Dit multifunctionele spoelenbord is geschikt om de onderlinge relaties tussen elektriciteit en magnetisme bij spoelen te laten zien. Het spoelenbord zal ten eerste de Wet van Faraday demonstreren, een stroom zal worden opgewekt door een veranderd magnetisch veld. De grootte van deze stroom is onder andere afhankelijk van het aantal windingen in de spoel en zijn binnenoppervlakte. Het effect van deze twee parameters wordt bekeken door ze in de vier spoelen die het bord bevat te variëren.

Anderzijds zullen de vier spoelen ook worden gebruikt om magnetische inductie te demonstreren. Door een stroom door de spoelen te laten lopen wordt een magneetveld opgewekt. IJzerpoeder in het bord zal dit magneetveld visualiseren. De sterkte van dit magneetveld kan ten slotte worden gedemonstreerd door een magneetje af te remmen door deze door de spoel te laten vallen.

Step 1: Materialen En Gereedschap

Voor dit project is gebruik gemaakt van de volgende materialen:

Populieren plaat met een dikte van 3 mm, lengte van meer dan 55 cm en breedte van meer dan 40 cm.
Perspex plaat met een dikte van 5 mm, lengte van meer dan 55. en breedte van meer dan 40 cm.
PVC buizen met een buitendiameter van 50 mm en 25 mm.
Koperdraad met een dikte van 0.4 mm.
Dubbelzijdig tape
Ductape
Soldeertin
Schakelaars

Hierbij is naast standaard gereedschap, zoals een hamer of zaag, ook gebruik gemaakt van een lasersnijder en een soldeerbout. Bovendien is voor de opstelling gebruik gemaakt van een low-pass filter, DC spanningsbron en een osciloscoop.

Step 2: Het Lasersnijden

Het bord bestaat in essentie uit drie op elkaar geplakte platen met verschillende uitsnijdingen. Deze uitsnijdingen zijn met behulp van een lasersnijder gemaakt zodat ze exact over elkaar heen vallen.

De tekeningen hiervoor zijn met behulp van AutoCad gemaakt en vervolgens geëxporteerd naar een voor de laserprinter geschikt bestandstype. De bestanden zijn via een bootvormige usb stick in de lasersnijder gezet. Deze bestanden zijn hier te vinden.

Het gebruiken van de lasersnijder volgt uit de instructies die bij de lasersnijder aanwezig zijn. In alle drie de platen zijn gleuven voor de spoelen weg gelaserd en in een van de perspex platen zijn heel veel vierkantjes met de laser uitgesneden om later ijzerpoeder in te kunnen doen.

Step 3: Vastplakken Van De Eerste Twee Platen

Met behulp van dubbelzijdig tape zijn de twee doorzichtige platen aan elkaar geplakt. Er is goed opgelet dat de gleuven van de twee platen boven elkaar zaten

Step 4: IJzerpoeder Vullen

In elk van de in de, nu bovenste, plaat uitgesneden vierkantjes is nu wat ijzerpoeder gedaan. Met behulp van een magneet is vervolgens gekeken of er genoeg ijzerpoeder in de vakjes zat om het magneetveld goed te laten zien.

Step 5: Monteren Van De Laatste Plaat

Met behulp van dubbelzijdig tape is de populieren plaat op de twee andere platen geplakt. Er is goed opgelet dat de gleuven van de drie platen boven elkaar zaten. Hierbij zijn de hokjes met ijzerpoeder dus afgesloten waardoor dit op zijn plek blijft.

De platen zijn direct na het opplakken voor korte tijd geklemd tussen een paar bouwklemmen.

Step 6: PVC Buizen Op Maat Maken

De spoelen zijn rond PVC buizen gedraaid. Om deze reden is de binnendiameter van de spoelen (afstand tussen de gleuven in het bord) dusdanig gekozen dat een halve PVC buis hier precies tussen past. Hierdoor was het voldoende om de PVC buizen enkel op de juiste lengte af te zagen en in de lengte te halveren.

Het zagen werd gedaan door middel van het klemmen van de buizen in een bankschroef, waarna een rechte lijn op de buis werd aangebracht met een stift. Met een handzaag zijn de verschillende buizen doormidden gezaagd.

Step 7: Monteren Van De PVC Buizen

Met behulp van een lijmpistool zijn de op maat gemaakte, gehalveerde PVC buizen op het bord gezet. De halve buizen zijn precies tussen de gleuven in het bord geplakt. Tevens is een viertal hele PVC buisstukken onder het bord geplakt als poten.

Step 8: Draaien Van De Spoelen

Om de in de vorige stap gemonteerde PVC buizen is vervolgens koperdraad gewikkeld om een spoel te creëren. Het aantal windingen van deze spoelen is nauwkeurig bijgehouden zodat de eerste en derde spoel evenveel windingen hebben en de tweede en vierde twee keer zo veel.

Het proces begint door een papier om de PVC buizen te wikkelen. Aan de bovenkant van dit papiertje wordt vervolgens het begin van het koperdraad met behulp van een plakbandje of stukje tape vastgeplakt. De spoel kan vervolgens worden gemaakt door het papier om de PVC buis te draaien. Dit werkt het beste met drie personen. Een die het papier draait, een die de grote koperdraad spoel draait zodat er genoeg draad is, en een derde persoon die het draad navigeert en het aantal windingen bij houdt.

Uiteindelijk zaten er 160windingen in de eerste en derde spoel en 280 en 270windingen in de tweede en vierde spoel respectievelijk. Het verschil tussen de tweede en vierde spoel is ontstaan doordat er teveel wrijving was om verder te kunnen draaien.

Step 9: Bouwen Van De Schakeling

Om het geheel aan te kunnen sluiten op een stroommeter of spanningsbron is op de populieren plaat een schakeling gebouwd. Dit is gedaan door te werken met hetzelfde koperdraad als de spoelen en drie basis schakelingen. De spoelen zijn parallel geschakeld met de schakelaars wat het mogelijk maakt om een bepaalde spoel te kiezen. Op de knooppunten en bij de schakelaars is het draad vast gesoldeerd. Het is belangrijk om in het geval van gelakt koperdraad de uiteinden eerst te schuren voordat deze worden bevestigd.

De draden worden met duct tape vast gemaakt aan het bord zodat er niks achter blijft haken.

Step 10: De Opstelling Testen

Het is belangrijk om tijdens het solderen van de verschillende draden en schakelingen de 'kleine circuits' te testen door twee punten van een draad aan te sluiten op een weerstandmeter (multimeter). Als er een weerstand wordt weergegeven betekent dit dat er een gesloten circuit is en het 'kleine circuit' dus goed is. Het is belangrijk om zo ook de schakelaars en de spoelen te testen voordat alles wordt gesoldeerd. LET OP: bij schakelaars vormt het contact pas na het solderen.

Wanneer dit is gedaan kan men de volledige opstelling maken en deze testen. Dit kan op twee verschillende manieren:

De twee uiteinden worden aangesloten op een generator zodat de spoelen een magnetisch veld opwekken. Experimenteer met de voltages totdat de spoel een aantoonbaar magnetisch veld heeft. Dit kan worden getest door een magneet erdoorheen te laten vallen als de generator uit en aan staat. Als hierbij een significant tijdsverschil ontstaat is de spoel dus een elektromagneet geworden. Wanneer het magnetisch veld niet sterk genoeg is om het ijzervijlsel te laten bewegen is het mogelijk deze visualisatie te versterken door een massief metalen kern in de spoel te plaatsen.
De twee uiteinden worden aangesloten op een oscilloscoop. Nadat de oscilloscoop als zodanig is ingesteld dat deze de stroom goed kan weergeven kan een magneetje door de spoelen gevallen laten worden. Vergeet hierbij niet de schakelaars goed te zetten per spoel. Dit vallende magneetje zal als de opstelling werkt een stroom opwekken die zichtbaar is op de oscilloscoop. Als alternatief kan hier ook een analoge stroommeter voor gebruikt worden. Bij deze methode is gebruik gemaakt van een low-pass filter om de hoge frequenties, en dus de ruis, uit het signaal te filteren.