Γ ΛΥΚΕΙΟΥ. Κινούμενα ηλεκτρικά φορτία δημιουργούν μαγνητικά πεδία.

Transcript

1 ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΠΕΔΙΩΝ ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ ΤΟΥ OERSTED - ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΥ Στα 1820 ο Δανός φυσικός Oersted τοποθέτησε κοντά σε έναν ευθύγραμμο ρευματοφόρο αγωγό μια μαγνητική βελόνα και διαπίστωσε ότι η βελόνα απέκλινε από την αρχική της διεύθυνση, βορρά νότου, στην οποία ισορροπούσε αρχικά. Έτσι κατέληξε για πρώτη φορά στο συμπέρασμα ότι το ηλεκτρικό ρεύμα δημιουργεί μαγνητικό πεδίο. Κινούμενα ηλεκτρικά φορτία δημιουργούν μαγνητικά πεδία. «Ονομάζουμε μαγνητικό πεδίο το χώρο στον οποίο ένα κινούμενο ηλεκτρικό φορτίο ή μια μαγνητική βελόνα δέχονται δυνάμεις.» Μέσα σε αυτό το πεδίο η βελόνα προσανατολίζεται. Όπως στο ηλεκτρικό πεδίο ορίζουμε και για το μαγνητικό πεδίο την ένταση Β μαγνητικού πεδίου ή μαγνητική επαγωγή. Το διάνυσμα Β έχει τη διεύθυνση του άξονα της μαγνητικής βελόνας όταν ισορροπεί. Μονάδα του Β στο S.I. είναι το Tesla ( 1T ). Κάτω από λεπτή γυάλινη πλάκα ( ή χαρτόνι ) τοποθετούμε ραβδόμορφο μαγνήτη και πάνω της τοποθετούμε ρινίσματα σιδήρου. Αν τα αναταράξουμε λίγο μαγνητίζονται και τοποθετούνται πάνω σε γραμμές όπως στο σχήμα. Η εικόνα των γραμμών λέγεται μαγνητικό φάσμα. Οι γραμμές λέγονται μαγνητικές δυναμικές γραμμές. «Δυναμική γραμμή του μαγνητικού πεδίου ονομάζουμε εκείνη τη γραμμή σε κάθε σημείο της οποίας το διάνυσμα της έντασης του πεδίου εφάπτεται σε αυτήν.» Ένα μαγνητικό πεδίο λέγεται ομογενές, αν η ένταση του είναι σταθερή κατά μέτρο διεύθυνση και φορά. Στα άκρα του μαγνήτη οι γραμμές είναι πιο πυκνές. Εκεί τα μαγνητικά φαινόμενα είναι πιο έντονα και τα άκρα αυτά λέγονται πόλοι του μαγνήτη. Υπάρχουν δύο είδη μαγνητικών πόλων: Ο βόρειος ( Ν ) και ο νότιος ( S ) πόλος. Ομώνυμοι πόλοι απωθούνται ενώ ετερώνυμοι έλκονται. Μιχάλης Περικλέους Σελίδα 1

2 Οι μαγνητικοί πόλοι δεν απομονώνονται. Έτσι κόβοντας ένα μαγνήτη στη μέση δεν προκύπτουν δύο ξεχωριστοί μαγνητικοί πόλοι αλλά δύο νέοι μαγνήτες. Το ίδιο θα παρατηρήσουμε όσες φορές και αν συνεχίσουμε να κόβουμε τους νέους μαγνήτες στη μέση. Πολλές φορές μας εξυπηρετεί να παίρνουμε το μαγνητικό πεδίο κάθετο στη σελίδα μας. Τότε με το σύμβολο δείχνουμε ότι οι δυναμικές γραμμές έχουν φορά προς τα κάτω, ενώ με το σύμβολο δείχνουμε ότι οι δυναμικές γραμμές έχουν φορά προς τα πάνω. Μαγνητικό πεδίο της γης Η γη συμπεριφέρεται σαν να περιέχει στο εσωτερικό της μια τεράστια μαγνητική ράβδο. Ο νότιος πόλος της ράβδου αυτής βρίσκεται κοντά στο βόρειο γεωγραφικό πόλο της γης και ο βόρειος μαγνητικός πόλος της ράβδου κοντά στο νότιο γεωγραφικό πόλο. Για το λόγο αυτό ο βόρειος πόλος της βελόνας της πυξίδας δείχνει το βορρά. Πειραματική εργασία Φτιάξτε τη συνδεσμολογία του διπλανού σχήματος. Ο χοντρός χάλκινος αγωγός ΒΓ απέχει τουλάχιστον 50 cm από σιδερένια αντικείμενα. Να βάλετε δύο πυξίδες σε διαφορετικές θέσεις και σε ίσες αποστάσεις από τον αγωγό και με μολύβι να σημειώσετε τη διεύθυνση των μαγνητικών βελόνων στο στερεωμένο χαρτόνι, καθώς και το βόρειο πόλο Ν καθεμιάς. Να πλησιάσετε ένα μαγνήτη κοντά στις πυξίδες. Τι παθαίνουν οι διευθύνσεις των βελόνων; Να απομακρύνετε το μαγνήτη και να κλείσετε το διακόπτη Δ. Ποια είναι η φορά του ηλεκτρικού ρεύματος; Τι συνέβηκε στη διεύθυνση των βελόνων Ποιο συμπέρασμα βγάζετε σχετικά με το πέρασμα του ηλεκτρικού ρεύματος από τον αγωγό; Να σημειώσετε πάλι τις διευθύνσεις και τα σημεία του μαγνητικού βορρά Ν των βελόνων στις διαφορετικές θέσεις. Αν ενώσουμε όλα τα σημεία στα οποία τοποθετούμε τις πυξίδες, τι σχήμα θα προκύψει; τι θέση έχουν οι διευθύνσεις των μαγνητικών βελόνων με το σχήμα; Ποια διάταξη έχουν οι μαγνητικοί βόρειοι πόλοι των πυξίδων; Μιχάλης Περικλέους Σελίδα 2

3 Να διακόψετε το ρεύμα και να εναλλάξετε τους πόλους της πηγής, αφήνοντας τις πυξίδες στη θέση τους. Να κλείσετε το διακόπτη και να συγκρίνετε: Α. Τη νέα διεύθυνση των μαγνητικών βελόνων σχετικά με τη διεύθυνση τους στην προηγούμενη εργασία. Β. τη διεύθυνση του μαγνητικού βόρειου πόλου Ν με αυτήν της προηγούμενης εργασίας. Ποια είναι η αιτία των διαφορών που προκύπτουν; Παρατηρήσεις: Γύρω από έναν αγωγό που διαρρέεται από ρεύμα δημιουργείται μαγνητικό πεδίο. Οι μαγνητικές δυναμικές γραμμές είναι κλειστές, στην περίπτωση μας κυκλικές. Έχουν τη φορά του μαγνητικού βορρά ( Ν ) που έχει η μαγνητική βελόνα της πυξίδας, η οποία εξαρτάται από τη φορά του ηλεκτρικού ρεύματος. Ένας τρόπος για να βρίσκουμε τη φορά των δυναμικών γραμμών του μαγνητικού πεδίου είναι να δείχνουμε με τον αντίχειρα του δεξιού χεριού τη φορά του ρεύματος στον αγωγό, ενώ η φορά των υπόλοιπων κλειστών δακτύλων θα είναι η φορά των δυναμικών γραμμών. Όσο αυξάνεται η ένταση του ρεύματος, το μαγνητικό πεδίο γίνεται πιο ισχυρό. Όσο απομακρυνόμαστε από τον αγωγό, το μαγνητικό πεδίο εξασθενίζει. B B ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΔΥΝΑΜΗ LAPLACE- ΝΟΜΟΣ LAPLACE Είδαμε ότι γύρω από ένα ρευματοφόρο αγωγό δημιουργείται μαγνητικό πεδίο. Ας υποθέσουμε τώρα ότι ένας ρευματοφόρος αγωγός τοποθετείται μέσα σε μαγνητικό πεδίο. Το μαγνητικό πεδίο του αγωγού με το μαγνητικό πεδίο στο οποίο τοποθετείται αλληλεπιδρούν, με συνέπεια να ασκείται στον αγωγό ηλεκτρομαγνητική δύναμη, που ονομάζεται δύναμη Laplace. Μιχάλης Περικλέους Σελίδα 3

4 Πειραματικά αποδεικνύεται ότι η διεύθυνση της δύναμης Laplace είναι κάθετη και στον αγωγό αλλά και στην ένταση ( Β ) του μαγνητικού πεδίου, είναι δηλαδή κάθετη στο επίπεδο που ορίζουν ο αγωγός και το διάνυσμα Β. Η φορά της δύναμης Laplace εξαρτάται από τις φορές της έντασης του μαγνητικού πεδίου και του ρεύματος. Η φορά της δύναμης Laplace βρίσκεται με τον κανόνα των τριών δακτύλων του δεξιού χεριού. Τεντώνουμε, τον αντίχειρα, τον δείκτη και τον μέσο του δεξιού μας χεριού με τέτοιον τρόπο, ώστε να αντιστοιχούν σε τρισορθογώνιο σύστημα. Αν ο αντίχειρας αντιστοιχεί στη φορά του ρεύματος και ο δείκτης στη φορά της έντασης του μαγνητικού πεδίου, τότε ο μέσος μας δείχνει τη φορά της δύναμης Laplace. Το μέτρο F L της δύναμης Laplace είναι ανάλογο: Με το μέτρο Β της έντασης του ομογενούς μαγνητικού πεδίου στο οποίο βρίσκεται ο αγωγός. Με την ένταση Ι του ρεύματος που διαρρέει τον αγωγό. Με το μήκος l του κομματιού που βρίσκεται μέσα στο μαγνητικό πεδίο. Με το ημίτονο της γωνίας φ που σχηματίζει ο αγωγός με τη διεύθυνση της έντασης Β του μαγνητικού πεδίου. F L = B I l ημφ Η διεύθυνση της δύναμης Laplace είναι κάθετη στο επίπεδο που ορίζεται από τον αγωγό και τη διεύθυνση της έντασης του πεδίου, η φορά της καθορίζεται με τον κανόνα των τριών δακτύλων του δεξιού χεριού και το σημείο εφαρμογής είναι το μέσο, του κομματιού του αγωγού που βρίσκεται μέσα στο μαγνητικό πεδίο. Μιχάλης Περικλέους Σελίδα 4

5 Παρατήρηση: Όταν ο αγωγός ΚΛ είναι κάθετος στην ένταση Β του μαγνητικού πεδίου τότε φ = 90 0 και η πιο πάνω εξίσωση γίνεται F L = B I l, η μέγιστη τιμή της δύναμης Laplace. Όταν ο αγωγός ΚΛ είναι παράλληλος στις δυναμικές γραμμές του πεδίου τότε φ = 0 άρα F L = 0. Ευθύγραμμος αγωγός παράλληλος στις δυναμικές γραμμές μαγνητικού πεδίου δε δέχεται δύναμη Laplace. Ασκήσεις: 1. Οι δύο οριζόντιες και παράλληλες σιδηροτροχιές του σχήματος δεν παρουσιάζουν αντίσταση. Τα άκρα Α και Γ γεφυρώνονται με πηγή ΗΕΔ ε = 10V και εσωτερικής αντίστασης r = 1 Ω. Η αγώγιμη ράβδος ΚΛ, που έχει μήκος l = 0,1 m και αντίσταση R = 1Ω, μπορεί να κινείται χωρίς τριβές με τα άκρα της πάνω στις σιδηροτροχιές. Να υπολογίσετε τη μάζα m του σώματος που πρέπει να κρεμάσουμε στο άκρο του σχοινιού, ώστε η ράβδος ΚΛ να ισορροπεί όταν στον χώρο του πειράματος υπάρχει κατακόρυφο ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης μέτρου Β = 0,2 Τ. ( m=0,01 kg ) 2. Ευθύγραμμος αγωγός μήκους l =40 cm και μάζας m διατηρείται οριζόντιος με τη βοήθεια δύο ακριβώς ίδιων ελατηρίων σταθεράς Κ = 40 Ν/m το καθένα όπως στο σχήμα και η όλη διάταξη βρίσκεται σε ισορροπία. Στη θέση αυτή της ράβδου κάθε ελατήριο έχει συσπειρωθεί κατά Δl = 10 cm. Στη συνέχεια δημιουργούμε ομογενές μαγνητικό πεδίο κάθετο στο επίπεδο του αγωγού και των ελατηρίων. Παρατηρούμε ότι, όταν ο αγωγός διαρρέεται από ρεύμα έντασης 20A με τη φορά του σχήματος, τα ελατήρια αποκτούν το φυσικό του μήκος. Να βρείτε: α. τη μάζα m του αγωγού, ( m = 0,8 kg ) β. το μέτρο και την κατεύθυνση της έντασης του μαγνητικού πεδίου, ( B = 1T) αν αντιστρέψουμε την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου χωρίς να αλλάξουμε το μέτρο της έντασης του, πόση θα είναι η συσπείρωση των ελατηρίων; ( Δl = 0,2m ) Μιχάλης Περικλέους Σελίδα 5

6 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΜΕΤΡΟΥ ΚΑΙ ΤΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ ΤΗΣ ΔΥΝΑΜΗΣ LAPLACE ΣΕ ΚΙΝΟΥΜΕΝΟ ΦΟΡΤΙΟ ΠΟΥ ΑΣΚΕΙΤΑΙ ΑΠΟ ΟΜΟΓΕΝΕΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ Ερώτηση: Ποια είναι τα χαρακτηριστικά της μαγνητικής δύναμης που ασκείται πάνω σε ένα κινούμενο φορτίο; Πρώτον, το μέτρο της είναι ανάλογο του φορτίου. Η δύναμη είναι επίσης ανάλογη του μέτρου, ή της έντασης του πεδίου αν διπλασιάσουμε την ένταση του πεδίου χωρίς να μεταβάλουμε το φορτίο ή την ταχύτητα, η δύναμη διπλασιάζεται. Η μαγνητική δύναμη είναι επίσης ανάλογη του μέτρου της ταχύτητας του φορτίου. Αυτό είναι τελείως διαφορετικό από την περίπτωση της δύναμης από ηλεκτρικό πεδίο, η οποία είναι η ίδια είτε το φορτίο κινείται είτε όχι. Ένα φορτισμένο σωμάτιο που είναι ακίνητο δεν υφίσταται μαγνητικές δυνάμεις. Επιπλέον, η μαγνητική δύναμη F δεν έχει την ίδια κατεύθυνση με το μαγνητικό πεδίο Β αλλά, αντιθέτως, είναι πάντοτε κάθετη τόσο στο Β όσο και στην υ. Το μέτρο F της δύναμης βρίσκεται ότι είναι ανάλογο της συνιστώσας της υ που είναι κάθετη στο πεδίο όταν αυτή η συνιστώσα είναι μηδέν, η δύναμη είναι μηδέν. Τα σχήματα α, β, γ δείχνουν αυτές τις σχέσεις. Η κατεύθυνση της F είναι πάντοτε κάθετη στο επίπεδο που περιέχει τα υ και Β. Το μέτρο της δίνεται από τη σχέση: F = q υ Β = q υβημφ, Όπου q είναι η απόλυτη τιμή του φορτίου και φ είναι η γωνία μεταξύ των υ και Β που μετριέται από την κατεύθυνση του προς αυτήν του Β, όπως φαίνεται στο σχήμα (β). Αυτή η περιγραφή δεν καθορίζει την κατεύθυνση της F τελείως υπάρχουν πάντοτε δύο κατευθύνσεις, αντίθετες μεταξύ τους, αλλά κάθετες στο επίπεδο των υ και Β. Η δύναμη που ασκείται πάνω σε φορτίο q που κινείται με ταχύτητα υ μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο Β δίνεται, τόσο σε μέτρο όσο και σε κατεύθυνση, από τη σχέση: F = qυ Β Η πιο πάνω εξίσωση ισχύει τόσο για θετικά όσο και για αρνητικά φορτία. Όταν το q είναι αρνητικό, η κατεύθυνση της F είναι αντίθετη αυτής του γινομένου υ x B. Αν δύο ίσα και αντίθετα φορτία κινούνται μέσα στο ίδιο μαγνητικό πεδίο Β με την ίδια ταχύτητα, σχήμα (δ ), οι δυνάμεις που υφίστανται έχουν το ίδιο μέτρο και αντίθετες φορές. Μιχάλης Περικλέους Σελίδα 6

7 Η φορά της δύναμης Laplace δίνεται και πάλι από τον κανόνα των τριών δαχτύλων του δεξιού χεριού, αλλά θα πρέπει να δείξουμε ιδιαίτερη προσοχή στο είδος του φορτίου του φορτισμένου σωματιδίου. Συγκεκριμένα, αν το φορτίο είναι θετικό, θεωρούμε ότι η κατεύθυνση του ηλεκτρικού ρεύματος Ι είναι η ίδια με την κατεύθυνση της ταχύτητας, ενώ αν το φορτίο είναι αρνητικό, θεωρούμε ότι το ηλεκτρικό ρεύμα έχει κατεύθυνση αντίθετη από αυτή της ταχύτητας. Λύνοντας την F = qυbημφ ως προς Β παίρνουμε την, Β = για τον ορισμό της μαγνητική επαγωγής, Β. F qυημφ, η οποία χρησιμοποιείται «Η μαγνητική επαγωγή σημείου μαγνητικού πεδίου ορίζεται ως η δύναμη που ασκείται σε φορτίο 1C που περνά από το σημείο με ταχύτητα κάθετη στις μαγνητικές δυναμικές γραμμές του πεδίου, με μέτρο 1m/s.» ΔΥΝΑΜΗ ΜΕΤΑΞΥ ΠΑΡΑΛΛΗΛΩΝ ΡΕΥΜΑΤΟΦΟΡΩΝ ΑΓΩΓΩΝ Δύο ευθύγραμμοι αγωγοί ( 1 ) και ( 2 ) είναι παράλληλοι και διαρρέονται από ομόρροπα ρεύματα Ι 1, Ι 2. Έστω r η απόσταση τους. Ο ρευματοφόρος αγωγός ( 1 ) δημιουργεί μαγνητικό πεδίο του οποίου η ένταση Β 1 στη θέση του αγωγού ( 2 ) έχει την κατεύθυνση του σχήματος. Ο αγωγός ( 2 ) είναι κάθετος στο Β 1 και διαρρέεται από ρεύμα Ι 2 άρα σε ένα τμήμα του αγωγού ( 2 ) μήκους l ασκείται δύναμη Laplace F 1,2 = Β 1 Ι 2 l. Με τον κανόνα των τριών δακτύλων του δεξιού χεριού βρίσκουμε ότι η F 1,2 είναι κάθετη στον αγωγό ( 2 ) και έχει κατεύθυνση προς τον αγωγό ( 1 ). Με τον ίδιο τρόπο βρίσκουμε ότι ένα τμήμα του αγωγού ( 1 ) μήκους l δέχεται δύναμη Laplace F 2,1 = F 1,2 ( Δράση Αντίδραση ). Παρατηρούμε ότι αν τα ρεύματα είναι ομόρροπα οι δυνάμεις που ασκούνται μεταξύ των αγωγών είναι ελκτικές. Εύκολα βρίσκουμε ότι αν τα ρεύματα είναι αντίρροπα οι δυνάμεις είναι απωστικές. ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ ΡΕΥΜΑΤΟΦΟΡΟΥ ΣΩΛΗΝΟΕΙΔΟΥΣ ( ΠΗΝΙΟΥ ) Το σωληνοειδές είναι ένα σύνολο από παράλληλους όμοιους κυκλικούς αγωγούς, το οποίο παρουσιάζει την εικόνα ενός σωλήνα με διάμετρο πολύ μικρή σε σχέση με το μήκος του. Στην πράξη ένα σωληνοειδές φτιάχνεται όταν τυλίγουμε σφιχτά ένα σύρμα γύρω από μονωτικό κύλινδρο, δημιουργώντας έτσι σπείρες, που φροντίζουμε να ισαπέχουν. Μιχάλης Περικλέους Σελίδα 7

8 Το σωληνοειδές, όταν διαρρέεται από ρεύμα, δημιουργεί μαγνητικό πεδίο το οποίο: α) στο εσωτερικό του σωληνοειδούς είναι ομογενές, δηλαδή οι δυναμικές γραμμές του είναι παράλληλες και ισαπέχουσες, β) έχει δυναμικές γραμμές οι οποίες είναι κλειστές καθεμία εξέρχεται από ένα άκρο του σωληνοειδούς και εισέρχεται στο εσωτερικό του από το άλλο άκρο, γ) στο εξωτερικό του σωληνοειδούς μοιάζει με το μαγνητικό πεδίο ραβδόμορφου μαγνήτη. Η κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου στο εσωτερικό του σωληνοειδούς βρίσκεται με τη βοήθεια του δεξιού χεριού. ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΡΟΗ Θεωρούμε επίπεδη επιφάνεια τοποθετημένη κάθετα στις δυναμικές γραμμές ομογενούς μαγνητικού πεδίου. Ονομάζουμε μαγνητική ροή Φ, το μονόμετρο φυσικό μέγεθος που η τιμή του ισούται με το γινόμενο του εμβαδού S της επιφάνειας επί το μέτρο Β της έντασης του μαγνητικού πεδίου, δηλαδή, Φ = Β S. Όταν η επιφάνεια εμβαδού S = ( ΑΓΔΖ ) είναι πλάγια στις δυναμικές γραμμές και η κάθετη προς αυτήν σχηματίζει γωνία φ με το διάνυσμα Β τότε η μαγνητική ροή Φ που διέρχεται από αυτήν θα είναι: Φ = Β S συνφ. Μονάδα μαγνητικής ροής στο S.I. είναι το Weber, συμβολίζεται με Wb και σύμφωνα με τη σχέση Φ = Β S ισούται με το γινόμενο της μονάδας έντασης του μαγνητικού πεδίου επί τη μονάδα εμβαδού της επιφάνειας. 1 Wb = 1T m 2. Από τη σχέση Φ = Β S συνφ προκύπτει ότι η τιμή της ροής Φ εξαρτάται από τη γωνία φ, δηλαδή από τον προσανατολισμό της επιφάνειας μέσα στο πεδίο. Στο παρακάτω σχήμα βλέπουμε μερικές περιπτώσεις: Μιχάλης Περικλέους Σελίδα 8

9 -Β S Φ Β S Αν 0 φ < 90 0 τότε Φ > 0 Αν 90 0 < φ τότε Φ < 0 Αν φ = 90 0, Φ = 0 Παρατηρήσεις: Η μαγνητική ροή αναφέρεται σε συγκεκριμένη επιφάνεια εμβαδού S και σε συγκεκριμένο μαγνητικό πεδίο έντασης Β. Επειδή το Β εκφράζει τον αριθμό των μαγνητικών δυναμικών γραμμών που διέρχονται από τη μονάδα επιφάνειας, η μαγνητική ροή Φ εκφράζει τον ολικό αριθμό των μαγνητικών δυναμικών γραμμών που διέρχονται από μια επιφάνεια εμβαδού S. ΗΛΕΚΤΡΕΓΕΡΤΙΚΗ ΔΥΝΑΜΗ ΑΠΟ ΕΠΑΓΩΓΗ Με το πείραμα του Oersted απεδείχθη ότι το ηλεκτρικό ρεύμα δημιουργεί μαγνητικό πεδίο. Ακολουθώντας την αντίστροφη σκέψη ο Faraday κατόρθωσε να δημιουργήσει ΗΕΔ και να πάρει ηλεκτρικό ρεύμα από μαγνητικό πεδίο. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται ηλεκτρομαγνητική επαγωγή ή απλά επαγωγή. Στο σχήμα το πηνίο έχει συνδεθεί με γαλβανόμετρο και ο άξονας του μαγνήτη συμπίπτει με τον άξονα του πηνίου. Όσο ο μαγνήτης είναι ακίνητος το όργανο δε δείχνει καμία ένδειξη, που σημαίνει ότι η τάση στα άκρα του πηνίου είναι μηδέν. Πλησιάζουμε απότομα το μαγνήτη π.χ. με το βόρειο πόλο στο πηνίο. Παρατηρούμε τότε ότι ο δείκτης του οργάνου αποκλίνει από την αρχική του θέση για όσο χρόνο διαρκεί το πλησίασμα. Αυτό σημαίνει ότι στα άκρα του πηνίου εμφανίστηκε διαφορά δυναμικού. Επαναλαμβάνουμε το πείραμα πλησιάζοντας τώρα το νότιο πόλο του μαγνήτη προς το πηνίο. Το όργανο δείχνει πάλι απόκλιση αλλά αντίθετης φοράς. Αυτό σημαίνει ότι εμφανίστηκε πάλι διαφορά δυναμικού στα άκρα του πηνίου αλλά αντίθετης πολικότητας από ότι προηγουμένως. Ανάλογα αποτελέσματα έχουμε όταν ο μαγνήτης απομακρύνεται από το πηνίο. Η διαφορά δυναμικού στα άκρα του πηνίου είναι μεγαλύτερη όταν: Ο μαγνήτης πλησιάζει γρηγορότερα στο πηνίο και Ο μαγνήτης είναι ισχυρότερος. Μιχάλης Περικλέους Σελίδα 9

10 Τα ίδια αποτελέσματα προκύπτουν αν πλησιάζουμε στο πηνίο ένα σωληνοειδές που διαρρέεται από ρεύμα σταθερής έντασης. Η διαφορά δυναμικού στα άκρα του πηνίου είναι μεγαλύτερη όταν: Το σωληνοειδές πλησιάζει γρηγορότερα στο πηνίο και Η ένταση του ρεύματος είναι μεγαλύτερη. Αν κρατήσουμε ακίνητα το σωληνοειδές και το πηνίο, αλλά μεταβάλλουμε την ένταση ρεύματος στο σωληνοειδές, εμφανίζεται πάλι στα άκρα του πηνίου διαφορά δυναμικού για όσο χρόνο μεταβάλλεται η ένταση. Προφανώς θα προκύψουν τα ίδια αποτελέσματα αν κρατάμε ακίνητα το μαγνήτη ή το σωληνοειδές και μετακινούμε το πηνίο. o Συμπέρασμα: Στα άκρα του πηνίου εμφανίζεται διαφορά δυναμικού για όσο χρόνο ο μαγνήτης μετακινείται ως προς το πηνίο. Όταν το πηνίο και μαγνήτης είναι ακίνητα η διαφορά δυναμικού μηδενίζεται. Ομοίως εμφανίζεται διαφορά δυναμικού για όσο χρόνο μεταβάλλεται η ένταση I στο σωληνοειδές. Όταν η ένταση Ι γίνεται σταθερή η διαφορά δυναμικού μηδενίζεται. ΕΞΗΓΗΣΗ ΤΟΥ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΥ ΤΗΣ ΕΠΑΓΩΓΗΣ Όταν ο μαγνήτης είναι ακίνητος ως προς το πηνίο, ο αριθμός των μαγνητικών γραμμών που διέρχονται από το πηνίο είναι σταθερός. Επομένως η μαγνητική ροή που διέρχεται από το πηνίο είναι σταθερή. Όταν πλησιάζουμε το μαγνήτη στο πηνίο αυξάνει ο αριθμός των δυναμικών γραμμών που διέρχονται από αυτό άρα αυξάνει η μαγνητική ροή. Αντίθετα όταν ο μαγνήτης απομακρύνεται από το πηνίο η μαγνητική ροή στο πηνίο μειώνεται. Στα άκρα του πηνίου εμφανίζεται και στις δύο περιπτώσεις διαφορά δυναμικού που λέγεται ΗΕΔ από επαγωγή. Το ίδιο παρατηρούμε και όταν πηνίο και σωληνοειδές είναι ακίνητα αλλά μεταβάλλεται η ένταση ρεύματος στο σωληνοειδές. Τότε μεταβάλλεται η ένταση Β του μαγνητικού πεδίου στο σωληνοειδές άρα και η μαγνητική ροή στο πηνίο. «Ονομάζουμε ηλεκτρομαγνητική επαγωγή ή άπλα επαγωγή, το φαινόμενο κατά το οποίο εμφανίζεται στα άκρα ενός πηνίου ηλεκτρεγερτική δύναμη, όταν μεταβάλλεται με οποιονδήποτε τρόπο η μαγνητική ροή που διέρχεται από αυτό.» Το φαινόμενο αυτό εμφανίζεται γενικά σε κάθε κύκλωμα. Προφανώς όταν η μαγνητική ροή στο πηνίο είναι σταθερή δεν αναπτύσσεται ΗΕΔ από επαγωγή ( Ε επ = 0 ). Μιχάλης Περικλέους Σελίδα 10

11 ΝΟΜΟΣ ΕΠΑΓΩΓΗΣ ( FARADAY) Όσο πιο γρήγορα πλησιάζουμε το μαγνήτη στο πηνίο, τόσο μεγαλύτερη επαγωγική ΗΕΔ εμφανίζεται σε αυτό. Γενικά η εμφανιζόμενη ΗΕΔ από επαγωγή είναι ανάλογη προς την ταχύτητα μεταβολής ( ρυθμό μεταβολής ) ΔΦ Δt της μαγνητικής ροής σε αυτό. Πειραματικά βρίσκουμε ότι η ΗΕΔ από επαγωγή είναι ανάλογη και προς τον αριθμό Ν των σπειρών του πηνίου. Η ηλεκτρεγερτική δύναμη από επαγωγή ( E επ ) που δημιουργείται σε ένα πηνίο είναι ανάλογη με το ρυθμό μεταβολής της μαγνητικής ροής ΔΦ Δt Ν των σπειρών: σε κάθε σπείρα επί τον αριθμό Ε επ = Ν ΔΦ Δt ( Νόμος του Faraday ) Μονάδα της E επ στο S. I. Είναι το 1 Wb s = 1V Το μείον δικαιολογείται από τον κανόνα του Lenz. Από τον τύπο αυτό ορίζεται η μονάδα μαγνητικής ροής Wb: 1 Wb είναι η μαγνητική ροή η οποία όταν περνά από μια σπείρα και μειώνεται ομοιόμορφα μέχρι την τιμή μηδέν μέσα σε χρόνο 1 sec, αναπτύσσει ΗΕΔ επαγωγής ίση με 1V. 1Wb = 1Vs. Παρατήρηση: Τις πιο πολλές φορές μας ενδιαφέρει το μέτρο της επαγωγικής ΗΕΔ γι αυτό το μείον στη σχέση του Faraday το παραλείπουμε. Διατηρούμε το μείον στις εξής περιπτώσεις: α. Στις γραφικές παραστάσεις της επαγωγικής ΗΕΔ ή του επαγωγικού ρεύματος με το χρόνο. β. Αν έχουμε πρόβλημα στον οποίο ο λόγος ΔΦ αλλάζει πρόσημο ( δηλαδή η Eεπ αλλάζει Δt πολικότητα). ΕΠΑΓΩΓΙΚΟ ΡΕΥΜΑ ΕΠΑΓΩΓΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ Καθώς ο μαγνήτης πλησιάζει στο πηνίο, εμφανίζεται στα άκρα του πηνίου επαγωγική ΗΕΔ. Το πηνίο έχει συνδεθεί με ευαίσθητο γαλβανόμετρο Γ. Επειδή το κύκλωμα είναι κλειστό διαρρέεται από ρεύμα το οποίο μετράμε με το γαλβανόμετρο και το λέμε επαγωγικό ρεύμα ( Ι επ ). Μιχάλης Περικλέους Σελίδα 11

12 Στο σχήμα (β) εμφανίζεται E επ ( αφού μεταβάλλεται η μαγνητική ροή στο πηνίο ) όχι όμως και το επαγωγικό ρεύμα γιατί το κύκλωμα είναι ανοικτό. Η σειρά των φαινομένων είναι όπως φαίνεται στο διπλανό διάγραμμα: Μεταβολή μαγνητικής ροής στο κύκλωμα Εμφάνιση ΗΕΔ από επαγωγή Κλειστό κύκλωμα Ανοιχτό κύκλωμα Το επαγωγικό ρεύμα ( Ι επ )υπολογίζεται από το νόμο του Ohm σε κλειστό κύκλωμα και κατ απόλυτη τιμή είναι: Ι επ = Ε επ I R επ = ΔΦ Δt Ν R I επ = ΔΦ Ν. Rt Εμφανίζεται επαγωγικό ρεύμα Δεν εμφανίζεται επαγωγικό ρεύμα Το φορτίο που διέρχεται από μία διατομή του κυκλώματος λόγω του επαγωγικού ρεύματος λέγεται επαγωγικό φορτίο ( q επ ). Όταν το επαγωγικό ρεύμα έχει σταθερή τιμή τότε από τον ορισμό της έντασης ρεύματος: q t άρα q t Η. Ε. Δ. ΑΠΟ ΕΠΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΑΚΡΑ ΚΙΝΟΥΜΕΝΟΥ ΑΓΩΓΟΥ Στο σχήμα ( α ) φαίνεται ένας ευθύγραμμος μεταλλικός αγωγός μήκους l, που κινείται μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο μαγνητικής επαγωγής Β, με ταχύτητα υ που είναι κάθετη στις μαγνητικές γραμμές του πεδίου. Ο αγωγός είναι κάθετος στην ταχύτητά του. Είναι γνωστό ότι ένας μεταλλικός αγωγός αποτελείται από θετικά ιόντα και ελεύθερα ηλεκτρόνια, τα οποία και είναι ευκίνητα. Στο σχήμα ( β ) φαίνεται ένα από αυτά τα ηλεκτρόνια, το οποίο κινείται μαζί με τον αγωγό με ταχύτητα υ. Στο ηλεκτρόνιο θα ασκηθεί από το μαγνητικό πεδίο δύναμη Laplace, που δίνεται από τη σχέση: FL q. Η δύναμη αυτή ( που έχει σχεδιαστεί στο σχήμα με τη βοήθεια του κανόνα των τριών δακτύλων του δεξιού χεριού ) θα έχει ως αποτέλεσμα τη μετακίνηση ενός μικρού ποσοστού των ελεύθερων ηλεκτρονίων προς το κάτω μέρος του αγωγού. Έτσι, λόγω μικρού πλεονάσματος ελεύθερων ηλεκτρονίων, τo κάτω μέρος θα φορτιστεί αρνητικά, ενώ αντίστοιχα, λόγω μικρής έλλειψης ελεύθερων ηλεκτρονίων, το πάνω μέρος του αγωγού θα φορτιστεί θετικά. Μιχάλης Περικλέους Σελίδα 12

13 Η φόρτιση του αγωγού έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση μιας δύναμης ηλεκτροστατικής φύσης στα ελεύθερα ηλεκτρόνια αντίθετης φοράς από τη δύναμη Laplace, σχήμα ( γ ). Όταν η ηλεκτροστατική δύναμη γίνει ίση με τη δύναμη Laplace, σταματά η μετακίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων και η διαφορά δυναμικού στα άκρα του αγωγού σταθεροποιείται. o Υπολογισμός της Η.Ε.Δ. από επαγωγή Η δύναμη Laplace και η ηλεκτροστατική δύναμη δίνονται από τις σχέσεις: F qκαι F E q Όπου E η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου στο εσωτερικό του αγωγού. Όταν αποκατασταθεί η ισορροπία, η συνισταμένη των δυνάμεων στα ελεύθερα ηλεκτρόνια μηδενίζεται. Με τη χρήση των πιο πάνω σχέσεων προκύπτει ότι: ΣF F F q E q E 0 L Η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου συνδέεται με την τάση στα άκρα του αγωγού μέσω της σχέσης V E l. Με την αντικατάσταση στην προηγούμενη σχέση προκύπτει ότι: V B E V l l Η πιο πάνω σχέση δίνει την τάση από επαγωγή στα άκρα ευθύγραμμου αγωγού μήκους l, που κινείται με ταχύτητα υ μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο μαγνητικής επαγωγής Β, έτσι ώστε η ταχύτητά του να είναι κάθετη στις μαγνητικές γραμμές και ο αγωγός με τη σειρά του να είναι κάθετος στη ταχύτητα υ. Από τη πιο πάνω σχέση διαπιστώνουμε ότι η τάση από επαγωγή στα άκρα του αγωγού είναι ανάλογη της μαγνητικής επαγωγής Β, ανάλογη της ταχύτητας υ με την οποία κινείται ο αγωγός και ανάλογη του μήκους του αγωγού. Εφόσον ο αγωγός μπορεί πλέον- να χρησιμοποιηθεί ως πηγή ηλεκτρικού ρεύματος, η τιμή l = E της τάσης από επαγωγή που δίνεται από τη σχέση V αντιπροσωπεύει την ηλεκτρική δύναμη της ηλεκτρικής πηγής και δεν είναι κατά ανάγκη πάντα ίση με την τάση στα άκρα του. Έτσι, αν ο αγωγός έχει εσωτερική αντίσταση r και τροφοδοτεί ένα κύκλωμα με ηλεκτρικό ρεύμα έντασης Ι, η τάση στα άκρα του θα είναι: V E r Όπου E επ είναι η Η.Ε.Δ. από επαγωγή που αναπτύσσεται στα άκρα του: E l Μιχάλης Περικλέους Σελίδα 13

14 ΚΑΝΟΝΑΣ ΤΟΥ LENZ Ο κανόνας του Lenz διατυπώνεται ως εξής: «Η φορά του επαγωγικού ρεύματος είναι τέτοια ώστε το μαγνητικό πεδίο που δημιουργεί να αντιδρά στην αιτία που το προκάλεσε.» Παράδειγμα Α. Ο μαγνήτης πλησιάζει στο πηνίο κατά μήκος του άξονα του και π.χ. με το βόρειο πόλο Ν μπροστά. Η μαγνητική ροή τότε που διέρχεται από το πηνίο αυξάνει. Η μαγνητική ροή στο πηνίο μεταβάλλεται άρα αναπτύσσεται σ αυτό E επ. Η E επ προκαλεί Ι επ στο κλειστό κύκλωμα του πηνίου. Το πηνίο διαρρέεται από το επαγωγικό ρεύμα άρα δημιουργεί δικό του μαγνητικό πεδίο ( γίνεται μαγνήτης ). Σύμφωνα με τον κανόνα Lenz το δημιουργούμενο πεδίο του πηνίου θα αντιδρά στην αιτία που το προκάλεσε. Αιτία που το προκάλεσε είναι η μεταβολή της μαγνητικής ροής και αυτή προέρχεται από το πλησίασμα του μαγνήτη. Για αν εμποδιστεί το πλησίασμα του μαγνήτη πρέπει απέναντι από το βόρειο πόλο του να εμφανιστεί βόρειος πόλος του πεδίου του πηνίου οπότε οι μαγνητικές δυναμικές γραμμές είναι όπως το σχήμα ( βγαίνουν αριστερά ). Το αποτέλεσμα αντιστέκεται στο αίτιο Πιάστε τώρα το πηνίο με το δεξί σας χέρι ώστε τα δάκτυλα σας να είναι πάνω στις σπείρες και ο αντίχειρας ( το χονδρό δάκτυλο ) να δείχνει τη φορά του Β του πηνίου ( αριστερά ). Τότε το Ι επ θα έχει τη φορά από τη παλάμη προς τα νύχια. Ολόκληρο το πηνίο έχει γίνει πλέον μια ηλεκτρική πηγή με ΗΕΔ την E επ. Έχουμε ήδη βρει τη φορά του Ι επ. Για να δώσει όμως η πηγή ρεύμα τέτοιας φοράς πρέπει να έχει πολικότητα όπως στο σχήμα ( + αριστερά και δεξιά ) δηλαδή από το θετικό στον αρνητικό πόλο εξωτερικά της πηγής. Στο πάνω σχήμα βλέπουμε επίσης το ισοδύναμο κύκλωμα. Η αντίσταση R π του πηνίου παίζει το ρόλο της εσωτερικής αντίστασης της E επ. Μιχάλης Περικλέους Σελίδα 14

15 Β. Έστω τώρα ότι ο μαγνήτης απομακρύνεται από το πηνίο έχοντας το βόρειο πόλο του προς το πηνίο. Σύμφωνα με τον κανόνα του Lenz το μαγνητικό πεδίο του πηνίου θα πρέπει να αντιδρά στην απομάκρυνση του μαγνήτη. Επομένως απέναντι από το βόρειο πόλο του μαγνήτη θα εμφανιστεί νότιος πόλος του μαγνητικού πεδίου του πηνίου. Γι αυτό η πολικότητα της E επ και η φορά του επαγωγικού ρεύματος αναστρέφονται. Ο κανόνας του Lenz είναι αποτέλεσμα της αρχής διατήρησης της ενέργειας. Ο μαγνήτης του επόμενου σχήματος πλησιάζει το πηνίο. Στο πηνίο εμφανίζεται επαγωγικό ρεύμα, σύμφωνα με τον κανόνα του Lenz, έχει τέτοια φορά, ώστε να «αντιστέκεται» στο πλησίασμα του μαγνήτη, δηλαδή το επαγωγικό ρεύμα θα δημιουργεί στο πηνίο ένα μαγνητικό πεδίο έντασης τέτοιας φοράς, ώστε το πηνίο να συμπεριφέρεται σαν ραβδόμορφος μαγνήτης με τον βόρειο πόλο όπως το σχήμα. B Η ενέργεια που ξοδεύουμε για την κίνηση του μαγνήτη γίνεται ηλεκτρική ενέργεια στο πηνίο, δηλαδή ισχύει η αρχή διατήρησης της ενέργειας. Μιχάλης Περικλέους Σελίδα 15

16 Αν δεν ίσχυε ο κανόνας του Lenz, τότε το επαγωγικό ρεύμα θα είχε αντίθετη φορά, με αποτέλεσμα στο πηνίο οι μαγνητικοί πόλοι να εμφανίζονται όπως στο διπλανό σχήμα. Ο νότιος πόλος S του πηνίου θα έλκυε τον μαγνήτη, οπότε δεν θα χρειαζόταν ενέργεια από εμάς για την κίνηση του. Θα είχαμε δηλαδή κινητική ενέργεια στον μαγνήτη και ηλεκτρική στο πηνίο ( λόγω του επαγωγικού ρεύματος ) χωρίς δαπάνη ενέργειας. Αν δεν ίσχυε ο κανόνας του Lenz, θα είχαμε παραγωγή ενέργειας από το μηδέν, δηλαδή δεν θα ίσχυε η αρχή διατήρησής της ενέργειας. Παρατηρήσεις α. Αν το πηνίο δε συνδέεται με κλειστό κύκλωμα και ο μαγνήτης κινείται, εμφανίζεται E επ αλλά όχι Ι επ. Για να βρούμε την πολικότητα της E επ υποθέτουμε ότι το κύκλωμα είναι κλειστό και εργαζόμαστε όπως παραπάνω. β. Από απόψεως ενεργειών έχουμε τα εξής: Ο μαγνήτης αποκτά κινητική ενέργεια που την παίρνει από το αίτιο που τον κινεί. Ένα μέρος της ενέργειας αυτής μεταβιβάζεται μέσω του μαγνητικού πεδίου στο πηνίο. Όταν το κύκλωμα είναι κλειστό η ενέργεια του πηνίου μεταβιβάζεται στο κύκλωμα ως ενέργεια ηλεκτρικού ρεύματος. Είναι σημαντικό να προσεχθεί ότι με την κίνηση του μαγνήτη και χωρίς αυτός να έχει καμία επαφή με το πηνίο, μεταβιβάζεται ενέργεια στο κύκλωμα λόγω του φαινομένου της επαγωγής, την οποία εκμεταλλευόμαστε ως ηλεκτρική ενέργεια. Ερώτηση: Όταν κλείνουμε τον διακόπτη στο κύκλωμα του σχήματος, ο μεταλλικός δακτύλιος πετιέται προς τα πάνω. Γιατί συμβαίνει αυτό; Μιχάλης Περικλέους Σελίδα 16

17 ΠΕΡΙΣΤΡΟΦΙΚΗ ΚΙΝΗΣΗ ΜΕΤΑΛΛΙΚΗΣ ΡΑΒΔΟΥ ΜΕΣΑ ΣΕ ΟΜΟΓΕΝΕΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ. Έστω μεταλλική ράβδος ΑΓ έχει μήκος L και περιστρέφεται μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης γύρω από άξονα που είναι παράλληλος στις δυναμικές γραμμές και διέρχεται από το άκρο Α έτσι ώστε η επιφάνεια που διαγράφει η ράβδος να είναι κάθετη στις δυναμικές γραμμές. Αν τη χρονική στιγμή t η γωνιακή ταχύτητα της ράβδου έχει μέτρο ω, τότε μέσα σε στοιχειώδη χρόνο dt διαγράφει επίκεντρη γωνία dθ και στοιχειώδη κυκλικό τομέα εμβαδού B ds 2 Ld 2. Έτσι με τη πάροδο του χρόνου η επιφάνεια που διαγράφει η ράβδος αυξάνεται και η μαγνητική ροή, που διέρχεται μέσα από τη διαγραφόμενη επιφάνεια, αυξάνεται επίσης. Η αύξηση dφ της μαγνητικής ροής μέσα στο στοιχειώδη χρόνο dt, είναι dφ = ΒdS. Έτσι στη ράβδο αναπτύσσεται ΗΕΔ από επαγωγή, μέτρου E d d Bds 1 d 1 BL E L dt dt dt 2 dt Η πιο πάνω σχέση μας δίνει το μέτρο της επαγωγικής ΗΕΔ είτε στην περίπτωση που το μέτρο ω της γωνιακής ταχύτητας είναι σταθερό είτε στην περίπτωση που μεταβάλλεται. Αν το ω είναι σταθερό και το μέτρο της E επ θα είναι σταθερό, ενώ αν το ω μεταβάλλεται και το μέτρο της E επ θα μεταβάλλεται. Η πολικότητα της υποθετικής πηγής που εμφανίζεται στη ράβδο προσδιορίζεται όπως και στην περίπτωση της μεταφορικής κίνησης. Άσκηση: 3. Στο μεταλλικό δίσκο του σχήματος που γυρίζει με γωνιακή ταχύτητα ω, να υπολογίσετε τις τάσεις U AO, U ΓΟ, U ΔΓ και U ΑΔ. Δίνονται: ΟΓ = R/2, B = 0,5T, ω = 20 rad/s και R = 0,2m. Παράδειγμα Το συρμάτινο ορθογώνιο πλαίσιο του σχήματος, του οποίου κάθε πλευρά έχει μήκος l και αντίσταση R, κινείται με σταθερή ταχύτητα υ και μπαίνει μέσα σε ομογενές μαγνητικό κάθετο στις μαγνητικές γραμμές του πεδίου. Ζητούνται σε συνάρτηση με το χρόνο οι γραφικές παραστάσεις: 1. Της ΗΕΔ από επαγωγή που αναπτύσσεται στο πλαίσιο. 2. Του ρεύματος που το διαρρέει. 3. Της τάσης U ΑΓ στα άκρα της μπροστινής του πλευράς. 4. Της δύναμης Laplace που ασκείται πάνω του. 5. Της ισχύος που καταναλώνεται στις αντιστάσεις των πλευρών του. Μιχάλης Περικλέους Σελίδα 17

18 o Προσδιορισμός των χαρακτηριστικών χρονικών στιγμών Θεωρώντας χρονική στιγμή μηδέν τη χρονική στιγμή που η πλευρά ΑΓ του πλαισίου φτάνει στην αρχή του μαγνητικού πεδίου, μπορούμε εύκολα να προσδιορίσουμε τις υπόλοιπες χαρακτηριστικές χρονικές στιγμές: Χρονική στιγμή t 1, όταν ολόκληρο το πλαίσιο εισέρχεται στο μαγνητικό πεδίο: Το πλαίσιο θα έχει διανύσει απόσταση l, επομένως θα ισχύει η σχέση: υ = l / t 1 t 1 = l /υ. Χρονική στιγμή t 2, όταν η πλευρά ΑΓ φτάνει στο όριο που τελειώνει το μαγνητικό πεδίο: Το πλαίσιο θα έχει διανύσει απόσταση 3l, επομένως θα ισχύει η σχέση υ = 3l / t 2 t 2 =3 l /υ. Χρονική στιγμή t 3, όταν ολόκληρο το πλαίσιο θα έχει βγει από το μαγνητικό πεδίο: Το πλαίσιο θα έχει διανύσει απόσταση 4l, επομένως θα ισχύει η σχέση υ = 4l / t 3 t 2 = 4l /υ. Κατά την κίνηση του πλαισίου στο μαγνητικό πεδίο μπορούμε να διακρίνουμε τρεις διαφορετικές φάσεις: τη φάση που το πλαίσιο εισέρχεται στο μαγνητικό πεδίο, τη φάση που ολόκληρο το πλαίσιο βρίσκεται μέσα σε αυτό και τη φάση που εξέρχεται από αυτό. Όταν το πλαίσιο εισέρχεται στο μαγνητικό πεδίο ( 0 t l /υ ) Δx Bxl E = -N E E t t l E B l I 4R 4R και Η πλευρά ΑΓ λειτουργεί ως ηλεκτρική πηγή, επομένως, η τάση στα άκρα της θα δίνεται από τη σχέση που παρέχει την πολική τάση μιας ηλεκτρικής πηγής ( με εσωτερική αντίσταση R ). Επειδή, δε, το δυναμικό του σημείου Α είναι μεγαλύτερο από το δυναμικό του Γ, η τάση U ΑΓ θα είναι θετική: l 3 U E R U l R U l 4R 4 Μιχάλης Περικλέους Σελίδα 18

19 Η δύναμη Laplace που ασκείται στην πλευρά ΑΓ θα θεωρηθεί αρνητική επειδή έχει αντίθετη φορά από την ταχύτητα. Οι δυνάμεις που εμφανίζονται στις πλευρές που είναι παράλληλες με την ταχύτητα του πλαισίου αλληλοεξουδετερώνονται και έτσι δεν έχει νόημα να τις υπολογίσουμε. 2 2 Bl B l FL BI l FL B l FL 4R 4R Η ηλεκτρική ισχύς που καταναλώνεται στις τέσσερις αντιστάσεις των πλευρών του πλαισίου θα είναι: Bl l P I (4 R) P (4 R) P 4R 4R Όταν το πλαίσιο βρίσκεται ολόκληρο μέσα στο μαγνητικό πεδίο ( l /υ t 3l /υ ) Στην πλευρά ΑΓ και στην απέναντι της πλευρά εμφανίζονται ίσες ΗΕΔ από επαγωγή, με αποτέλεσμα να αλληλοεξουδετερώνονται. Έτσι, ενώ υπάρχει διαφορά δυναμικού στα άκρα Α και Γ, η συνολική ΗΕΔ είναι μηδέν. E επ = 0. Εφόσον η συνολική ΗΕΔ είναι μηδέν, το κύκλωμα δεν θα διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα. Αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα να μηδενίζονται τόσο η δύναμη Laplace όσο και η ηλεκτρική ισχύς: I=0, F L = 0, P ηλ = 0. Η πλευρά ΑΓ λειτουργεί και πάλι ως ηλεκτρική πηγή, επομένως η τάση στα άκρα της θα δίνεται από τη σχέση που παρέχει την πολική τάση μιας ηλεκτρικής πηγής ( εσωτερική αντίσταση R ). Επειδή, όμως, το ηλεκτρικό ρεύμα είναι μηδέν, δεν υπάρχει πτώση τάσης στην εσωτερική αντίσταση και επομένως η τάση στα άκρα της είναι ίση με τη ΗΕΔ της: U E R U l 0 R U l Όταν το πλαίσιο εξέρχεται από το μαγνητικό πεδίο ( 3l /υ t 4l /υ ) Δx Bxl E = -N E E t t l E B l I 4R 4R και Η πλευρά ΑΓ λειτουργεί ως εξωτερική αντίσταση, επομένως η τάση στα άκρα της δίνεται από το νόμο του Ohm. Επειδή, δε, το δυναμικό του σημείου Α είναι μεγαλύτερο από το δυναμικό του Γ, η τάση U ΑΓ θα είναι και πάλι θετική: Μιχάλης Περικλέους Σελίδα 19

20 l 1 U R U R U l 4R 4 Η δύναμη Laplace ασκείται στην πλευρά που είναι απέναντι από την πλευρά ΑΓ και θα θεωρηθεί αρνητική επειδή έχει αντίθετη φορά από την ταχύτητα: 2 2 Bl B l FL BI l FL B l FL 4R 4R Η ηλεκτρική ισχύς που καταναλώνεται στις τέσσερις αντιστάσεις των πλευρών του πλαισίου θα είναι και πάλι: Bl l P I (4 R) P (4 R) P 4R 4R 1. Γραφική παράσταση ΗΕΔ από επαγωγή χρόνου: 2. Γραφική παράσταση ηλεκτρικού ρεύματος χρόνου: 3. Γραφική παράσταση τάσης ( ΑΓ ) χρόνου: Μιχάλης Περικλέους Σελίδα 20

21 4. Γραφική παράσταση δύναμης Laplace χρόνου: 5. Γραφική παράσταση ηλεκτρικής ισχύς χρόνου: ΠΛΑΙΣΙΟ ΠΕΡΙΣΤΡΕΦΟΜΕΝΟ ΜΕΣΑ ΣΕ ΟΜΟΓΕΝΕΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ Το περιστρεφόμενο πλαίσιο ( βρόγχος) είναι το πρότυπο μοντέλο ενός τύπου γεννήτριας εναλλασσόμενου ρεύματος, του εναλλάκτη και αναπτύσσει ΗΕΔ σε εξωτερικό κύκλωμα με τη βοήθεια των δύο δακτυλίων επαφής S, οι οποίοι περιστρέφονται με το πλαίσιο, όπως δείχνει το σχήμα ( α ). Σταθερές επαφές που ονομάζονται ψήκτρες ολισθαίνουν στους δακτυλίους και είναι συνδεδεμένες με τα άκρα εξόδου α και β. Κάθε χρονική στιγμή η ροή που διέρχεται μέσα από το πλαίσιο δίνεται από τη σχέση: Φ = ΒSσυνφ Φ = ΒSσυνωt φ = ωt Μιχάλης Περικλέους Σελίδα 21

22 Εφόσον η μαγνητική ροή εξαρτάται από το χρόνο, κάθε χρονική στιγμή θα έχει διαφορετική τιμή άρα έχουμε συνεχή μεταβολή της μαγνητικής ροής. Σύμφωνα με το νόμο του Faraday, η ΗΕΔ στα άκρα του πλαισίου θα είναι: ( BSt) E N t t Και με τη βοήθεια των μαθηματικών παραγώγων η τελευταία σχέση γίνεται: E NBS t E E t Όπου Η τάση E ονομάζεται εναλλασσόμενη τάση. E0 NBS Όταν σε ένα κύκλωμα, όπως αυτό του διπλανού σχήματος εφαρμόζεται εναλλασσόμενη τάση, τότε σε αυτό παράγεται εναλλασσόμενο ρεύμα με εξίσωση της μορφής: E R 0 I E 0 t R ή I I t 0 E E 0 t Μια απλή γεννήτρια είναι ο δύναμος ενός ποδηλάτου. Τα πλαίσια του δύναμου περιστρέφονται με τη βοήθεια του τροχού. Το ρεύμα που παράγεται είναι εναλλασσόμενο και τροφοδοτεί τα ηλεκτρικά στοιχεία του ποδηλάτου. Μιχάλης Περικλέους Σελίδα 22

23 ΑΜΟΙΒΑΙΑ ΕΠΑΓΩΓΗ ΑΥΤΕΠΑΓΩΓΗ Πείραμα 1 ο 1. Συνδέστε ένα πηνίο Π 1 των 300 σπειρών με ηλεκτρική πηγή συνεχούς τάσης 3 V. 2. Στα άκρα ενός άλλου πηνίου Π 2, 600 σπειρών, συνδέστε ένα γαλβανόμετρο G και τοποθετήστε το κοντά στο πρώτο, ώστε να είναι ομοαξονικά. 3. Κλείνετε και ανοίγετε το διακόπτη Δ παρακολουθώντας ταυτόχρονα το δείκτη του γαλβανόμετρου. Τι βλέπετε; Γιατί συμβαίνει αυτό; 4. Περιστρέψετε λίγο το πηνίο Π 2 και επαναλάβετε το στάδιο 3. Τι παρατηρείτε; Ποια διαφορά υπάρχει από το στάδιο 3; 5. Τοποθετήστε τώρα τα πηνία σε πυρήνα από μαλακό σίδηρο και επαναλάβετε το στάδιο 3. Ποια διαφορά υπάρχει από το στάδιο 3; Για ποιο λόγο υπάρχει αυτή η διαφορά; Από την πειραματική εργασία βλέπουμε ότι, όταν μεταβάλλεται το ρεύμα (κατά το άνοιγμα και κατά το κλείσιμο του διακόπτη) στο πηνίο Π 1 που βρίσκεται κοντά στο δεύτερο πηνίο Π 2 και σε κατάλληλη θέση, παρατηρείται στιγμιαία απόκλιση του δείκτη του γαλβανομέτρου, πράγμα που φανερώνει ότι στα άκρα του πηνίο Π 2 εμφανίζεται τάση από επαγωγή. Το φαινόμενο αυτό λέγεται αμοιβαία επαγωγή και η τάση τάση αμοιβαίας επαγωγής. Η τάση εξαρτάται από τη θέση και τον τρόπο με τον οποίο είναι τοποθετημένα τα πηνία και λέγεται σύζευξη. «Αμοιβαία επαγωγή ονομάζεται το φαινόμενο κατά το οποίο στα άκρα ενός πηνίου δημιουργείται ΗΕΔ επαγωγής, όταν μεταβληθεί η ένταση του ρεύματος που διαρρέει ένα δεύτερο πηνίο με το οποίο το πρώτο είναι σε σύζευξη». Εξήγηση του φαινομένου της αμοιβαίας επαγωγής Με τη σύζευξη των πηνίων, μέρος της μαγνητική ροής του πρώτου πηνίου Π 1 περνά από το δεύτερο πηνίο Π 2. Όταν έχουμε τέλεια σύζευξη, όπως στο σχήμα (β), τότε όλη μαγνητική ροή του πρώτου πηνίου περνά και από το δεύτερο πηνίο. Όταν τώρα μεταβάλλεται το ρεύμα στο Π 1, μεταβάλλεται και η μαγνητική ροή και έτσι έχουμε τάση επαγωγής στα άκρα του πηνίου Π 2. Με την τέλεια σύζευξη όλη η μεταβολή της μαγνητική ροής στο πρωτεύον ( Π 1 ) περνά στο δεύτερον ( Π 2 ), με αποτέλεσμα να εμφανίζεται μεγαλύτερη τάση στα άκρα του δευτερεύοντος ( Π 2 ). Μιχάλης Περικλέους Σελίδα 23

24 Όταν κλείσουμε το διακόπτη, η μαγνητική ροή μεταβάλλεται από το μηδέν μέχρι τη μέγιστη τιμή, δηλαδή αυξάνεται και ο δείκτης κινείται προς το ένα μέρος και επανέρχεται στο μηδέν όταν σταθεροποιηθεί η μαγνητική ροή. Όταν τώρα ανοίξουμε το διακόπτη, η μαγνητική ροή μεταβάλλεται από μέγιστη μέχρι το μηδέν, δηλαδή ελαττώνεται και ο δείκτης κινείται προς το αντίθετο μέρος και επανέρχεται, όταν η μαγνητική ροή μηδενιστεί. Όταν τα δύο πηνία τοποθετηθούν σε πυρήνα από μαλακό σίδερο παρατηρούμε τη βελόνα του γαλβανομέτρου να αποκλίνει περισσότερο. Αυτό οφείλεται στην ιδιότητα του μαλακού σιδήρου να δημιουργεί πεδίο μέχρι και φορές πιο ισχυρό, απ ότι προηγουμένως ( μόνο με την ύπαρξη αέρα ). Επίσης ο μαλακός σίδερος σε αντίθεση με το συνηθισμένο σίδερο δεν παραμένει μαγνητισμένος όταν δεν αλληλεπιδρά με το μαγνητικό πεδίο. Στο σχήμα ( β ) παρεμβάλουμε μεταξύ της πηγής και του πρωτεύοντος πηνίου ροοστάτη. Υποθέστε ότι μετακινούμε με μικρή ταχύτητα το δρομέα προς τα δεξιά. Εφόσον το μέρος της μεταβλητής αντίστασης που διαρρέεται από το ηλεκτρικό ρεύμα μειώνεται, θα αυξάνεται η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος στο πρωτεύον και ανάλογα θα αυξάνεται και η μαγνητική επαγωγή του μαγνητικού πεδίου που δημιουργείται γύρω του. Αν επιχειρήσουμε να μετακινήσουμε το δρομέα με μεγαλύτερη ταχύτητα ( μεγαλύτερος ρυθμός αύξησης του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει το πρωτεύον), θα διαπιστώσουμε ότι ανάλογα αυξάνεται και η ένδειξη του γαλβανομέτρου. Έτσι, διαπιστώνουμε ότι: Η ΗΕΔ που αναπτύσσεται από αμοιβαία επαγωγή στα άκρα του δευτερεύοντος πηνίου είναι ανάλογη του ρυθμού μεταβολής της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει το πρωτεύον. Πειραματικά μπορούμε να διαπιστώσουμε ότι η ΗΕΔ από αμοιβαία επαγωγή εξαρτάται και από άλλους παράγοντες, όπως για παράδειγμα: Τον αριθμό των σπειρών των δύο πηνίων. Τα εμβαδά των πηνίων. Την ύπαρξη πυρήνα μαλακού σιδήρου που συνδέει τα δύο πηνία. Το σχετικό προσανατολισμό των δύο πηνίων. Μιχάλης Περικλέους Σελίδα 24

25 Πείραμα 2 ο Συνδέστε ένα πηνίο 1200 σπειρών με ένα πυρήνα μαλακού σιδήρου, μια πηγή συνεχούς τάσης 6V και ένα λαμπτήρα νέου, τάσης λειτουργίας 120V. Κλείστε το διακόπτη και μετά ανοίξετε τον. Πότε η λάμπα νέου φωτοβολεί; Γιατί συμβαίνει αυτό; Να δώσετε μια εξήγηση στο φαινόμενο αυτό. Δ 6-8V L Λαμπτήρας Νέον Όταν κλείσουμε το διακόπτη Δ και τον αφήσουμε βλέπουμε ότι δε φωτοβολεί, επειδή η τάση λειτουργίας που εφαρμόζεται στα άκρα του είναι μικρότερη από την τάση λειτουργίας του. Αν όμως ανοίξουμε το διακόπτη, ο λαμπτήρας θα φωτοβολήσει προς στιγμή και μετά θα πάψει να φωτοβολεί. Αυτό δείχνει ότι, όταν μεταβάλλεται το ρεύμα σ ένα πηνίο, στα άκρα του εμφανίζεται μια αρκετά μεγάλη επαγωγική τάση. Το φαινόμενο αυτό λέγεται αυτεπαγωγή και η τάση τάση αυτεπαγωγής. Αυτό συμβαίνει διότι, όταν μεταβάλλεται ή ένταση του ρεύματος, μεταβάλλεται και η μαγνητική ροή που περνά από το πηνίο και στα άκρα του εμφανίζεται τάση από επαγωγή. «Αυτεπαγωγή ονομάζεται το φαινόμενο της δημιουργίας ΗΕΔ από επαγωγή σε ένα πηνίο όταν μεταβάλλεται η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος που το διαρρέει.» Θεωρούμε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα που αποτελείται από ιδανική ηλεκτρική πηγή, ένα ιδανικό πηνίο, μια αντίσταση R, ένα αμπερόμετρο και ένα διπλό διακόπτη. Α Α Όταν μεταφέρουμε το διακόπτη στη θέση (α) παρατηρούμε ότι η ένταση του ρεύματος δεν παίρνει ακαριαία την τιμή I 0 = E / R που προβλέπει ο νόμος του Ohm αλλά αυξάνει βαθμιαία από την τιμή 0 μέχρι την τιμή Ι 0. Η μορφή της γραφικής παράστασης Ι = f ( t ) δίνεται δίπλα: Μιχάλης Περικλέους Σελίδα 25

26 Η συμπεριφορά της ΗΕΔ από αυτεπαγωγή να καθυστερεί την αύξηση του ηλεκτρικού ρεύματος στο κύκλωμα μπορεί να εξηγηθεί με βάση τον κανόνα του Lenz: Αύξηση του ηλεκτρικού ρεύματος στο κύκλωμα σημαίνει αύξηση της μαγνητικής ροής στο πηνίο, που έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση της ΗΕΔ από αυτεπαγωγή. Σύμφωνα με τον κανόνα του Lenz, η ΗΕΔ από αυτεπαγωγή θα έχει τέτοια πολικότητα ώστε να αντιτίθεται στην αιτία που την προκαλεί, που στο παράδειγμα μας είναι η αύξηση της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος. Έτσι, η πολικότητα του πηνίου θα είναι τέτοια ώστε να εμποδίζει την αύξηση του ηλεκτρικού ρεύματος ή διαφορετικά να αντιτίθεται στην εξωτερική ηλεκτρική πηγή. Α Α Είναι φανερό ότι όση ώρα ο διακόπτης, μετά την απόκτηση της μέγιστης τιμής του ρεύματος, είναι κλειστός το κύκλωμα θα διαρρέεται από σταθερό ρεύμα Ι 0 και στα άκρα του πηνίου δε θα υπάρχει ΗΕΔ αυτεπαγωγής. Αν τώρα φέρουμε το διακόπτη στη θέση ( β ) το ρεύμα στο κύκλωμα δε μηδενίζεται ακαριαία γιατί η ελάττωση της έντασης του δημιουργεί στα άκρα του σωληνοειδούς ΗΕΔ αυτεπαγωγής. Α Α Η εμφάνιση της ΗΕΔ από αυτεπαγωγή οφείλεται στην επιχειρούμενη μείωση του ηλεκτρικού ρεύματος, που έχει ως αποτέλεσμα τη μεταβολή της μαγνητικής ροής που διέρχεται από το πηνίο. Η πολικότητα της ΗΕΔ από αυτεπαγωγή θα είναι τέτοια ώστε σύμφωνα με τον κανόνα του Lenz να μην επιτρέψει ή να καθυστερήσει τη μείωση του ηλεκτρικού ρεύματος, αντικαθιστώντας σε κάποιο βαθμό την εξωτερική ηλεκτρική πηγή. Α Α Μιχάλης Περικλέους Σελίδα 26

27 Η μορφή της γραφικής παράστασης Ι = f ( t ) δίνεται πιο κάτω: Σαν αποτέλεσμα της αυτεπαγωγής, η αποκατάσταση και η διακοπή του ρεύματος σ ένα κύκλωμα με πηνίο φαίνεται στο πιο κάτω διάγραμμα: Ερώτηση: Η πιο κάτω γραφική παράσταση συγκρίνει την αποκατάσταση του ηλεκτρικού ρεύματος σε σχέση με το χρόνο, με και χωρίς την παρουσία μαλακού σιδήρου μέσα στο πηνίο. Τι παρατηρείτε; Μιχάλης Περικλέους Σελίδα 27

28 Εφαρμογή του φαινομένου της αυτεπαγωγής Μιχάλης Περικλέους Σελίδα 28

29 ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ Ένας μετασχηματιστής αποτελείται από δύο πηνία, το ένα ηλεκτρικά μονωμένο από το άλλο, είναι όμως περιελιγμένα στον ίδιο πυρήνα και επομένως έχουν αμοιβαία επαγωγή. Το πηνίο που τροφοδοτείται με ηλεκτρικό ρεύμα ονομάζεται πρωτεύον πηνίο, το πηνίο που δίνει ηλεκτρικό ρεύμα ονομάζεται δευτερεύον πηνίο. Οι μετασχηματιστές που χρησιμοποιούνται για συστήματα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας έχουν μαλακούς σιδηροπυρήνες. Το σύμβολο κυκλώματος που χρησιμοποιείται για μετασχηματιστή με σιδηροπυρήνα είναι: Όταν το ηλεκτρικό ρεύμα που διαρρέει το πρωτεύον πηνίο είναι μεταβαλλόμενο, κατά την διάρκεια της μεταβολής, επάγεται ΗΕΔ στο δευτερεύον πηνίο. Η δημιουργία της επαγωγικής τάσης οφείλεται στο γεγονός ότι η εναλλασσόμενη τάση που εφαρμόζεται στο πρωτεύον πηνίο δημιουργεί σε αυτό εναλλασσόμενο ρεύμα, το οποίο με τη σειρά του δημιουργεί μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο. Σύμφωνα λοιπόν με το νόμο του Faraday, θα δημιουργηθεί εναλλασσόμενη τάση στο δεύτερο πηνίο. Η τιμή της επαγόμενης τάσης εξαρτάται από την σχέση σπειρών πρωτεύοντοςδευτερεύοντος: N 2 V2 V1 N 1 Με την κατάλληλη επιλογή του λόγου των σπειρών Ν 2/Ν 1 είμαστε σε θέση να έχουμε οποιαδήποτε δευτερεύουσα τάση από δεδομένη πρωτεύουσα τάση. Αν V 2 > V 1 έχουμε μετασχηματιστή ανύψωσης. Αν V 2 < V 1 έχουμε μετασχηματιστή υποβιβασμού. Μιχάλης Περικλέους Σελίδα 29

30 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΚΑΙ ΕΞΗΓΗΣΗ ΤΟΥ ΡΟΛΟΥ ΤΩΝ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΩΝ ΣΤΙΣ ΓΡΑΜΜΕΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΚΑΙ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Συνήθως τα εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας βρίσκονται σε μεγάλες αποστάσεις από τον τόπο κατανάλωσης. Για τη μεταφορά τους χρησιμοποιούνται αγωγοί μεγάλου μήκους ( ηλεκτρικές γραμμές ), οι οποίοι κατασκευάζονται συνήθως από χαλκό. Λόγω όμως της αντίστασης που εμφανίζουν, οι αγωγοί θερμαίνονται και η θερμότητα που παράγεται διαχέεται στο περιβάλλον. Υπάρχουν επομένως ενεργειακές απώλειες, οι οποίες θα πρέπει να περιοριστούν στο ελάχιστο. Τι σημαίνει όμως αυτό; Αν η αντίσταση των γραμμών μεταφοράς είναι ίση με R, τότε οι απώλειες ισχύος, λόγω του φαινομένου Joule, θα δίνονται από τη σχέση: 2 P R Για να έχουμε επομένως όσο το δυνατόν μικρότερες απώλειες, θα πρέπει: Α. Είτε η αντίσταση των γραμμών μεταφοράς να είναι πολύ μικρή ( πράγμα οικονομικά ασύμφορο, γιατί θα έπρεπε να κατασκευαστούν αγωγοί με μεγάλο εμβαδόν διατομής, R l S ). Β. Είτε το ρεύμα να έχει πολύ μικρή ένταση. Αν λοιπόν η ισχύς που θέλουμε να μεταφέρουμε είναι ίση με P, τότε, όπως προκύπτει από τη σχέση P=VI, η ένταση του ρεύματος θα είναι πολύ μικρή όταν η τάση V θα είναι πολύ μεγάλη. Ένας μετασχηματιστής μπορεί να αυξάνει την εναλλασσόμενη τάση, αλλά σε βάρους κάτι άλλου. Επειδή, λοιπόν, δεν μπορεί να προκύψει ενέργεια από το τίποτε, η ενέργεια, ή η ισχύς, στο δευτερεύον πηνίο δεν μπορεί να υπερβαίνει την ισχύ στο πρωτεύον, με άλλα λόγια, καθώς αυξάνεται η τάση πρέπει να μειώνεται η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος. P2 V2I 2 P1 V1 I1 «Διατήρηση της ενέργειας φυσικά» Ιδού λοιπόν το μεγάλο πλεονέκτημα του εναλλασσόμενου ρεύματος: η τάση που σχετίζεται με αυτό μπορεί να αυξάνεται ή να μειώνεται εύκολα. Αυξάνοντας σημαντικά την τιμή της τάσης ( V) στο σταθμό παραγωγής, μειώνεται το ρεύμα στις γραμμές μεταφοράς και οι απώλειες ισχύος γίνονται πολύ μικρές. Στο τέλος της γραμμής μεταφοράς, δηλαδή πριν τη διοχέτευση της ισχύος στην κατανάλωση, η τάση μειώνεται στη σχετικά ασφαλή τιμή των 240V. Μιχάλης Περικλέους Σελίδα 30