• Μαγνητική βελόνα που μπορεί να στρέφεται γύρω από κατακόρυφο άξονα
• πηγή DC ρεύματος
• οριζόντιος αγωγός
• μονωτική βάση

Διαδικασία:

• Τοποθετείστε παράλληλα στον αγωγό τη μαγνητική  βελόνα που ισορροπεί κάθετα τη διεύθυνση βορρά-νότου πάνω στον άξονά της, στον ίδιο με τον αγωγό κατακόρυφο επίπεδο.
• Συνδέστε τα άκρα του αγωγού με την πηγή τροφοδοσίας έτσι ώστε να διαρρέεται από ρεύμα. Παρατηρούμε ότι η βελόνα εκτρέπεται και ισορροπεί σε μια νέα θέση. Γιατί συμβαίνει αυτό;
• Διακόψτε την τροφοδοσία του αγωγού. Παρατηρούμε ότι η βελόνα γυρίζει πάλι στην αρχική της θέση. Γιατί συμβαίνει αυτό;
• Διαβιβάστε στον αγωγό ρεύμα αντίθετης φοράς. Παρατηρούμε ότι η βελόνα εκτρέπεται αντίθετα προς την αρχική της εκτροπή.
• Αυξήστε την ένταση του ρεύματος που διαρρέει τον αγωγό. Παρατηρούμε ότι αυξάνεται η εκτροπή της βελόνας, όχι όμως ανάλογα.

Εξήγηση:

Το πείραμα αυτό εκτελέστηκε για πρώτη φορά από τον Oersted (1820). Όταν ένας αγωγός διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα δημιουργεί στο χώρο γύρω του μαγνητικό πεδίο. Μπορούμε να πιστοποιήσουμε την ύπαρξη του μαγνητικού πεδίου με μια μαγνητική βελόνα. Αν την πλησιάσουμε κοντά σε έναν αγωγό που διαρρέεται από ρεύμα, θα παρατηρήσουμε ότι αποκλίνει από τη θέση της ισορροπίας της. Αυτό σημαίνει ότι ασκούνται πάνω της μαγνητικές δυνάμεις.

Πλαστική βάση με μεταλλική ακίδα στην κορυφή της

Αλουμινένια διάταξη με δυο κυκλικούς δακτύλιους εκ των οποίων ο ένας διαθέτει εγκοπή

Ραβδόμορφος ισχυρός μαγνήτης

Διαδικασία:

Τοποθετούμε την διάταξη πάνω στην πλαστική βάση και ηρεμούμε το σύστημα. Πλησιάζουμε τον μαγνήτη και τον μετακινούμε εντός ενός δακτυλίου. Παρατηρούμε ότι αν ο δακτύλιος είναι αυτός με την εγκοπή η διάταξη παραμένει ακίνητη αλλιώς παρατηρούμε ότι ο μαγνήτης απωθεί την διάταξη. Γιατί συμβαίνει αυτό;

Εξήγηση:

Πλησιάζοντας το βόρειο πόλο του μαγνήτη, η μαγνητική ροή που περνάει από το δακτύλιο αυξάνεται και στο δακτύλιο εμφανίζεται επαγωγικό ρεύμα.

$I_{E\Pi}=\frac{E_{E\Pi}}{R}$  $E_{E\Pi}=-\frac{\Delta\Phi}{\Delta t}$

Η φορά του ρεύματος σύμφωνα με τον κανόνα του Lenz, θα είναι τέτοια ώστε να αντιτίθεται στην αιτία που το προκάλεσε, να εμποδίζει δηλαδή το βόρειο πόλο του μαγνήτη να πλησιάσει. Αυτό σημαίνει ότι ο δακτύλιος θα συμπεριφέρεται σαν ένας μικρός «μαγνήτης» του οποίου ο βόρειος πόλος είναι απέναντι από το βόρειο πόλο του ραβδόμορφου μαγνήτη με συνέπεια να αναπτυχθούν απωστικές δυνάμεις  ανάμεσα στον μαγνήτη και τον δακτύλιο.

]]> http://phys-exp.physics.uoi.gr/?feed=rss2&p=288 0 http://phys-exp.physics.uoi.gr/?p=294 http://phys-exp.physics.uoi.gr/?p=294#comments Sat, 14 Jun 2014 10:52:22 +0000 http://pml.physics.uoi.gr/wordpress/?p=294 Διάταξη:

• Αλουμινένια βάση στήριξης
• Αιωρούμενος ευθύγραμμος αγωγός
• Μαγνήτης μεταβλητής απόστασης
• Δύο επίπεδοι μαγνητικοί πόλοι από σίδηρο
• Επίπεδο εκκρεμές από αλουμίνιο και εκκρεμές με σχισμές
• Αιωρούμενη γυάλινη ράβδο και ράβδο από αλουμίνιο
• Πηνίο τριών σπειρών προσαρμοσμένο σε ένα μοτέρ
• Πηγή τροφοδοσίας

Διαδικασία:

1. Τοποθετείστε το μαγνήτη μεταβλητής απόστασης κατακόρυφα στη βάση στήριξης και κρεμάμε τον ευθύγραμμο αγωγό. Συνδέστε τα άκρα του αγωγού με την πηγή τροφοδοσίας (I_max=6 A). Παρατηρείτε ότι όταν ο αγωγός τροφοδοτείται με ηλεκτρικό ρεύμα αποκλίνει από τη θέση ισορροπίας του. Γιατί συμβαίνει αυτό;
2. Αφαιρέστε τον αγωγό και τοποθετήστε το μαγνήτη μεταβλητής απόστασης οριζόντια στη βάση στήριξης. Κρεμάστε το επίπεδο εκκρεμές και το εκκρεμές με τις σχισμές έτσι ώστε να βρίσκονται εντός του μαγνητικού πεδίου και στη συνέχεια εκτρέψτε τα από τη θέση ισορροπίας τους. Παρατηρούμε ότι το επίπεδο εκκρεμές ακινητοποιείται γρήγορα ενώ αυτό με τις σχισμές συνεχίζει να ταλαντώνεται για μεγαλύτερο χρόνο. Γιατί συμβαίνει αυτό;
3. Κρεμάστε ανάμεσα στους πόλους του μαγνήτη διαδοχικά την γυάλινη ράβδο και τη ράβδο από αλουμίνιο. Παρατηρούμε ότι η γυάλινη ράβδος στρέφεται αρχικά προς μια κατεύθυνση και στη συνέχεια προς την αντίθετη, ενώ η ράβδος από αλουμίνιο στρέφεται πολύ αργά και τελικά ευθυγραμμίζεται με το μαγνητικό πεδίο. Γιατί συμβαίνει αυτό;
4. Τοποθετείστε το πηνίο εντός του μαγνητικού πεδίου. Συνδέστε τους ακροδέκτες με τάση τροφοδοσίας (V_max=6V, I_max=6A) και στρέψτε λίγο το αρχικά με το χέρι μέχρι να αρχίσει να περιστρέφεται μόνο του. Που οφείλεται η περιστροφή του; Αυξήστε την ένταση του ρεύματος που διαρρέει το πηνίο. Τι παρατηρείτε;

Εξήγηση:

Όταν ένα τμήμα l ενός αγωγού ο οποίος διαρρέεται από ρεύμα Ι βρεθεί εντός μαγνητικού πεδίου $\vec{B}$ θα ασκηθεί πάνω του δύναμη από το πεδίο η οποία είναι ίση με $\vec{F}=I~\vec{l}\times\vec{B}$ (δύναμη Lorentz). Αυτή προκαλεί την κίνηση του αγωγού.

Σε μεταλλικές επιφάνειες που κινούνται σε μαγνητικό πεδίο επάγονται ρεύματα που κυκλοφορούν μέσα στον όγκο του υλικού. Επειδή οι εικόνες ροής τους μοιάζουν με δίνες που δημιουργούνται σε ποτάμι ονομάζονται δινορεύματα. Στο επίπεδο εκκρεμές, λόγω των δινορευμάτων που δημιουργούνται ασκείται μαγνητική δύναμη από το πεδίο που σύμφωνα με τον κανόνα του Lenz αντιτίθεται στην κίνησή του. Η αλληλεπίδραση των δινορευμάτων με το πεδίο προκαλεί «φρενάρισμα» του δίσκου. Στην περίπτωση του εκκρεμούς με τις σχισμές τα δινορεύματα είναι πολύ ασθενή διότι εξαιτίας των σχισμών του πλαισίου μικρότερη επιφάνεια σε σχέση με το επίπεδο πλαίσιο βρίσκεται εντός του μαγνητικού πεδίου.

Παρόλο που ούτε η γυάλινη ράβδος, ούτε η αλουμινένια δεν είναι σιδηρομαγνητικά υλικά και οι δύο αλληλεπιδρούν με το μαγνητικό πεδίο. Η γυάλινη ράβδος έχει σχετική μαγνητική διαπερατότητα μ_r=0.99999, $\mu_{r}\prec1~$ , ($\mu_{r}=\frac{\mu}{\mu_{0}}$ όπου μ είναι η μαγνητική διαπερατότητα του υλικού και μ₀ του κενού) και συνεπώς ανήκει στην κατηγορία των διαμαγνητικών υλικών τα οποία όταν τοποθετηθούν μέσα σε μαγνητικό πεδίο προκαλούν ελάττωση της έντασής του σε αυτά. Έτσι είναι σαν να τοποθετούμε μέσα στο μαγνητικό πεδίο έναν μαγνήτη με πολύ μικρή ένταση μαγνητικού πεδίου και με την φορά των πόλων του αντίθετη σε αυτή του μαγνητικού πεδίου. Στην άλλη περίπτωση η ράβδος από αλουμίνιο έχει μαγνητική διαπερατότητα μ_r=1.000023, $\mu_{r}\succ1~$ και ανήκει στην κατηγορία των παραμαγνητικών υλικών τα οποία όταν τοποθετηθούν  εντός μαγνητικού πεδίου προκαλούν μικρή αύξηση της έντασής του. Έτσι είναι σαν να τοποθετούμε μέσα στο μαγνητικό πεδίο ένα μαγνήτη με πολύ μικρή ένταση μαγνητικού πεδίου και με την φορά των πόλων του  ίδια με αυτή του μαγνητικού πεδίου.

Καθώς το πηνίο διαρρέεται από ρεύμα και βρίσκεται εντός μαγνητικού πεδίου ασκείται πάνω του δύναμη Lorentz η οποία προκαλεί την περιστροφή του πηνίου και η οποία είναι ανάλογη με την ένταση ρεύματος Ι που το διαρρέει.

• πηνίο
• γαλβανόμετρο
• 3 καλώδια πολλαπλής σύνδεσης
• μαγνήτης
• 

Διαδικασία:

• Συνδέστε τα άκρα το πηνίου με τους ακροδέκτες του γαλβανόμετρου.
•  Πλησιάστε το μαγνήτη στο σωληνοειδές, εισάγοντας ένα μέρος του στο εσωτερικό του. Τι παρατηρείτε στην ένδειξη του γαλβανόμετρου;
• Ακινητοποιήστε  το μαγνήτη σε κάποια θέση μέσα ή έξω από το πηνίο. Τι παρατηρείτε στην ένδειξη του γαλβανόμετρου;
• Επαναλάβετε τις διαδικασίες 1-3 εστιάζοντας την προσοχή σας στην κατεύθυνση προς την οποία εκτρέπεται η βελόνα του γαλβανόμετρου σε κάθε περίπτωση.
• Κινείστε το μαγνήτη παλινδρομικά μέσα στο πηνίο. Τι παρατηρείτε;
• Τοποθετείστε το ένα άκρο του μαγνήτη κοντά στο ένα άκρο του πηνίου έξω από αυτό  και διατηρείστε τον ακίνητο.
• Ωθείστε το μαγνήτη πολύ αργά στο εσωτερικό του πηνίου, μέχρι ένα καθορισμένο σημείο και καταγράψτε την ένδειξη του γαλβανομέτρου.
• Επαναλάβετε τη διαδικασία 7, αλλά τώρα ωθείστε το μαγνήτη μέχρι το προκαθορισμένο σημείο πιο γρήγορα. Τι παρατηρείτε στην ένδειξη του γαλβανόμετρου;

Εξήγηση:

Η κίνηση του μαγνήτη προς και από το πηνίο, μεταβάλλει χρονικά τη μαγνητική ροή Φ που διέρχεται από αυτό. Οι ενδείξεις τις οποίες καταγράφει το γαλβανόμετρο εξαρτώνται από τις χρονικές μεταβολές της ροής και είναι τόσο μεγαλύτερες όσο μικρότερο είναι το χρονικό διάστημα μέσα στο οποίο γίνεται οι συγκεκριμένες μεταβολές ΔΦ της μαγνητικής ροής . Όσο μεγαλύτερο είναι το χρονικό διάστημα μέσα στο οποίο γίνεται μια ορισμένη μεταβολή της ροής, τόσο ο ρυθμός μεταβολής ΔΦ/Δt είναι μικρότερος. Η ηλεκτρεγερτική δύναμη (τάση από επαγωγή),  η οποία αναπτύσσεται στα άκρα του πηνίου, οφείλεται στη μεταβολή της μαγνητικής ροής που διέρχεται από αυτό. Σύμφωνα με το νόμο του Faraday, αυτή η ηλεκτρεγερτική δύναμη από επαγωγή είναι ανάλογη του ρυθμού μεταβολής ΔΦ/Δt της μαγνητικής ροής.

$E_{\varepsilon\pi\alpha\gamma}=-N\frac{\Delta\Phi}{\Delta t}$

όπου Ν είναι ο αριθμός των σπειρών του πηνίου.

Το αρνητικό πρόσημο (-) εισάγεται λόγω του κανόνα του Lenz, ο οποίος επιβάλει η εμφάνιση της ηλεκτρεγερτικής δύναμης στα άκρα του πηνίου να είναι τέτοια ώστε να αντιτίθεται στο αίτιο που την προκαλεί.