ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΕΠΑΓΩΓΗ ΣΤΟΧΟΙ: Να διαπιστώσουμε πειραματικά το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής και τους τρόπους παραγωγής ρεύματος από επαγωγή. Να μελετήσουμε ποιοτικά τους παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται η επαγωγική τάση (ηλεκτρεγερτική δύναμη από επαγωγή, ΗΕΔ). ΑΠΑΡΑΙΤΗΤΑ ΟΡΓΑΝΑ ΚΑΙ ΣΥΣΚΕΥΕΣ Βάση και ράβδο στήριξης με απλό σύνδεσμο Γαλβανόμετρο μηδενός σε πηνίο 300 σπειρών Ένα πηνίο 300 σπειρών, ένα 600 και ένα 1200 Αιωρούμενο πηνίο Ραβδόμορφο και πεταλοειδή μαγνήτη Πυρήνας σχήματος U με οπλισμό (βραχύς πυρήνας ) Πυρήνας μακρύς Μπαταρία πλακέ 4,5V Διακόπτης κουμπιού (μπουτόν) Λαμπάκι 3,6 V Καλώδια σύνδεσης με μπανάνες και κορκοδειλάκια ΚΙΝΗΣΗ ΠΗΝΙΟΥ ΜΕΣΑ ΣΕ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ 1. Συναρμολογούμε ένα ορθοστάτη και κρεμάμε από το πάνω άκρο του το αιωρούμενο πηνίο εικόνα 1. 2. Συνδέουμε με δύο καλώδια το αιωρούμενο πηνίο με τους ακροδέκτες του γαλβανόμετρου μηδενός.(όργανο για την μέτρηση ασθενικών ρευμάτων) 3. Αφήνουμε το πηνίο να ισορροπήσει μέσα στο μαγνητικό πεδίο που δημιουργεί ο μαγνήτης. Παρατηρούμε ότι ο δείκτης του γαλβανομέτρου δείχνει την ένδειξη 4. Απομακρύνουμε το αιωρούμενο πηνίο από η θέση ισορροπίας του και το αφήνουμε ελεύθερο να αιωρείται μέσα στο μαγνητικό πεδίο του μαγνήτη. Παρατηρούμε την κίνηση του δείκτη του γαλβανομέτρου. Συμπληρώνουμε τις παρακάτω προτάσεις. a. Ο δείκτης του γαλβανομέτρου. Άρα το κύκλωμα από ηλεκτρικό ρεύμα. b. Ο δείκτης του γαλβανομέτρου κινείται προς τα από το μηδέν όταν το πηνίο πλησιάζει τον μαγνήτη. c. Ο δείκτης του γαλβανομέτρου κινείται προς τα από το μηδέν όταν το πηνίο απομακρύνεται από τον μαγνήτη. d. Αυτό σημαίνει ότι η φορά του ηλεκτρικού ρεύματος όταν αλλάζει η φορά κίνησης του πηνίου μέσα στο μαγνητικό πεδίο. Στην μια περίπτωση οι δυναμικές γραμμές που περνούν μέσα από το πηνίο και στην άλλη (αυξάνονται, ελαττώνονται) 5. Αφαιρούμε τον μαγνήτη, μετακινούμε το πηνίο από την θέση ισορροπίας του και το αφήνουμε να αιωρείται. (Χωρίς μαγνητικό πεδίο αυτή τη φορά). Παρατηρούμε ότι ο δείκτης του γαλβανομέτρου δείχνει την ένδειξη ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: ΚΑΡΙΟΦΥΛΛΗ ΡΑΝΙΑ 1
Αν θέλουμε μπορούμε να επαναλάβουμε τη δραστηριότητα 4., διατηρώντας ακίνητο το πηνίο και μετακινώντας τον μαγνήτη μέσα και έξω από το πηνίο. Παρατηρούμε ότι ο δείκτης του γαλβανομέτρου κινείται συνεχώς την μια και την άλλη από το μηδέν. Συμπεραίνουμε ότι ηλεκτρικό ρεύμα (επαγωγικό) εμφανίζεται μόνο όταν μεταβάλλεται ο αριθμός των δυναμικών γραμμών που διέρχονται μέσα από το πηνίο. Δηλαδή μόνο όταν μεταβάλλεται το μέγεθος που ονομάζεται. Η φορά του επαγωγικού ρεύματος εξαρτάται από το αν αυξάνεται ή ελαττώνεται η μαγνητική ροή. ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΟ ΜΕΤΡΟ ΚΑΙ ΤΗ ΦΟΡΑ ΤΟΥ ΕΠΑΓΩΓΙΚΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ (ΝΟΜΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΕΠΑΓΩΓΗΣ) Α) 1. Συνδέουμε το πηνίο των 300 σπειρών με το γαλβανόμετρο. Εικόνα 2 Παρατηρούμε ότι ο δείκτης του γαλβανόμετρου δείχνει 2. Στη συνέχεια ωθούμε τον ραβδόμορφο μαγνήτη αργά στο εσωτερικό του πηνίου μέχρι ένα προκαθορισμένο σημείο. Έχουμε στραμμένο προς το πηνίο π.χ. το βόρειο πόλο. Ο δείκτης του γαλβανόμετρου κινείται προς τα (δεξιά, αριστερά). Η απόκλιση του δείκτη είναι (μικρή, μεγάλη) 3. Επαναλαμβάνουμε τη διαδικασία ωθώντας τον μαγνήτη πιο γρήγορα μέσα στο πηνίο. Η απόκλιση του δείκτη του γαλβανομέτρου είναι (μεγαλύτερη, μικρότερη) 4. Εάν επαναλαμβάνουμε την ίδια διαδικασία ωθώντας τον μαγνήτη πιο γρήγορα, παρατηρούμε ότι οι αποκλίσεις του δείκτη του οργάνου συνεχώς Συμπεραίνουμε ότι το επαγωγικό ρεύμα τελικά δεν εξαρτάται αποκλειστικά από την μεταβολή της μαγνητικής ροής, αφού σε όλες τις περιπτώσεις είναι ίδια. Εξαρτάται από το πόσο γρήγορα μεταβάλλεται η μαγνητική ροή. Δηλαδή εξαρτάται από το μέγεθος που ονομάζεται μεταβολής της μαγνητικής ροής. Β) 5. Επαναλαμβάνουμε το βήμα 2 απομακρύνοντας το μαγνήτη από το πηνίο. Ο δείκτης του γαλβανομέτρου κινείται προς την (ίδια, αντίθετη) κατεύθυνση. 6. Επαναλαμβάνουμε το βήμα 2 έχοντας στραμμένο προς το πηνίο το νότιο πόλο. Ο δείκτης του γαλβανομέτρου κινείται προς την (ίδια, αντίθετη) κατεύθυνση. ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: ΚΑΡΙΟΦΥΛΛΗ ΡΑΝΙΑ 2
Συμπεραίνουμε ότι η φορά του επαγωγικού ρεύματος από την φορά κίνησης του μαγνήτη, δηλαδή από την αύξηση ή ελάττωση της μαγνητικής ροής, και την φορά του μαγνητικού πεδίου, η μεταβολή του οποίου έχει αποτέλεσμα την εμφάνιση του επαγωγικού ρεύματος. Γ) 7. Συνδέουμε σε σειρά τα πηνία των 300 σπειρών, 600 σπειρών και 1200 σπειρών με το γαλβανόμετρο. Εικόνα 3. Αφήνουμε τον ραβδόμορφο μαγνήτη να πέσει από ύψος 1-2 cm στο πηνίο των 300 σπειρών και παρατηρούμε την απόκλιση του δείκτη του οργάνου. Κάνουμε το ίδιο και με τα πηνία των 600 και 1200 σπειρών Παρατηρούμε ότι όσο μεγαλύτερος είναι ο των σπειρών του πηνίου τόσο είναι η απόκλιση του δείκτη του οργάνου δηλαδή και η τιμή του επαγωγικού ρεύματος. Άρα το επαγωγικό ρεύμα εξαρτάται από τον αριθμό σπειρών του πηνίου. Αιτία του επαγωγικού ρεύματος είναι η ηλεκτρεγερτική δύναμη (ΗΕΔ) που στην περίπτωση που μελετάμε ονομάζεται ηλεκτρεγερτική δύναμη από επαγωγή. Επαληθεύσαμε με αυτόν τον τρόπο τον νόμο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής: Η ΗΕΔ από επαγωγή εξαρτάται από και από Η φορά της εξαρτάται από ΑΜΟΙΒΑΙΑ ΕΠΑΓΩΓΗ Τοποθετούμε δύο πηνία των 600 σπειρών το ένα δίπλα στο άλλο με τους άξονές τους στην ίδια ευθεία (μαγνητική σύζευξη). Συνδέουμε το πρώτο πηνίο (πρωτεύον) με την μπαταρία τον διακόπτη και αντιστάτη μεταβλητής αντίστασης και το δεύτερο πηνίο (δευτερεύον) με το γαλβανόμετρο Εικόνα 4. Κλείνουμε τον διακόπτη. Παρατηρούμε ότι ο δείκτης του γαλβανομέτρου αποκλίνει στιγμιαία (λίγο, πολύ). Στη συνέχεια η ένδειξη γίνεται Συμπεραίνουμε ότι όταν κλείνουμε τον διακόπτη μεταβάλλεται το ρεύμα που διαρρέει το πρωτεύον πηνίο (αφού ήταν μηδέν και τώρα έχει κάποια τιμή). Έτσι μεταβάλλεται το μαγνητικό πεδίο του πρωτεύοντος πηνίου. Μέσα σε αυτό το μεταβαλλόμενο πεδίο βρίσκεται και το δευτερεύον πηνίο. Από τη μεταβολή λοιπόν της μαγνητικής ροής που συμβαίνει στο δευτερεύον πηνίο και οφείλεται στις μεταβολές του ρεύματος στο πρωτεύον πηνίο, εμφανίζεται επαγωγικό ρεύμα σε αυτό, και ο δείκτης του γαλβανομέτρου αποκλίνει. (φαινόμενο αμοιβαίας επαγωγής) ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: ΚΑΡΙΟΦΥΛΛΗ ΡΑΝΙΑ 3
ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΟ ΜΕΤΡΟ ΤΗΣ ΗΕΔ ΑΠΟ ΑΜΟΙΒΑΙΑ ΕΠΑΓΩΓΗ 1. Περνούμε μεταξύ των δυο πηνίων τον μακρύ πυρήνα και κλείνουμε τον διακόπτη Παρατηρούμε ότι ο δείκτης του γαλβανομέτρου αποκλίνει (περισσότερο, λιγότερο) σε σχέση με πριν. 2. Αντικαθιστούμε στην παραπάνω διάταξη το γαλβανόμετρο με λαμπάκι. Παρατηρούμε ότι το λαμπάκι (ανάβει έντονα, ανάβει αμυδρά, δεν ανάβει) 3. Αφαιρούμε τον μακρύ πυρήνα και τον αντικαθιστούμε με τον πυρήνα σε σχήμα U και βάζουμε από πάνω τον βραχύ πυρήνα. Κλείνουμε τον διακόπτη Παρατηρούμε ότι το λαμπάκι στιγμιαία (ανάβει εντονότερα ή ανάβει αμυδρότερα) σε σχέση με πριν (ΒΗΜΑ 2) Αυτό συμβαίνει γιατί τώρα λόγω του σχήματος του πυρήνα όλες σχεδόν οι δυναμικές γραμμές του μαγνητικού πεδίου του πρωτεύοντος περνούν και στο δευτερεύον. Άρα έχουμε μεγαλύτερη μαγνητική ροή σε σχέση με πριν. Έτσι το επαγωγικό ρεύμα στο δευτερεύον, που οφείλεται στη μεταβολή της μαγνητικής ροής, είναι μεγαλύτερο. Αυτό σημαίνει ότι η ΗΕΔ από αμοιβαία επαγωγή εξαρτάται από το τι υπάρχει στο εσωτερικό των πηνίων. Ανοίγουμε τον διακόπτη. Πότε το λαμπάκι φωτοβολεί εντονότερα; Κατά το άνοιγμα ή το κλείσιμο του διακόπτη; Το λαμπάκι φωτοβολεί εντονότερα κατά το του διακόπτη γιατί ο χρόνος διακοπής του ρεύματος είναι αισθητά μικρότερος. 5. Μετακινούμε τον δρομέα της μεταβλητής αντίστασης και παρατηρούμε ότι στη διάρκεια της μετακίνησης το λαμπάκι (ανάβει, δεν ανάβει) Επαναλαμβάνουμε μερικές φορές το πείραμα, προκαλώντας την ίδια μετακίνηση του δρομέα σε χρονικά διαστήματα όλο και μικρότερα. Παρατηρούμε ότι όσο πιο γρήγορα γίνεται η μεταβολή του ρεύματος, τόσο πιο φωτοβολεί ο λαμπτήρας. Εναλλακτικά μπορούμε στη θέση του λαμπτήρα να τοποθετήσουμε αμπερόμετρο και να διαβάζουμε την ένδειξή του. Αυτό σημαίνει ότι όσο πιο απότομα μεταβάλλεται το ρεύμα στο πρωτεύον, τόσο μεγαλύτερο ρεύμα περνά από το δευτερεύον άρα και μεγαλύτερη ΗΕΔ από αμοιβαία επαγωγή. Άρα η ΗΕΔ από αμοιβαία επαγωγή εξαρτάται από το ρυθμό μεταβολής του ρεύματος στο πρωτεύον πηνίο. Εάν έχουμε χρόνο μπορούμε: Να αντικαταστήσουμε το πηνίο των 600 σπειρών του πρωτεύοντος με πηνίο 300 σπειρών Να αντικαταστήσουμε τα πηνία με άλλα διαφορετικής διαμέτρου και μήκους Να μεταβάλλουμε την σχετική θέση των πηνίων και να δείξουμε έτσι ότι η ΗΕΔ από επαγωγή εξαρτάται και από τον αριθμό σπειρών από τα γεωμετρικά στοιχεία των πηνίων και την σχετική τους θέση. Επαληθεύουμε επομένως τον νόμο της αμοιβαίας επαγωγής που λέει: ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: ΚΑΡΙΟΦΥΛΛΗ ΡΑΝΙΑ 4
Η ΗΕΔ από επαγωγή που αναπτύσσεται στο ένα από τα δυο πηνία που παρουσιάζουν μαγνητική σύζευξη εξαρτάται από από από από και από ΑΥΤΕΠΑΓΩΓΗ Πραγματοποιούμε την διάταξη της εικόνας 5 Πηνίο 300 σπειρών με πυρήνα, συνδέεται σε σειρά με διακόπτη, πηγή 4,5V ή 9V, μεταβλητή αντίσταση και μιλιαμπερόμετρο. Στα άκρα του πηνίου συνδέεται παράλληλα λαμπτήρας. Κλείνουμε τον διακόπτη και ρυθμίζουμε την αντίσταση ώστε ο λαμπτήρας μόλις να φωτοβολεί. Καταγράφουμε την ένδειξη του αμπερομέτρου. Ανοίγουμε απότομα τον διακόπτη και παρατηρούμε ότι ο λαμπτήρας στιγμιαία έντονα. Καταγράφουμε την στιγμιαία ένδειξη του αμπερομέτρου. Συμπεραίνουμε ότι το απότομο άνοιγμα του διακόπτη προκάλεσε γρήγορη μεταβολή μαγνητικής ροής που είχε σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία ΗΕΔ. Αυτή με τη σειρά της προκάλεσε ηλεκτρικό ρεύμα στο κύκλωμα του σωληνοειδούς. Αυτό το επαγωγικό ρεύμα έκανε το λαμπάκι να φωτοβολήσει στιγμιαία. ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: ΚΑΡΙΟΦΥΛΛΗ ΡΑΝΙΑ 5