Zoals je in dit artikel over de FBI-regel kunt lezen, kunnen een elektrische stroom en een magnetisch veld samen een kracht opwekken. Die kracht heet de Lorentzkracht, en is de basis van het principe van de elektromotor, zoals je kunt zien in dit experiment. In dit eenvoudige experiment zie je wat deze kracht voor uitwerkingen kan hebben, en kom je er bovendien achter wat de stroom die uit het stopcontact komt precies doet.
Wat heb je nodig:
- Een magneetje (GeoMag-staafjes werken heel goed)
- Een ouderwetse gloeilamp (zoals in fig. 1); liefst eentje met een goed doorzichtig omhulsel
- Een fitting waar je deze gloeilamp in kunt schroeven
- En afhankelijk van de sterkte van je gloeilamp zou een zonnebril ook geen kwaad kunnen.
Figuur 1: Een ouderwetse gloeilamp met een gloeidraad.
Wat moet je doen:
Heel eenvoudig: schroef de gloeilamp in de fitting, zet hem aan en houd de magneet tegen de gloeilamp. Kijk wat er gebeurt! (Dat is het deel waar de zonnebril van pas kan komen.)
Dit kun je ook uitproberen voor lampen van verschillende vermogens, als je die hebt, of voor magneten van verschillende sterktes. Dat laatste gaat heel goed met GeoMag-staafjes, aangezien je meerdere van deze staafjes op een bolletje kunt zetten, waardoor dat sterker gemagnetiseerd wordt.
Wat gebeurt er nu eigenlijk:
Als het goed is, gaat de gloeidraad van de lamp nu heen en weer trillen. In onderstaand filmpje zie je een opname van een trillende gloeidraad die gemaakt is met een hogesnelheidscamera. Deze film is opgenomen met 300 frames per seconde (fps) en wordt in 30 fps, dus 10 keer vertraagd, weergegeven. Afhankelijk van de sterkte van je lamp en je magneet kun je een grotere of kleinere trilling bereiken.
Hogesnelheidsopname 1
Je kunt dit effect zelfs nog sterker zien als je een filmpje bekijkt dat opgenomen is met 1200 fps. Hieronder zie je een detail van de gloeidraad, waar halverwege het filmpje de lamp wordt uitgezet. Hierdoor loopt er geen stroom meer en zie je de helderheid van de gloeidraad langzaam afnemen. Daarnaast zie je dat de draad niet meer trilt maar alleen nog maar een beetje doorzwabbert:
Hogesnelheidsopname 2
Bij het ontstaan van deze trilling spelen twee effecten een rol. Ten eerste is er de Lorentzkracht, die ontstaat als een magneetveld en een elektrische stroom ‘samenwerken’. Zoals je in de uitleg over de FBI-regel leest, wordt de richting van die kracht bepaald door de richting van het magneetveld en van de stroom.
Ten tweede is er het feit dat de lamp werkt op wisselspanning. Wat dat precies inhoudt, lees je hier. Het loopt er op uit dat de stroom 50 keer per seconde van richting wisselt. De kracht die op de gloeidraad werkt, verandert dus mee! Logischerwijs gaat je gloeidraad zo trillen, en wel met dezelfde frequentie als de stroom: 50 keer per seconde heen en weer. Tel maar na in een van de filmpjes!
Figuur 2: Op deze manier kan een magneet de gloeidraad laten trillen. Het magneetveld staat loodrecht op de stroomrichting, en zorgt zo voor een kracht. De richting van de stroom wisselt 50 keer per seconde van richting, en de kracht wisselt dus mee.
Maar let op: de lichtsterkte doet ook nog iets raars!
In het filmpje zie je heel mooi hoe de gloeidraad heen en weer trilt, maar daarnaast zie je nog een ander effect: de helderheid van het licht gaat ook ‘heen en weer’!
De stroom wisselt wel 50 keer per seconde van richting, maar voor de lichtsterkte maakt het natuurlijk niet uit welke kant de elektronen op bewegen. Voor de lichtsterkte maakt het alleen uit hoe hoog de spanning is. Een ‘negatieve lichtsterkte’ bestaat niet. Als de spanning dus +230 volt bedraagt, is de lamp even helder als wanneer de spanning -230 volt is. De lichtsterkte gedraagt zich voor het ‘positieve deel’ van de spanning hetzelfde als voor het ‘negatieve deel’, en ‘trilt’ dus niet 50 keer per seconde, maar 100 keer! Dat zie je alleen met een hogesnelheidscamera, omdat het menselijke oog zo’n snelle trilling niet meer waarneemt. In onderstaande grafiek zie je hoe dat er uit ziet...
Figuur 3: Boven is de spanning, onder de lichtsterkte uitgezet tegen de tijd. De rode lijnen geven de tijd aan waarin de spanning één keer heen en weer gaat. In die tijd gaat de lichtsterkte twee keer omhoog en weer omlaag...