vertrouwt op elektromagneten om apparaten en componenten te creëren, zoals videorecorders en harde schijven.
Elektrische actuatoren, motoren die verantwoordelijk zijn voor het omzetten van elektrische energie in mechanisch koppel, vertrouwen ook op elektromagneten. Elektromagnetische inductie is ook het middel waardoor vermogenstransformatoren werken, die verantwoordelijk zijn voor het verhogen of verlagen van de spanningen van wisselstroom langs hoogspanningslijnen.
Inductieverwarming, die wordt gebruikt voor koken, fabricage en medische behandeling, vertrouwde ook op elektromagneten, die elektrische stroom omzetten in warmte-energie. Elektromagneten worden ook gebruikt voor industriële toepassingen, zoals magnetische lifters die magnetische aantrekkingskracht gebruiken om zware objecten op te tillen of magnetische separatoren die verantwoordelijk zijn voor het sorteren van ferromagnetische metalen uit schroot.
En last but not least is er de toepassing van maglev-treinen. Naast het gebruik van elektromagnetische kracht om een trein boven een spoor te laten zweven, zijn supergeleidende elektromagneten ook verantwoordelijk voor het versnellen van de treinen tot hoge snelheden.
Kortom, het gebruik van elektromagneten is vrijwel onbeperkt en voedt alles, van consumentenapparaten en zware apparatuur tot massavervoer. In de toekomst kunnen ze ook verantwoordelijk zijn voor ruimtereizen, waarbij ionenvoortstuwingssystemen magnetische velden gebruiken om geladen deeltjes (d.w.z. ionen) te versnellen en stuwkracht te bereiken.
We hebben hier bij Space Magazine veel interessante artikelen over elektromagneten geschreven. Hier is wie ontdekte elektriciteit?, Waar zijn magneten van gemaakt?, Hoe werken magneten?, Het magnetische veld van de aarde en Ion-voortstuwing.
Kijk voor meer informatie op NASA's leermiddelen 'Experimenteren met elektromagneten en de rol van de aarde als een elektromagneet en de schepping van aura's, en de pagina van NASA Wavelength op elektromagneten.
How Stuff Works heeft ook een geweldige pagina, getiteld "Inleiding tot hoe elektromagneten werken", en het National High Magnetic Field laboratorium (MagLab) heeft een aantal prachtige artikelen over elektromagneten, hoe ze te maken en hoe ze werken.
Je kunt ook Astronomy Cast bekijken. Aflevering 103 gaat over elektromagnetische krachten.
