Ćwiczenie 16 v
advertisement
Ćwiczenie 16 Pole magnetyczne i transformator XX LO wersja V.15 Co powinieneś wiedzieć przed rozpoczęciem wykonywania ćwiczenia: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Co to jest pole magnetyczne? Jak je wytworzyć? Co to jest ferromagnetyk Jakie siły działa ją w polu magnetycznym? Co to jest wektor indukcji pola magnetycznego? Jak działają na siebie dwa przewodniki w których płynie prąd? Co to jest elektromagnes? Co to jest transformator i do czego służy? Lista przyrządów: 1. 2. 3. 4. 5. 6. Zasilacz prądu stałego i zmiennego (nowy) Elektromagnes Transformator rozbieralny Zestaw do pokazu linii pola magnetycznego Przyrząd do pokazu oddziaływania przewodników z prądem Przewody, mierniki, krokodylki Opis ćwiczenia. Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze sposobami wytwarzania pola magnetycznego, jego właściwościami oraz z właściwościami siły elektrodynamicznej. Zapoznasz się tu także z zasadą działania elektromagnesu i transformatora. Pole magnetyczne jest to obszar, w którym działają siły magnetyczne. Występuje ono w dwóch rodzajach: albo w pobliżu magnesów, albo (co znacznie bardziej pożyteczne) w pobliżu przewodników, w których płynie prąd. Ten drugi sposób wytwarzania pola magnetycznego ma bardzo szerokie zastosowania w technice. Linie pola magnetycznego są przedstawione na rysunku obok. W obszarze wokół magnesu biegną one zawsze od bieguna północnego (N) do południowego (S). Wzdłuż tych linii możemy narysować wektor indukcji pola magnetycznego. Wielkością fizyczną, która mówi nam "jak silne" jest pole magnetyczne w danym punkcie jest wektor indukcji pola magnetycznego. W polu magnetycznym działają dwie siły: siła Lorentza siła elektrodynamiczna. Siła Lorentza działa na naładowaną cząstkę, która porusza się w polu magnetycznym (nią nie będziemy się dziś zajmować). Siła elektrodynamiczna jest to siła, która działa na przewodnik z prądem znajdujący siew polu magnetycznym. Jest ona wyrażona wzorem : gdzie: - B to wektor indukcji pola magnetycznego (informuje nas jak silne jest pole magnetyczne w danym miejscu) - I to natężenie prądu - l to długość przewodnika - α jest kątem między kierunkiem przepływu prądu a kierunkiem linii pola magnetycznego. Jak widać aby siła elektrodynamiczna była różna od 0 w przewodniku, który znajduje się w polu magnetycznym, musi płynąć prąd, ale także musi on znajdować się pod odpowiednim kątem w stosunku do linii pola magnetycznego, aby sinus kąta ni był równy 0. Ferromagnetyk jest to substancja, która pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego staje się magnesem. Ferromagnetykiem jest żelazo. Elektromagnes (patrz rysunek) to urządzenie wytwarzające pole magnetyczne w wyniku przepływu przez nie prądu elektrycznego. Zbudowany jest z cewki(zwojnicy) nawiniętej zazwyczaj na rdzeniu ferromagnetycznym. Pole magnetyczne wytwarzane przez elektromagnes wzrasta przy wzroście natężenia prądu elektrycznego płynącego przez cewkę. Pole magnetyczne zanika, gdy prąd przestaje płynąć. Transformator to urządzenie zmieniające napięcie i natężenie prądu zmiennego przy zachowaniu jego częstotliwości. Składa sie z rdzenia ferromagnetycznego oraz dwóch uzwojeń: pierwotnego, które jest podłączone do źródła prądu, i wtórnego, które jest podłączone do odbiornika. Przy założeniu braku strat energii moc dostarczona do uzwojenia pierwotnego jest równa mocy przekazanej do uzwojenia wtórnego. Ilość zwojów na uzwojeniu pierwotnym i wtórnym decyduje o tym, w jaki sposób transformator zmieni napięcie i natężenie prądu: Wielkości oznaczone indeksem 1 oznaczają uzwojenie pierwotne, a 2 - uzwojenie wtórne. Z tego wzoru wynika, że gdy na uzwojeniu wtórnym zwojnica ma np. dwa razy więcej zwojów niż na uzwojeniu pierwotnym to napięcie wzrośnie dwukrotnie a natężenie prądu zmaleje dwukrotnie. W tym ćwiczeniu zadaniem będzie budowa prostego elektromagnesu, oraz dzwonka, jako prostego przykładu zastosowania elektromagnesu. W drugiej części ćwiczenia celem jest zapoznanie się z zasadą działania transformatora. Pamiętaj, aby każdorazowo przed włączaniem zasilania skontaktować się z nauczycielem. Przebieg ćwiczenia: 1. Elektromagnes. on Najlepszym przykładem wykorzystania pola magnetycznego wytwarzanego przez przewodnik z prądem jest elektromagnes. Złącz ze sobą obie części elektromagnesu i podłącz je do napięcia kilku woltów. Następnie spróbuj je rozdzielić. Teraz zbuduj samodzielnie elektromagnes. Aby zbudować elektromagnes w najprostszej wersji, należy do zwojnicy podłączyć prąd stały. Umieszczenie wewnątrz zwojnicy rdzenia ferromagnetycznego spowoduje wzmocnienie pola elektromagnetycznego. W pobliżu tak zbudowanego elektromagnesu umieść igłę magnetyczną i obserwuj jej zachowanie. Sprawdź, czy taki elektromagnes przyciąga metale (np.. klucze). Sprawdź, jak mocno działa elektromagnes w zależności od ilości zwojów. 2. Pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem. Zbuduj obwód prądu stałego, w którym popłynie prąd o natężeniu od ok. 2A. Wykorzystaj zasilacz, opornik o oporze kilku omów, amperomierz oraz przewody. Obwód powinien być zbudowany w taki sposób, aby można było zmieniać natężenie prądu. Pamiętaj, że jeżeli natężenie prądu będzie zbyt duże, wówczas bezpiecznik w zasilaczu nie dopuści do przepływu prądu. Przed pierwszym włączeniem prądu skontaktuj się z nauczycielem !!! Aby pole magnetyczne wytworzone przez prąd było odpowiednio silne, a jego skutki widoczne w naszych doświadczeniach, prąd, który będziemy podłączać do przewodów musi mieć odpowiednio wysokie natężenie. Przyrządami demonstracyjnymi: kwadratowa ramka, pierścień wykonany z przewodnika, oraz zwojnica. W ćwiczeniu należy użyć grubszych przewodów oraz "krokodylków", ponieważ cieńsze przewody przy tak dużym natężeniu mogą ulec spaleniu. Sporządź dokumentację fotograficzną, w jaki sposób drobinki żelaza układają się wokół przewodników. Przed pierwszym włączeniem prądu skontaktuj się z nauczycielem. 3. Jak działają na siebie dwa przewodniki w których płynie prąd Przyrząd do wzajemnego oddziaływania przewodników należy odpowiednio przygotować do doświadczenia. Najpierw musisz przygotować cienkie paski folii aluminiowej (im cieńsze tym lepiej) i umieścić je w odpowiednich zaciskach równolegle do siebie. Powinny one być jak najbliżej siebie, ale nie powinny się dotykać. Gdy przyrząd jest przygotowany należy podłączyć go do układu zasilającego. Efekt przyciągania lub odpychania będzie widoczny, gdy przez obwód popłynie prąd o natężeniu kilku amperów. Należy więc odpowiednio przygotować układ zasilający. Przed pierwszym włączeniem prądu skontaktuj się z nauczycielem. Doświadczenie należy przeprowadzić dla dwóch przypadków: gdy prądy w paskach aluminiowych płyną w tą samą stronę oraz gdy płyną w przeciwne strony. 4.Transformator. a. Jaki prąd należy podłączyć do transformatora? Na rdzeń w kształcie litery U zamontuj dwie cewki o jednakowej ilości zwojów. Uzwojenie pierwotne podłącz prądu stałego. Do uzwojenia wtórnego podłącz żarówkę i amperomierz. Amperomierz powinien wskazywać 0 a żarówka nie powinna świecić, ponieważ podłączony został prąd stały. Teraz podłącz prąd zmienny Pamiętaj, aby napięcie nie było zbyt wysokie, aby nie przepalić żarówki.. Żarówka powinna świecić. b. Zmiana napięcia prądu. Zmieniaj teraz kolejno ilości zwojów na uzwojeniach i sprawdzaj jak zmienia się napięcie na uzwojeniu wtórnym. Sprawdź, czy wskazanie jest zgodne z wartością oczekiwaną. Pamiętaj, aby woltomierz podłączać równolegle. Na tej samej zasadzie sprawdź jak zmieniło się natężenie prądu po zmianie uzwojenia wtórnego. Ponownie zmień ilość zwojów na uzwojeniu wtórnym. Wykorzystaj dostępne uzwojenia. Przed włączeniem prądu skontaktuj się z nauczycielem. Wyniki umieść w tabelce. Ilość zwojów Ilość zwojów na na uzwojeniu uzwojeniu pierwotnymi wtórnym n1 n2 Napięcie na uzwojeniu pierwotnym U1 Napięcie na uzwojeniu wtórnym U2 Stosunek napięć U2/U1
