Draadloze energie
De toekomst voor energie
2013
Magnetische Inductie
Draadloze energieoverdracht door middel van inductie werkt door het magnetisch koppelen van twee spoelen (een die is verbonden met een stroombron, en de andere met het van stroom te voorziene apparaat.)
De spoel
Een object dat in de natuurkunde vaak gebruikt wordt en vele verschillende toepassingen heeft is de spoel. Een spoel is niets anders dan een metaaldraad die gewikkeld is om een spoelvorm, met eventueel een magnetiseerbare kern daarin.
De spoel is het hoofdbestanddeel voor de werking van energieoverdracht door magnetische inductie.
Statische elektrische lading veroorzaakt een elektrisch veld. Bewegende elektrische lading veroorzaakt een magnetisch veld, wat daarom ook wel een āelektrodynamisch veldā wordt genoemd. Een elektrische stroom, wat niets anders is dan het bewegen van elektronen (elektronegatief geladen deeltjes) door een spoel zal dus een magnetisch veld opwekken.
in Figuur 2 is een schematische afbeelding van een spoel waar een stroom doorheen loopt met het magnetisch veld dat die stroom opwekt te zien.
Verschillende spoelen met platte windingen
Het ontstaan van een magnetisch veld is als volgt te verklaren:
Een spoel met diens magnetische veldlijnen
Door een spoel op een spanningsbron aan te sluiten, zal er een stroom doorheen gaan lopen. De bewegende elektronen zullen zich door de spoel bewegen van de negatieve- naar de positieve pool van de spanningsbron.
Deze stroom zal een magnetisch veld opwekken (zie voor verklaring de pagina 'maxwells wetten' met een sterkte die te berekenen is met de volgende formule:
Dit magnetisch veld kan vervolgens kracht uitoefenen op een bewegend geladen deeltje wat zich binnen dit magnetisch veld beweegt.
In een magnetisch veld bevinden zich denkbeeldige āmagnetische veldlijnenā die zich in de richting van het magnetisch veld voortplanten. Hoe meer van die denkbeeldige magnetische veldlijnen in een veld, hoe sterker dat veld is.
De hoeveelheid magnetische veldlijnen in een magnetisch veld is de āmagnetische fluxdichtheidā B en wordt uitgedrukt in Tesla, ofwel Weber per vierkante meter (in SI-eenheden ).
Als er dus een object in een magnetisch veld wordt geplaatst, zullen er magnetische veldlijnen door dit object lopen.
De hoeveelheid magnetische veldlijnen die een bepaald oppervlak (bijvoorbeeld een draadraam) dat zich in een magnetisch veld bevindt doorkruist wordt de āmagnetische fluxā genoemd met als eenheid de āweberā, waarbij 1 Weber gelijk staat aan 1 Voltseconde (in SI-eenheden Vs) en als symbool .
De formule voor magnetische flux is
Magnetische fluxdichtheid wordt ook wel magnetische inductie genoemd. Hiervan is de naam van deze methode van draadloze energieoverdracht afgeleid.
Waarbij B de sterkte van het magnetisch veld, de magnetische permeabiliteit van het medium, N het aantal windingen van de spoel, I de stroomsterkte door de spoel en l de lengte van de spoel is.
Energie opnemen uit een magnetisch veld
Toen men erachter was gekomen dat een stroom een magnetisch veld kon opwekken, ontstond de vraag of dit fenomeen ook omkeerbaar is: kan een magnetisch veld een stroom opwekken? Als dit mogelijk zou zijn zou men Ć©Ć©n spoel op een spanningsbron aan kunnen sluiten en dit magnetisch veld zou dan bruikbaar zijn om stroom op te wekken elders in hetzelfde magnetisch veld. Men kwam tot de volgende bevinding:
Als een geleider zich in een veranderend magnetisch veld bevindt (dat wil zeggen dat er fluxverandering binnen deze geleider plaatsvindt) , gaat er door die geleider een stroom lopen. Door een geleider door een magnetisch veld te bewegen gaat er dus een stroom doorheen lopen. Het is echter niet handig als je om een apparaat draadloos van stroom te voorzien dit apparaat steeds door het magnetisch veld moet bewegen.
Dit probleem kan worden opgelost door de fluxverandering niet uit de beweging van het apparaat in het magnetisch veld te halen, maar door het veld zĆØlf te laten veranderen. Dit kan door een wisselspanning op de primaire spoel (dat wil zeggen, de spoel die aan een spanningsbron is aangesloten) te zetten. Door de steeds veranderende stroomrichting ontstaat een magnetisch veld dat ook constant van richting verandert, met dezelfde frequentie als de wisselspanning.
Als zich een andere spoel in dit magnetisch veld bevindt, zal er dus ten gevolge van de fluxverandering een stroom door die spoel gaan lopen. De spanning die hierdoor in de secundaire spoel (de spoel die zich los in het magnetisch veld bevindt) ontstaat heet de inductiespanning.
Waarbij de magnetische flux in Weber, de magnetische veldsterkte en A het oppervlak van het object dat loodrecht op de magnetische veldlijnen staat.
Een speciaal geval van de wet van Maxwell (eerder in dit werkstuk besproken) is de wet van Lentz. Deze wet stelt dat er in een spoel die zich in een veranderend magnetisch veld bevindt een stroom zal gaan lopen, die de oorzaak van zijn ontstaan tegenwerkt. Er gaat een stroom door de spoel lopen die een tegenflux creĆ«ert: De magnetische veldlijnen die door de stroom door de spoel ontstaan zijn tegengesteld gericht aan de magnetische veldlijnen van het veld waarin de spoel zich bevindt. Dit verschijnsel heet āzelfinductieā.
Stel er wordt een staafmagneet met de noordpool de spoel in bewogen. Er ontstaat dan een fluxverandering binnen de spoel, het magnetisch veld van de staafmagneet binnen de spoel wordt immers groter.
De spoel zal dan een noordpool creƫren aan dezelfde kant als waar de staafmagneet met diens noordpool de spoel binnenkomt. Het magnetisch veld van de spoel houdt de staafmagneet dus tegen en het kost extra kracht om de staafmagneet de spoel in te krijgen.
Het magnetisch veld dat de spoel gecreƫerd heeft is ontstaan ten gevolge van een stroom die door de spoel is gaan lopen, als er dus een lampje op de spoel aangesloten zou zijn en de staafmagneet zou naar de spoel toe of van de spoel af worden bewogen zou dat lampje gaan branden.
De spanning die wordt opgewekt, de zelfinductiespanning, is als volgt te berekenen:
Waarbij U de inductiespanning in Volt, N het aantal windingen van de spoel en de fluxverandering over de tijd is.
