Επίδειξη του φαινομένου της επαγωγής αμοιβαίας επαγωγής με την κλασική μέθοδο Α) Επαγωγή Σύμφωνα με το νόμο του Faraday όταν από ένα πηνίο με Ν σπείρες διέρχεται μαγνητική ροή Φ που μεταβάλλεται με το χρόνο, στους ακροδέκτες του αναπτύσσεται ηλεκτρεγερτική δύναμη (ΗΕΔ) από επαγωγή Ε που είναι ανάλογη του ρυθμού μεταβολής της μαγνητικής ροής: E= N Φ t Το επαγωγικό ρεύμα έχει τέτοια φορά ώστε το μαγνητικό του πεδίο να αντιτίθεται στην αιτία που το προκαλεί. Απαιτούμενα όργανα: Τροφοδοτικό μεταβαλλόμενης συνεχούς τάσης Ένα πηνίο των 300 σπειρών και ένα πηνίο των 1200 σπειρών Γαλβανόμετρο ή ψηφιακό πολύμετρο Κλειστός πυρήνας πηνίων (σχήματος U) Ευθύγραμμος μαγνήτης Διακόπτης τύπου μπουτόν και αγωγοί σύνδεσης ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ: Συνδέουμε το πηνίο των 1200 σπειρών με το γαλβανόμετρο όπως φαίνεται στην παρακάτω φωτογραφία. 1) Πλησιάζουμε και απομακρύνουμε με σχετικά μικρή ταχύτητα τον μαγνήτη προς το πηνίο έτσι ώστε οι άξονές τους να συμπίπτουν. Καταγράφουμε τις παρατηρήσεις μας σχετικά με τις ενδείξεις του γαλβανομέτρου: 2) Πλησιάζουμε και απομακρύνουμε με μεγαλύτερη ταχύτητα τον μαγνήτη προς το πηνίο έτσι ώστε οι άξονές τους να συμπίπτουν. Καταγράφουμε τις παρατηρήσεις μας σχετικά με τις ενδείξεις του γαλβανομέτρου: 1
3) Τι συμπέρασμα βγάζουμε από την σύγκριση των ενδείξεων του γαλβανόμετρου για μικρή και μεγάλη ταχύτητα κίνησης του μαγνήτη; 4) Αφήνουμε ακίνητο τον μαγνήτη κοντά και μέσα στο πηνίο. Καταγράφουμε τις παρατηρήσεις μας σχετικά με τις ενδείξεις του γαλβανομέτρου: 5) Κρατάμε ακίνητο τον μαγνήτη και μετακινούμε το πηνίο προς και από τον μαγνήτη. Καταγράφουμε τις παρατηρήσεις μας σχετικά με τις ενδείξεις του γαλβανομέτρου. Τι συμπεραίνουμε; Β) Αμοιβαία επαγωγή Προσαρμόζουμε τα δύο πηνία των 300 και των 1200 σπειρών στη βάση κλειστού πυρήνα πηνίων και κατασκευάζουμε το κύκλωμα της παρακάτω φωτογραφίας συνδέοντας το πηνίο των 1200 σπειρών με το γαλβανόμετρο και το πηνίο των 300 σπειρών μέσω του διακόπτη μπουτόν με το τροφοδοτικό συνεχούς τάσης ρυθμισμένο σε συνεχή τάση περίπου 1,5V. 1) Κλείνουμε τον διακόπτη και διαβάζουμε τη στιγμιαία ένδειξη του γαλβανομέτρου, τι συμπεραίνουμε; 2) Στη συνέχεια ανοίγουμε τον διακόπτη και διαβάζουμε τη στιγμιαία ένδειξη του γαλβανομέτρου, τι συμπεραίνουμε από το πρόσημο της σε σχέση με το αντίστοιχο παρατηρούμενο ρεύμα κατά το κλείσιμο του διακόπτη; 3) Τι θα περιμένατε αν τα δύο πηνία δεν ήταν μέσα στον κοινό πυρήνα αλλά κοντά το ένα στο άλλο έτσι οι άξονές τους να συμπίπτουν; 2
Γ) Επίδειξη του φαινομένου της επαγωγής με την χρήση του Συστήματος Συγχρονικής Λήψης και Απεικόνισης (ΣΣΛΑ) δεδομένων logger Pro της Vernier Η πειραματική διάταξη αποτελείται από ένα πηνίο 24000 σπειρών και ένα ραβδόμορφο μαγνήτη που μπορούμε να τον κινούμε ευθύγραμμα με το χέρι, κατά τη μήκος του άξονα του πηνίου. Για να το πετύχουμε αυτό κινούμε τον μαγνήτη σε επαφή με ένα κομμάτι χαρτονιού που έχουμε ευθυγραμμίσει στη διεύθυνση του άξονα του πηνίου. Καθώς ο μαγνήτης πλησιάζει ή απομακρύνεται από το πηνίο, το μαγνητικό πεδίο μέσα στο οποίο βρίσκεται το πηνίο μεταβάλλεται χρονικά και προκαλείται ΗΕΔ από επαγωγή Ε=-Ν.ΔΦ/Δt. 1) Συνδέουμε το ΣΣΛΑ Vernier με τον Η/Υ και στην συνέχεια συνδέουμε τους αισθητήρες τάσης και μαγνητικού πεδίου στις κατάλληλες θύρες του καταγραφέα Vernier. Ο αισθητήρας τάσης συνδέεται στα άκρα του πηνίου των 24000 σπειρών ενώ ο αισθητήρας του μαγνητικού πεδίου τοποθετείται στο εσωτερικό του πηνίου όπως φαίνεται στις παρακάτω φωτογραφίες. Αισθητήρας μαγνητικού πεδίου Αισθητήρας τάσης 3
2) Ανοίγουμε το λογισμικό Logger Pro του Vernier και ρυθμίζουμε την συχνότητα λήψης των δεδομένων σε 1 sample ανά 0,005 sec. 4
3) Μηδενίζουμε με το «Zero» του Logger Pro τις ενδείξεις των αισθητήρων και στη συνέχεια πιέζουμε το «Collect» προκειμένου να γίνει η καταγραφή των δεδομένων και κινούμε τον μαγνήτη κατά μήκος του άξονα του πηνίου (πλησιάζουμε ακινητοποιούμε απομακρύνουμε ακινητοποιούμε πλησιάζουμε κτλ) με διαφορετική κάθε φορά ταχύτητα. Οι μετρήσεις των αισθητήρων καθώς και οι γραφικές παραστάσεις των αποτελεσμάτων εμφανίζονται αμέσως στην οθόνη του Η/Υ. Απομακρύνουμε τον μαγνήτη Πλησιάζουμε τον μαγνήτη Ακίνητος μαγνήτης Πλησιάζουμε ταχύτερα τον μαγνήτη Παρατηρούμε ότι: η μεταβολή της μαγνητικής ροής στο εσωτερικό του πηνίου, πλησιάζοντας ή απομακρύνοντας τον μαγνήτη, συνοδεύεται από την εμφάνιση επαγωγικής τάσης στα άκρα του πηνίου. η πολικότητα της επαγωγικής τάσης αλλάζει ανάλογα με το εάν πλησιάζουμε ή απομακρύνουμε τον μαγνήτη. όταν ο μαγνήτης είναι ακίνητος τότε η τάση στα άκρα του πηνίου είναι μηδενική. όσο πιο σύντομη είναι η μεταβολή της μαγνητικής ροής, δηλ. όσο πιο γρήγορα κινείται ο μαγνήτης, τόσο μεγαλύτερη είναι η τάση στα άκρα του πηνίου. 5
Κανόνας του Lenz Ο κανόνας του Lenz αναφέρει ότι η πολικότητα της επαγωγικής τάσης που αναπτύσσεται σε ένα κύκλωμα είναι τέτοια ώστε να δημιουργεί ρεύμα το οποίο παράγει μαγνητική ροή κατά την φορά που αντιτίθεται στην μεταβολή της μαγνητικής ροής που διαπερνά τον βρόγχο του κυκλώματος. Συνοψίζεται στην πρόταση: τα επαγωγικά ρεύματα έχουν τέτοια φορά ώστε να αντιτίθενται στο αίτιο που τα προκαλεί και στηρίζεται στην αρχή διατήρησης της ενέργειας. Απαιτούμενα όργανα: Τροφοδοτικό μεταβαλλόμενης συνεχούς τάσης Ένα πηνίο των 300 σπειρών Μεταλλικό χωρίς εγκοπή δακτύλιο και μεταλλικό δακτύλιο με εγκοπή Κλειστός πυρήνας πηνίων (σχήματος U) και μακρύς πυρήνας Διακόπτης τύπου μπουτόν και αγωγοί σύνδεσης ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ: Προσαρμόζουμε το πηνίο των 300 σπειρών στη βάση κλειστού πυρήνα πηνίων, βιδώνουμε τον μακρύ πυρήνα μέσα από το οποίο περνάμε το μεταλλικό χωρίς εγκοπή δακτύλιο και κατασκευάζουμε το κύκλωμα της παρακάτω φωτογραφίας συνδέοντας το πηνίο των 300 σπειρών μέσω του διακόπτη μπουτόν με το τροφοδοτικό συνεχούς τάσης ρυθμισμένο σε τάση περίπου 18V. 1) Έχοντας θέσει το τροφοδοτικό σε λειτουργία πατήστε το μπουτόν. Τι παρατηρείτε να συμβαίνει στο δακτύλιο; Δώστε μια εξήγηση:.... 2) Επαναλαμβάνουμε χρησιμοποιώντας τώρα τον μεταλλικό δακτύλιο με την εγκοπή. Παρατηρείται κίνηση του δακτυλίου κατά την κλείσιμο του διακόπτη; Που οφείλεται η διαφορά σε σχέση με πριν; Σε αυτή την περίπτωση αναπτύσσεται στον δακτύλιο επαγωγική τάση; 6