Reguła Lenza

mgr Dorota Narożna

Konspekt ćwiczenia z fizyki w klasie II Zasadniczej Szkoły Zawodowej

Temat ćwiczenia: Warunki wzbudzania prądu indukcyjnego, sprawdzanie słuszności reguły Lenza.

  1. Warunki wzbudzania prądu indukcyjnego.
    1. Opis zestawu doświadczalnego:
      • Magnesy podkowiaste - 1 szt.,
      • Magnesy sztabkowe - 2 szt.,
      • Przewody,
      • Wyłącznik,
      • Opornica suwakowa,
      • Galwanometr,
      • Cewki o różnej liczbie zwoi,
      • Cewka + dwa rdzenie - stalowy i aluminiowy.
    2. Cel i przebieg doświadczenia
      • Cel: zapoznanie się z metodyczną koncepcją lekcji na temat: "Warunki wzbudzania prądu indukcyjnego".
      • Przebieg doświadczenia:
        1. zachowanie się ramki z prądem umieszczonej w polu magnetycznym magnesu podkowiastego,
          • doświadczenie, w którym kilkakrotnie zamykamy i otwieramy obwód,
          • doświadczenie, w którym zmieniamy zwrot wektora indukcji magnetycznej magnesu podkowiastego,
          • doświadczenie, w którym zmieniamy natężenie prądu i kierunek przepływu prądu;
        2. inne metody wzbudzania prądu indukcyjnego:
          • indukcja prądu przy pomocy magnesu;
          • indukcja prądu przez prąd (indukcja wzajemna);
        3. galwanometr - służy do pomiaru bardzo małego natężenia prądu, amperomierz - służy do pomiaru natężenia prądu stałego (amperomierz włącza się do obiegu szeregowo).
    3. Zagadnienia merytoryczne związane z tematem ćwiczenia:
      • Zjawisko indukcji elektromagnetycznej
      • Zjawisko samoindukcji
      • Warunki wzbudzania prądów indukcyjnych
        • zamykanie obwodu elektrycznego,
        • zmiana natężenia prądu i kierunku przepływu prądu w obwodzie pierwotnym,
          Natężenie prądu indukcyjnego rośnie wtedy, gdy zwiększymy szybkość zmian strumienia magnetycznego.
        • zmiana zwrotu wektora indukcji magnetycznej magnesu podkowiastego,
        • oddalanie lub zbliżanie do przewodnika (z galwanometrem) elektromagnesu,
        • oddalanie lub zbliżanie przewodnika w stosunku do elektromagnesu,
        • zmiana odległości między biegunem magnesu i przewodnikiem (z galwanometrem).
    4. Wnioski:
      1. doświadczenie: ramka z prądem umieszczona w polu magnetycznym magnesu podkowiastego;
        Rys 1. Schemat układu elektrycznego służącego do realizacji eksperymentu

        Prostokątna, aluminiowa ramka podłączona do źródła prądu stałego jest umieszczona między biegunami silnego magnesu podkowiastego. Po zamknięciu obwodu prądu pole magnetyczne oddziałuje siłą na przewodnik przez który płynie prąd, wypychając go z pola magnetycznego.
        Kierunek prądu płynącego przez ramkę i zwrot linii pola magnetycznego ulega zmianie poprzez zamianę miejscami biegunów magnesu. Linie pola magnetycznego między biegunami magnesu mają kierunek pionowy i zwrot do góry, prąd przepływa przez przewodnik umieszczony w płaszczyźnie prostopadłej do linii pola magnetycznego. Siła działająca na przewodnik jest prostopadła do przewodnika. Siła ta powoduje ruch przewodnika i nazywa się siłą elektrodynamiczną. Wartość siły elektrodynamicznej zależy od natężenia płynącego w nim prądu, własności pola magnetycznego (ilości magnesów) oraz od długości przewodnika (dłuższej, zwiniętej ramki)
      2. Przy pomocy cewek indukcyjnych można zademonstrować kilka sposobów uzyskiwania prądów indukcyjnych, tj. prądów wzbudzonych przez zmienne pole magnetyczne. Zjawisko to nosi nazwę indukcji elektromagnetycznej, a prąd wzbudzony - prądu indukcyjnego.
    • Indukcja prądu przy pomocy magnesu - Rys.2
      Rys 2.

      Zmienne pole magnetyczne uzyskujemy przez wprawianie w ruch magnesu. Obwód stanowi cewka połączona z galwanometrem. Szybkim ruchem wsuwamy do wnętrza cewki magnes sztabkowy, np. biegunem południowym. Podczas ruchu magnesu wskazówka galwanometru wychyla się w jedną stronę (w lewo). Następnie szybkim ruchem wysuwamy magnes z cewki. Wskazówka wychyli się w przeciwną stronę (w prawo). Włożony do cewki magnes pozostawiony bez ruchu; galwanometr nie wychyla się, a więc nie ma prądu indukcyjnego.
      Stwierdzamy, że kierunek prądu indukcyjnego zależy od kierunku przemieszczania się przewodnika w polu magnetycznym. Powtarzamy doświadczenie obracając magnes biegunami. Galwanometr przy wkładaniu magnesu do cewki i wyjmowaniu go będzie się wychylał w przeciwnych kierunkach aniżeli to miało miejsce poprzednio. Stwierdzamy, że kierunek prądu indukcyjnego zależy od kierunku pola magnetycznego. Wkładając magnes do cewki i wyjmując go z różnymi prędkościami możemy stwierdzić, że wielkość prądu indukcyjnego zależy od prędkości przemieszczania przewodnika w polu magnetycznym.
      Trzymając magnes nie ruchomo poruszamy cewką. Doświadczenie to pokazuje, że nieważne jest, czy poruszamy magnesem czy cewką. Wewnątrz cewki musi zmieniać się pole magnetyczne.
      Wniosek: napięcie elektryczne między końcami cewki utrzymuje się, dopóki zmienia się pole magnetyczne wewnątrz cewki.
    • Indukcja prądu przez prąd (indukcja wzajemna) - Rys 3
      Doświadczenie 1:
      Rys 3.

      Pole magnetyczne może być wzbudzane nie tylko przez magnesy, lecz również i przez przewodniki, przez które płynie prąd elektryczny. Zmienne pole magnetyczne powstaje przy poruszaniu cewki A połączonej ze źródłem prądu. Obwód, w którym wzbudzamy prąd elektryczny, ma włączoną cewkę B. W obwód zawierający cewkę A włączmy prąd z baterii poprzez opornicę. Przybliżamy cewkę A i wsuwamy ją do wnętrza cewki B. Im szybciej wykonujemy ten ruch, tym bardziej wychyli się wskazówka galwanometru. Odsuwamy cewkę A od cewki B; prąd popłynie w przeciwnym kierunku.
      Następnie zmieniamy kierunek prądu w cewce A i powtarzamy przesuwanie i odsuwanie. Podobnie, jak poprzednio, stwierdzamy powstanie prądu indukcyjnego w cewce B. Jeżeli cewkę A z prądem unieruchomimy, prądu indukcyjnego nie ma.
      Doświadczenie 2:
      Zmienne pole magnetyczne możemy także uzyskać przy pomocy cewki, przez którą płynie prąd o zmieniającym się natężeniu (np. w momencie włączania lub wyłączania prądu).
      Nie włączając prądu wstawiamy cewkę A w cewkę B. Następnie włączamy prąd i w momencie włączenia stwierdzamy powstanie prądu indukcyjnego w kierunku takim, jaki był przy zbliżaniu cewek do siebie. Wyłączamy prąd; otrzymujemy prąd indukcyjny o kierunku obserwowanym przy oddalaniu cewek.
      Doświadczenie 3:
      Wprowadzamy cewkę A z przepływającym przez nią prądem do cewki B i oczekujemy, aż wskazówka galwanometru zupełnie się uspokoi. Następnie przesuwamy suwak opornicy wzmacniając lub osłabiając prąd. Widzimy, że przy wzmacnianiu prądu powstaje prąd indukcyjny o tym samym kierunku, jak przy zbliżeniu cewki lub przy włączeniu prądu. Przy osłabieniu prądu, w cewce B powstaje prąd indukcyjny o takim kierunku, jaki otrzymaliśmy przy oddalaniu cewek lub wyłączaniu prądu.
      Doświadczenia 1,2,3 można wykonać z rdzeniem stalowym lub bez niego. (Bez rdzenia objawy są znacznie słabsze. Przy zastosowaniu rdzenia aluminiowego objawy są takie same jak bez rdzenia). Można też w tych doświadczeniach ustawić cewki nieruchomo, poruszać natomiast sam rdzeń stalowy; wystąpi wtedy także zjawisko indukcji.
      Wartość napięcia indukowanego między końcami cewki wzrasta wraz z liczbą zwojów oraz z szybkością i wielkością zmian pola magnetycznego w obrębie cewki. Żelazny rdzeń znacznie zwiększa efekt indukcji elektromagnetycznej.
  2. Sprawdzanie słuszności Reguły Lenza.
    1. Opis zestawu doświadczalnego - Rys 4:
      • 2 pierścienie aluminiowe (w tym jeden przecięty),
      • Obejma do pierścieni,
      • Podstawka z igiełką,
      • 4 (2+2) silne magnesy ferrytowe.
      Rys 4.
    2. Cel i przebieg doświadczenia.
      • Cel: sprawdzanie słuszności Reguły Lenza prostym sposobem
      • Przebieg doświadczenia:
        • Należy ustabilizować (zatrzymać) pierścienie,
        • Powolnym ruchem należy zbliżać do pierścienia zamkniętego magnes ferrytowy,
        • Należy zatrzymać magnes i ustabilizować położenie pierścieni,
        • Powolnym ruchem należy oddalać od pierścienia zamkniętego magnes ferrytowy,
        • Te same czynności należy wykonać w obrębie przeciętego pierścienia aluminiowego.
    3. Zagadnienia merytoryczne związane z tematem ćwiczenia












      Heinrich Friedrich Emil Lenz (1801-1865) fizyk rosyjski pochodzenia niemieckiego, profesor Uniwersytetu w Petersburgu, prowadził prace z dziedziny elektryczności, formułował regułę określającą kierunek prądu indukcyjnego, którą znamy obecnie jako Regułę Lenza

      Reguła Lenza: Prąd indukcyjny ma zawsze taki kierunek, że jego własne pole magnetyczne przeciwdziała zmianom zewnętrznego pola magnetycznego, dzięki którym prąd ten powstał.

      Lub inaczej sformułowana Reguła Lenza:

      Indukowane pole magnetyczne zawsze przeciwstawia się zmianie, która je wywołała.

    4. Wnioski:
      Gdy powolnym ruchem zbliżamy do pierścienia zamkniętego magnes ferrytowy to pierścień się oddala. Natomiast gdy powolnym ruchem oddalamy od pierścienia zamkniętego magnes ferrytowy, to pierścień się cofa. Wykonując te same czynności w obrębie przeciętego pierścienia aluminiowego, stwierdzamy, że pierścień się nie rusza.
      Ruch magnesu wywołuje przepływ prądu indukcyjnego o takim kierunku, że pole magnetyczne wywołane przez ten prąd będzie odpychało biegun magnesu, przeciwdziałając jego ruchowi.
      Podobnie będzie w wypadku, gdy magnes cofamy - wtedy nastąpi zmiana kierunku przepływu prądu.
               
     
 
Strona główna Opinie W sieci Downloads Publikacje E-learning E-sklep O stronie