Μεταβαλλόμενα μαγνητικά πεδία

Transcript

1 Μεταβαλλόμενα μαγνητικά πεδία Ιστορική εισαγωγή Νόμος Faraday Πειράματα Faraday V e = dφ dt 12/11/2018 Φυσική ΙΙΙ Γ. Βούλγαρης 1

2 Νόμος του Lentz (1834) Πειράματα Lentz Παράδειγμα Διατήρηση Ενέργειας Helmhotz 12/11/2018 Φυσική ΙΙΙ Γ. Βούλγαρης 2

3 Μαγνητική Επαγωγή. Κατά την προσέγγιση του μαγνήτη, εμφανίζεται ρεύμα στο πηνίο. Κατά την απομάκρυνση, το ρεύμα έχει αντίθετη φορά. 12/11/2018 Φυσική ΙΙΙ Γ. Βούλγαρης 3

4 Νόμος του Lentz Το επαγόμενο ρεύμα δημιουργεί μαγνητικό πεδίο με αντίθετη φορά από τον μαγνήτη. «Προσπαθεί» να διατηρήσει την πυκνότητα των δυναμικών γραμμών. 12/11/2018 Φυσική ΙΙΙ Γ. Βούλγαρης 4

5 Διατήρηση ενέργειας Ο νόμος του Lentz περιγράφει την παραγωγή έργου από τις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις. Μετατροπή της δυναμικής ενέργειας του μαγνητικού πεδίου σε κινητική του αγωγού και αντίστροφα. Αργότερα το 1847 ο Helmhotz δημοσίευσε την ιστορική εργασία για την διατήρηση της ενέργειας κατά τις μετατροπές της. Κ U Q 12/11/2018 Φυσική ΙΙΙ Γ. Βούλγαρης 5

6 Μαγνητική Ροή Φ = BdS BdS cosθ = Για σωληνοειδές dλ Λ= ( NS )B = NΦ Ve = dt 12/11/2018 Φυσική ΙΙΙ Γ. Βούλγαρης 6

7 Μαγνητική Ροή Φ = BdS BdS cosθ = Για επίπεδη επιφάνεια. Αντικαθιστούμε την επιφάνεια με ένα αγώγιμο πλαίσιο. 12/11/2018 Φυσική ΙΙΙ Γ. Βούλγαρης 7

8 Επίπεδη επιφάνεια. Στη γενική περίπτωση ισχύει: V e dφ da = = ( B + dt dt B A ) t I ) da B Ve = B II) e = A dt t ΗΕΔ Γεννήτριας ΗΕΔ Μετασχηματιστή 12/11/2018 Φυσική ΙΙΙ Γ. Βούλγαρης 8

9 Δύναμη Laplace, κινούμενος αγωγός. F E F E F = qυ B F E = = υ B q Αν θεωρήσουμε τον αγωγό που κινείται μέσα σε ένα σταθερό μαγνητικό πεδίο, η δύναμη Laplace ωθεί τα ηλεκτρόνια στα άκρα του αγωγού. Η δύναμη ισορροπείται από τις ηλεκτροστατικές δυνάμεις που αναπτύσσονται στη συνέχεια. 12/11/2018 Φυσική ΙΙΙ Γ. Βούλγαρης 9

10 Κινούμενος αγωγός Το Ηλ. πεδίο δημιουργείται στην κινούμενη ράβδο. Ve = Edl = ( υ B) dl Edl = υ Bd 12/11/2018 Φυσική ΙΙΙ Γ. Βούλγαρης 10 V Νόμος Faraday: e dφ = = dt = υbd d dt ( Bdx) Παίρνουμε το ίδιο αποτέλεσμα.

11 Κινητική ΗΕΔ (Γεννήτριας) V e dφ d = = ( Blx) = lυb dt dt Β I υ 12/11/2018 Φυσική ΙΙΙ Γ. Βούλγαρης 11

12 ρεύμα, ισχύς P Q Ρεύμα από την ΗΕΔ V Blυ I = e = R R Ισχύς που μετατρέπεται σε θερμότητα. 2 Blυ = I R = R 2 R = 2 2 B l υ R Δύναμη Laplace που ασκείται στο πλαίσιο F F 1 1 = I l B 2 2 B l υ = IlB sin θ = I lb = R Ισχύς που παράγει η δύναμη F Που ασκείται από το χέρι B l υ P M = F υ = R 12/11/2018 Φυσική ΙΙΙ Γ. Βούλγαρης 12

13 Γεννήτρια d Ve = ( AB0 cos( ωt)) dt V = ωab sin( ωt ) e 0 12/11/2018 Φυσική ΙΙΙ Γ. Βούλγαρης 13

14 Χρονικά μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο Edl = dφ dt Το ηλεκτρικό πεδίο επάγεται στον κυκλικό αγωγό C E dl = d dt S BdS = Το ηλεκτρικό πεδίο δημιουργείται ανεξάρτητα από τον αγωγό S B ds t 12/11/2018 Φυσική ΙΙΙ Γ. Βούλγαρης 14

15 Χρονικά μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο Το Ηλεκτρικό πεδίο προκαλείται από την μεταβολή του μαγνητικού πεδίου και εμφανίζεται στον χώρο ανεξάρτητα από την παρουσία αγωγών ή άλλων υλικών. Το κλειστό ολοκλήρωμα είναι το έργο που παράγεται κατά την μετατόπιση του μοναδιαίου φορτίου κατά μια κλειστή διαδρομή. Η Ηλεκτρεγερτική Δύναμη,ορίζεται από το ολοκλήρωμα αυτό. Αν θεωρήσουμε τον αγωγό του πρώτου σχήματος, ισχύει ΗΕΔ=ΙR. Δηλαδή το μετ. μαγν. Πεδίο, είναι μία πηγή που παρέχει ενέργεια στα κινούμενα φορτία του αγωγού. Αν R πολύ μεγάλο τότε η τάση είναι ίση με την παραγόμενη ΗΕΔ. Το εργο παράγεται από την μεταβολή της ενέργειας του μαγνητικού πεδίου. Στο δεύτερο σχήμα, η δυναμική γραμμή είναι κύκλος. Αν υποθέσουμε ότι ένα φορτίο κινείται κατά μήκος της γραμμής, όταν επιστρέψει στην αρχική θέση, θα έχει αυξηθεί η κινητική του ενέργεια! Το έργο είναι μη μηδενικό γιατί το πεδίο έχει μη μηδενική εφαπτομενική συνιστώσα. ( Στροβιλό πεδίο). Η μορφή του ηλεκτρικού δυναμικού που έχουμε συναντήσει μέχρι στιγμής, δεν αρκεί για να περιγράψει το ηλεκτρικό πεδίο αυτής της μορφής. 12/11/2018 Φυσική ΙΙΙ Γ. Βούλγαρης 15

16 συνολικά Edl = (υ B) dl S B ds t Ο πρώτος όρος είναι το κινητικό μέρος, ο δεύτερος προέρχεται από την μεταβολή του μαγνητικού πεδίου. Το πρώτο ολοκλήρωμα γίνεται στη διαδρομή που περιβάλει την επιφάνεια S. Ουσιαστικά έχουμε δύο διαφορετικούς νόμους που παρουσιάζονται κάτω από την ίδια έκφραση. Είναι μοναδικό παράδειγμα στη Φυσική!!! 12/11/2018 Φυσική ΙΙΙ Γ. Βούλγαρης 16

17 Σχετική Κίνηση. Πως ερμηνεύει το φαινόμενο παρατηρητής που κινείται μαζί με το πλαίσιο; Ο ακίνητος παρατηρητής, παρατηρεί μια ΗΕΔ V= B v l που δημιουργείται από τη δύναμη Laplace, όπως αποδείξαμε. O κινούμενος, παρατηρεί την κίνηση των φορτίων που ωφείλεται στην παρουσία ενός ηλεκτρικού πεδίου Ε το οποίο αποδίδει στην κίνηση μέσα στο μαγνητικό πεδίο. Λόγω του Ηλεκτρικού πεδίου, δημιουργείται ΗΕΔ = E l. Οι δύο ΗΕΔ πρέπει να είναι ίσες δεν μπορούν να εξαρτώνται από τη σχετική κίνηση των παρατηρητών. Χρησιμοποιώντας τα διανύσματα, η σχέση γίνεται: E dl = ( υ B) dl 12/11/2018 Φυσική ΙΙΙ Γ. Βούλγαρης 17

18 Σχετική Κίνηση Δηλαδή ο κινούμενος παρατηρητής παρατηρεί ένα ηλεκτρικό πεδίο! Το πεδίο το αποδίδει σε μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο αλλά δεν μπορεί να συμπεράνει αν η μεταβολή οφείλεται στην κίνηση του μαγνητικού πεδίου ή την χρονική μεταβολή. Ένας τρίτος παρατηρητής που κινείται με διαφορετική ταχύτητα, θα παρατηρούσε ένα ηλεκτρικό και ένα μαγνητικό πεδίο. Ουσιαστικά βλέπουμε πως η δύναμη Lorentz παραμένει σχετικιστικά αναλλοίωτη. ( ) F = q E+ υ B 12/11/2018 Φυσική ΙΙΙ Γ. Βούλγαρης 18

19 Εξίσωση Maxwell από το νόμο του Faraday, σε κυκλωματική μορφή. L Edl = S B ds t Διαστάσεις του Β Δύναμη = Δύναμη Ροπή ρεύματος Ρεύμα. Μήκος = Δύναμη Φορτίο Μήκος/Χρόνος Άρα db/dt Δύναμη Φορτίο Μήκος Και το ολοκλήρωμα Έργο/Φορτίο. Τις ίδιες διαστάσεις με το αριστερό μέρος. 12/11/2018 Φυσική ΙΙΙ Γ. Βούλγαρης 19

20 Εξίσωση Maxwell από Νόμο Faraday E dl = ( E ) ds ( Stokes ) L S B ( E ) ds = ds S S t B E = t 12/11/2018 Φυσική ΙΙΙ Γ. Βούλγαρης 20

21 Γεωμετρική ερμηνεία του στροβιλισμού. 12/11/2018 Φυσική ΙΙΙ Γ. Βούλγαρης 21

22 Παράδειγμα db = 01, Τ / s dt r = 10 cm R = 2Ω dφ Edl = dt 2 r db 2πrE = -πr db dt E = 2 dt E = 0 5, 01, 01, = 0 005, V / m Ve = 2πrE Ve = 31, mv Ve I = I = 16, ma R Ι Επειδή το μαγν. πεδίο αυξάνεται, το επαγόμενο ρεύμα είναι δεξιόστροφο V e =3,1 mv 12/11/2018 Φυσική ΙΙΙ Γ. Βούλγαρης 22

23 Παράδειγμα Εξηγήστε τα παραπάνω διαγράμματα χρησιμοποιώντας τους νόμους του Faraday και Lentz 12/11/2018 Φυσική ΙΙΙ Γ. Βούλγαρης 23

24 Ο νόμος της ροής. R.P. Feynman So the "flux rule" that the emf in a circuit is equal to the rate of change of the magnetic flux through the circuit applies whether the flux changes because the field changes or because the circuit moves (or both)... Yet in our explanation of the rule we have used two completely distinct laws for the two cases for "circuit moves" and for "field changes". We know of no other place in physics where such a simple and accurate general principle requires for its real understanding an analysis in terms of two different phenomena. Richard P. Feynman, The Feynman Lectures on Physics 12/11/2018 Φυσική ΙΙΙ Γ. Βούλγαρης 24

25 Αντιπαραδείγματα Η αύξηση της επιφάνειας δεν δημιουργεί ΗΕΔ! 12/11/2018 Φυσική ΙΙΙ Γ. Βούλγαρης 25

26 Αντιπαραδείγματα. Με την περιστροφή των τομέων αλλάζει σημαντικά η διαδρομή. Όμως δεν παράγεται τάση από την αλλαγή. Μια μικρή τάση θα παραχθεί, λόγω της ταχύτητας των φορέων όπως στο προηγούμενο. Δεν αλλάζει η επιφάνεια του κυκλώματος. Τα φορτία κινούνται μαζί με το υλικό. Η τάση παράγεται από τη δύναμη Laplace. 12/11/2018 Φυσική ΙΙΙ Γ. Βούλγαρης 26

27 Ασκήσεις , 49, 50 Μεταβαλλόμενο Μαγνητικό Πεδίο , 23, Κινούμενο πλαίσιο Αμοιβαία επαγωγή Κινούμενο φορτίο Αυτεπαγωγή Κυκλώματα RLC Εναλλασσόμενα ρεύματα 12/11/2018 Φυσική ΙΙΙ Γ. Βούλγαρης 27