doświadczenie - Gimnazjum nr 3 w Nysie
advertisement
DOŚWIADCZENIE: „Co to jest indukcja elektrostatyczna – czyli dlaczego dioda świeci?” Pracę wykonali: Patryk Babula Jakub Dumanowski uczniowie kl. II a Zespół nr 1 Gimnazjum nr 3 w Nysie CO TO JEST INDUKCJA ELEKTROMAGNETYCZNA? Zjawisko indukcji elektromagnetycznej polega na pojawianiu się w obwodzie siły elektromotorycznej SEM podczas przemieszczania się względem siebie obwodu i źródła pola magnetycznego. Wyidukowana siła elektromotoryczna powoduje pojawienie się w obwodzie magnetycznego prądu indukcyjnego. Zjawisko to zostało odkryte w 1831 roku przez angielskiego fizyka Michała Faradaya Potrzebne do doświadczenia: -cewka bezrdzeniowa (nr 1) -rdzeń stalowy (nr 2) -izolowany drut miedziany -żaróweczka 3V, 20 mA -zasilacz prądu zmiennego (o napięciu ok. ≈12 V) nr 1 nr 2 OPIS PRZEBIEGU DOŚWIADCZENIA na rdzeń stalowy nawijamy izolowany drut miedziany (powstaje cewka z rdzeniem ferromagnetycznym nr 2) na końcach uzwojenia cewki nr 2 podłączamy żaróweczkę cewkę nr 1 (bezrdzeniową) podłączamy do zasilacza prądu zmiennego o napięciu ok. ≈12 V do bezrdzeniowej cewki nr 1 powoli wkładamy i wyjmujemy cewkę nr 2 z rdzeniem stalowym i podłączoną diodą OBSERWACJA: gdy wkładamy cewkę nr 2, zaczyna świecić żaróweczka podłączona do końców uzwojeń tej cewki, mimo tego, że żaróweczka nie jest zasilana z żadnego źródła, gdy wyjmujemy cewkę – żarówka zaczyna gasnąć. WNIOSKI: Bezrdzeniowa cewka nr 1, zasilana napięciem zmiennym ( ≈12 V ) wytwarza zmienne pole magnetyczne. Na skutek ruchu przewodnika nawiniętego na rdzeń (cewki nr 2), w zmiennym polu magnetycznym wytwarzanym przez cewkę nr 1, obserwujemy zjawisko indukcji elektromagnetycznej, czego skutkiem jest świecenie żarówki. W wyniku zmian strumienia indukcji magnetycznej w cewce nr 2 (zwojnicy) wzbudza się prąd elektryczny zwany prądem indukcyjnym. Natężenie prądu dla cewki: Dla cewki bez rdzenia, dla której długość jest dużo większa niż jej średnica, natężenie pola magnetycznego w środku geometrycznym cewki wynosi: gdzie: H – natężenie pola [A/m], N – liczba zwojów cewki (wielkość bezwymiarowa), I – natężenie prądu elektrycznego płynącego przez cewkę [A], l – długość cewki [m] (w tym przypadku równoznaczna z długością drogi magnetycznej). INTERPRETACJA FIZYCZNA ZJAWISKA INDUKCJI ELEKTROMAGNETYCZNEJ Rozważmy elektron poruszający się w polu magnetycznym z prędkością Ve w kierunku prostopadłym do linii pola magnetycznego o indukcji B. Prąd elektryczny polega na uporządkowanym ruchu elektronów, a kierunek jego przyjęto przeciwny do ruchu elektronów. Ponieważ poruszający się elektron wywołuje zjawisko przepływu prądu Ie, więc pole magnetyczne działa na elektron, poruszający się kierunku prostopadłym do linii sił pola magnetycznego, siłą elektrodynamiczną Fe. Kierunek tej siły można wyznaczyć jako przeciwny do kierunku wyznaczonego regułą lewej dłoni, gdyż elektron ma ładunek elektryczny ujemny. Na każdy elektron poruszany razem z przewodem, działa siła Fe występująca wzdłuż osi przewodu. Pod wpływem tej siły elektrony zostają przesunięte na koniec A przewodu i tam powstaje potencjał ujemny, na drugim zaś końcu B występuje potencjał dodatni, wytworzony przez niezrównoważone jony dodatnie nie mające możliwości poruszania się w obrębie przewodu. Ta różnica potencjałów na końcach przewodu AB wyznacza SEM (siłę elektromotoryczną) powstałą w tym przewodzie o kierunku od A do B. Otrzymana siła elektromotoryczna, występująca między końcami tego przewodu, w czasie jego ruchu w polu magnetycznym, nazywa się siłą elektromotoryczną indukcji. Prawo indukcji Faradaya mówi, że siła elektromotoryczna SEM indukowana w obwodzie jest równa zmianie szybkości strumienia magnetycznego Φ przechodzącego przez ten obwód. Zależność tą można przedstawić w postaci równania: E = -d Φ/dt. Znak minus dotyczy kierunku siły elektromotorycznej. Kierunek prądu indukcyjnego określa reguła Lenza. Mówi ona, że prąd indukcyjny (nazywany też prądem wtórnym) wzbudzony w przewodniku pod wpływem zmiennego pola magnetycznego, ma zawsze taki kierunek, że wytworzone przez niego wtórne pole magnetyczne przeciwdziała przyczynie (zmianie pierwotnego pola magnetycznego), która go wywołała. W praktyce kierunek ten można wyznaczyć za pomocą tzw. reguły prawej dłoni: Jeżeli prawa dłoń ustawimy tak, aby linie sił pola padały na dłoń, a duży palec (kciuk) wskazywał kierunek ruchu przewodu, to pozostałe cztery palce wskażą kierunek indukowanej w przewodzie siły elektromotorycznej. dziękujemy za uwagę!
