PWS Magneettrein

[Noah en Stijn]

Beste mensen van de TUDelft,

Wij willen voor ons PWS zelf een model van een magneettrein bouwen. Als eerste wilden we kijken of we iets voort konden bewegen d.m.v. elektromagnetische kracht. Wij willen een karretje waar een permanente magneet op is bevestigd, voort bewegen door middel van meerdere elektromagneten onder de baan te bevestigen die van pool kunnen veranderen. Zodat de elektromagneten de permanente magneet op het karretje aantrekken totdat het karretje vlakbij is. Dan gaat de elektromagneet even uit en als het karretje net voorbij is gaat de elektromagneet weer aan maar dan met een omgekeerde pool zodat het karretje weer wordt afgestoten.

Hiervoor hebben wij een test gedaan met een elektromagneet en een permanente magneet, om te kijken hoeveel afstotende/aantrekkende kracht de magneten op elkaar uitoefenden. We konden een permanente magneet zowel aan trekken als afstoten. Maar we vonden ook uit dat dit als voortstuwingsmethode niet te gebruiken was omdat onze elektromagneet in een ijzeren omhulsel zat. Hierdoor kon de permanente magneet afgestoten worden door de elektromagneet maar tegelijker tijd weer worden aangetrokken door het ijzeren omhulsel van de elektromagneet. Deze magneet was niet bruikbaar als voortstuwingsmethode onder de baan.

Wij willen nog steeds ons model bouwen maar wij beschikken niet over de juiste magneten en onze school ook niet. We denken dat we een sterkere elektromagneet nodig hebben zonder magnetische onderdelen, zodat er geen aantrekkingskracht tussen een permanente magneet en elektromagneet mogelijk is als de elektromagneet is uitgeschakeld. Zouden jullie ons hiermee kunnen helpen?

Met vriendelijke groet, Noah Knijff en Stijn van Muiden, Het Amsterdams Lyceum (VWO 6)

[Thom]

Ha Noah en Stijn,

Ik snap niet precies wat er in dit geval misgaat. Zouden jullie misschien foto's of een video kunnen sturen van jullie model waar jullie al een beetje mee hebben geëxperimenteerd. Dan kan ik het wat beter voor me zien.

Groetjes,

Thom

[Noah en Stijn]

Beste Thom,

In de eerste foto wordt de permanente magneet afgestoten door de elektromagneet, waardoor die zweeft. In de tweede foto staat de elektromagneet nog steeds aan maar wordt de permanente magneet aangetrokken door de ijzeren rand van de elektromagneet (we hebben hier een filmpje van maar dat kon niet op het forum geupload worden). Hier door kunnen wij deze magneet niet als aantrekkings- én afstotingsbron gebruiken, want als je een permanente magneet horizontaal boven de elektromagneet langs beweegt wordt de permanente magneet:

1. eerst aangetrokken (door het ijzeren omhulsel van de elektromagneet)
2. dan afgestoten (door de magnetische werking van de elektromagneet, zie foto 1)
3. en dan weer aangetrokken (door het ijzeren omhulsel van de elektromagneet, zie foto 2)

!
0_1481039477171_Screen Shot 2016-12-06 at 4.46.57 PM.png

Groet Noah en Stijn

[Noah en Stijn]

Beste Thom,

Wij hadden wat moeilijkheden met het forum en konden niet alle foto's en filmpjes goed uploaden. We hebben namelijk nog een gedetailleerd ontwerp van ons beoogde experiment. En een filmpje waarin beter te zien is wat het probleem met onze elektromagneet is. Als je het handig vindt om deze te bekijken zouden we ze dan eventueel kunnen mailen?

Groet Stijn en Noah

[Thom]

Ha Stijn en Noah,

Zou je mij dat kunnen mailen, zie m'n mail bij mn account.

Groetjes,

Thom

[Noah en Stijn]

Ha Thom,

Sorry voor de wat late reactie. We hebben besloten ons profielwerkstuk een beetje anders aan te pakken en hebben besloten om zelf de elektromagneten te gaan maken. Dit is goed gelukt, we hebben drie magneten met verschillende draad diktes en lengtes gemaakt: één van 40m draad van 0,5mm dik; één van 40m draad van 0,2mm dik; één van 80m draad van 0,2mm dik. We hebben het koperdraad om een ijzeren kern met een dikte van 1,0 cm gewikkeld. De magneten werken goed, maar worden wel erg snel warm.

Om een karretje een eind voort te laten bewegen hebben we meerdere magneten nodig, daarom willen we graag kijken welk van de drie eerder genoemde elektromagneten we er meer van moeten maken. Om te kijken welke het beste is hebben we de magnetische inductie (veldsterkte) berekend (B = mu * (N * I) / llengte ), maar volgens ons houd deze formule geen rekening met het feit dat het koperdraad om een ijzeren kern is gewikkeld. Wij vroegen ons af of er misschien een alternatieve formule is die daar rekening mee houdt.
Door het invullen van de formule van de magnetische inductie, B (Tesla), kwamen we erop uit dat de magneet met een draad dikte van 0,5mm het sterkste is met een spanningsbron met een vermogen van 30W, en dit namen wij ook waar. Bij een groter voltage en stroomsterkte worden de magneten sterker, maar worden ze ook steeds sneller warm, de magneten met een draad dikte van 0,2mm worden minder snel warm (waarschijnlijk door een hogere weerstand). Is het mogelijk om te berekenen hoe warm een elektromagneet zal worden, afhankelijk van de spanning en stroomsterkte? En zo ja, is hier misschien een geschikte formule voor? Wij hebben dit zelf geprobeerd te berekenen door er van uit te gaan dat al het elektrisch vermogen P (in Watt) wordt omgezet in warmte (P = U * I, en P= dE/t) en vervolgens met de formule van de soortelijke warmte ( Q = m * c * dT) te berekenen hoe warm het koperdraad geworden is. Maar wij kwamen erop uit dat de magneet in zeven minuten tijd 150 graden warmer zou zijn geworden terwijl we een temperatuur toename van 20 graden hebben gemeten. Er moet iets zijn dat we misschien over het hoofd gezien hebben.

Ook wilde we graag proberen te berekenen hoe sterk de afstotende/aantrekkende kracht tussen een elektromagneet en een permanente magneet is (in Newton), zodat we kunnen bepalen hoeveel elektromagneten we nodig hebben (afhankelijke van de lengte van het koperdraad). We hebben het geprobeerd te berekenen met een formule die we op wikipedia hebben gevonden: F={{\mu q_{m1}q_{m2}} \over {4\pi r^{2}}}. De eenheid van qm is ampère-meter. Dus voor de elektromagneet hebben we hier de stroomsterkte en de lengte van de draad ingevuld, maar we wisten niet wat we hier moesten invullen voor de permanente magneet. Of moet dit misschien met de formule voor de Lorentzkracht (F = B *I *llengte )? En zo ja, hoe kunnen we dan de afname van de magnetische inductie berekenen, over een bepaalde afstand?

Alvast bedankt,
Met vriendelijke groet Noah en Stijn

[Thom]

Ha Noah en Stijn,

Sorry voor mijn late reactie, ik genoot nog van mijn vakantie.
Ik heb dit bericht gister gezien. Ik wil jullie in ieder geval laten weten dat ik ermee bezig ben. Ik doe m'n best om zo snel mogelijk te antwoorden. Ik zit ook midden in mijn tentamen periode, dat jullie dat weten...!
Jullie horen van me.

Groetjes,

Thom

[Thom]

Beste @Noah-en-Stijn,
Mijn welgemeende excuses, de tentamens hebben er erg in gehakt en ben in alle stress en drukte vergeten te antwoorden.

De gegeven formule die jullie hebben voor de veldsterkte houdt inderdaad geen rekening met de ijzeren kern. Er moet nog vermenigvuldigd worden met een bepaalde factor k. Dit is de relatieve permeabiliteit van de kern van jullie elektromagneet. In het geval van ijzer is deze 8000 als het goed is. Kijk anders nog even hier voor de waardes van de relatieve permeabiliteit (4e kolom).

Volgens mij is de berekening van de temperatuur toename in principe goed, maar je moet ook rekening houden met het feit dat niet alle geproduceerde warmte in de draad gaat zitten. Er zal via geleiding (misschien een beetje via straling) warmte worden afgestaan aan zowel de lucht(kleine fractie omdat slechte warmte geleider (misschien zelfs verwaarloosbaar)) als de ijzeren kern(groot deel omdat goede warmte geleider). Kijk hier eventjes.

Wat betreft de afstotende/aantrekkende kracht, ik heb deze formule nog niet gezien, zou jij mij kunnen linken naar de wikipedia pagina waar deze is gevonden?

Nogmaals mijn excuses, het was nooit mijn bedoeling jullie zo lang te laten wachten.

Groetjes,

Thom

[Noah en Stijn]

Beste Thom,
We hopen dat je goed van de stress bent bijgekomen.

De formule van de afstotende kracht van twee magneten komt van deze: (https://en.wikipedia.org/wiki/Force_between_magnets) wikepedia pagina.

Wordt de formule van de veldsterkte dan: B = mu_0 * N * I / L *mu_ijzer? Als we de mu_0 (= 4pi * 10^-7) vervagnen voor mu_ijzer komen er gigantisch grote getallen uit, van wel duizende tesla's, en dit leek ons onmogelijk.

groet Noah en Stijn

[Thom]

Ha jongens,

Zo zou het eruit moeten zien:


bron1
bron2

Wat de krachten betreft, ik kom er nog niet helemaal uit. Ik heb op die wiki pagina gekeken. Ik zou eerder kijken naar deze twee formules:

De eerste is tussen twee cylinder magneten en de tweede is tussen twee staafmagneten. Ik denk dat dat de beste benaderingen zijn in jullie geval.
Laat maar even weten of het hiermee wel lukt!

Groetjes,

Thom