Motoren en generatoren

Een draad van 5 cm met 20 A dwars op een veld van 1.5 T ondervindt 1.5 N kracht. Gebruik dit in een draaiende lus en je hebt een motor.

Een magnetisch veld oefent kracht uit op een stroom

In hoofdstuk 4 zag je dat een elektrische stroom een magnetisch veld maakt. In zekere zin geldt ook het omgekeerde: een magnetisch veld oefent kracht uit op een stroom. Voor een rechte draad met lengte l, stroom I en dwars door een homogeen veld B geldt F = I l B sin θ. De hoek θ is de hoek tussen de draad en het magnetische veld. De kracht is het grootst wanneer de draad loodrecht door het veld loopt en nul wanneer de draad evenwijdig aan het veld ligt. De kracht staat loodrecht op zowel de draad als het veld. Rechterhandregel 1 van OpenStax geeft aan welke kant de kracht op wijst.

OpenStax rekent een voorbeeld uit met een sterk veld: B = 1.50 T, een draadlengte van 5.00 cm en een stroom van 20.0 A. Met sin 90° = 1 wordt F = 20.0 × 0.0500 × 1.50 = 1.50 N, ongeveer het gewicht van een appel van 150 g. Dat is een merkbare duw op een kort draadstuk. Het laat ook zien waar de tesla vandaan komt: 1 T is het veld waarin 1 A door 1 m draad een kracht van 1 N ondervindt.

Van duw naar draai: elektromotor

Plaats een rechthoekige draadlus tussen de polen van een magneet en laat er stroom doorheen lopen. Aan de ene zijde loopt de stroom in de ene richting, aan de overstaande zijde in de andere. Beide zijden worden daardoor in tegengestelde richtingen geduwd en de lus draait. Als er niets veranderde, zou de lus heen en weer bewegen en uiteindelijk in de veldrichting tot stilstand komen. Een motor keert de stroom daarom elke halve draai om. In een gelijkstroommotor doen een gespleten commutator en borstels dat. De lus blijft zo dezelfde kant op draaien zolang er stroom loopt. Meer windingen zorgen voor meer draaikracht. OpenStax berekent voor een vierkante spoel met 100 windingen en zijden van 10.0 cm, bij 15.0 A in een veld van 2.00 T, een maximaal koppel van 30.0 N·m. Dat is genoeg om in een motor bruikbaar te zijn. De rendementstabel van OpenStax geeft voor elektromotoren ongeveer 98 procent, veel hoger dan voor motoren die brandstof verbranden.

Beweging terug naar elektriciteit

Als stroom in een veld beweging maakt, kan beweging in een veld dan stroom maken? Michael Faraday onderzocht die vraag jarenlang. Op 29 augustus 1831 wond hij in zijn kelderlab van de Royal Institution in Londen twee spoelen aan tegenoverliggende kanten van een ijzeren ring. Toen hij een batterij op één spoel aansloot, sloeg een naald aan de andere kort uit en kwam weer tot rust. Bij het loskoppelen sloeg hij de andere kant op. Een constante stroom in de eerste spoel deed niets met de tweede; alleen verandering had effect. De Royal Institution bewaart de ring nog en beschrijft hem als de eerste elektrische transformator.

Dit is elektromagnetische inductie: een veranderend magnetisch veld door een spoel wekt spanning op, een geïnduceerde elektromotorische kracht. Duw een staafmagneet in een spoel en een aangesloten meter slaat één kant uit. Trek hem eruit en de meter slaat andersom uit. Houd hem stil en de meter geeft nul. Sneller bewegen geeft een grotere uitslag. OpenStax noemt de bepalende grootheid magnetische flux: Φ = B A cos θ, het veld maal het oppervlak van de lus waar het doorheen gaat. Elke fluxverandering induceert spanning, of het nu het veld is dat verandert, het oppervlak of de stand van de lus.

Een generator maakt hiervan een machine. Een spoel draait tussen magneten, waardoor de hoek θ en dus de flux voortdurend veranderen. Aan de uiteinden ontstaat een wisselspanning. De bouw lijkt vrijwel precies op een motor. In een motor wordt elektrische energie omgezet in rotatie; in een generator wordt rotatie elektrische energie. Turbines die door stoom, vallend water of wind draaien, drijven de generatoren aan die het grootste deel van de elektriciteit in onze huizen leveren.