Pośredni elektromagnetyzm i indukcja elektromagnetyczna

Teaching science: we're doing it wrong | Danny Doucette | TEDxRiga (Lipiec 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Pośredni elektromagnetyzm i indukcja elektromagnetyczna

Obwody elektryczne prądu stałego


Pytanie 1

Gdy prąd elektryczny przechodzi przez cewkę z drutu, tworzy pole magnetyczne. Jeśli wielkość tego prądu zmienia się w czasie, podobnie jak siła pola magnetycznego.

Wiemy również, że strumień pola magnetycznego, który zmienia się w czasie, będzie indukował napięcie wzdłuż długości cewki drutu. Wyjaśnij, w jaki sposób uzupełniające się zasady elektromagnetyzmu i indukcji elektromagnetycznej objawiają się jednocześnie w tej samej cewce drutu, aby wytworzyć samoindukcję .

Wyjaśnij także, w jaki sposób prawo Lenza odnosi się do polaryzacji indukowanego przez cewkę napięcia.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Zmieniający się prąd przez cewkę wytwarza spadek napięcia, który jest przeciwny kierunkowi zmiany.

Uwagi:

Indukcja własna nie jest trudnym pojęciem, które można zrozumieć, jeśli ktoś ma już dobre pojęcie o elektromagnetyzmie, indukcji elektromagnetycznej i prawie Lenza. Niektórzy uczniowie mogą mieć trudności ze zrozumieniem samoindukcji, ponieważ jest to prawdopodobnie pierwsza aplikacja, którą zobaczyli, gdy te trzy zjawiska wiążą się jednocześnie.

pytanie 2


∫f (x) dx Calculus alert!


W prostym obwodzie rezystora prąd może być obliczony poprzez podzielenie przyłożonego napięcia przez rezystancję:

Chociaż analiza tego obwodu prawdopodobnie wydaje ci się banalna, chciałbym zachęcić cię do spojrzenia na to, co dzieje się tutaj ze świeżej perspektywy. Ważną zasadą obserwowaną wielokrotnie w badaniach fizyki jest równowaga, w której ilości naturalnie "szukają" stanu równowagi. Równowaga poszukiwana przez ten prosty obwód jest równa napięciu: napięcie na rezystorze musi osiąść na tej samej wartości, co napięcie wyjściowe źródła:

Jeżeli rezystor jest postrzegany jako źródło napięcia poszukującego równowagi ze źródłem napięcia, wówczas prąd musi zbiec się przy dowolnej wartości niezbędnej do wygenerowania niezbędnego napięcia równoważącego na rezystorze, zgodnie z Prawem Ohma (V = IR). Innymi słowy, prąd rezystora osiąga dowolną wielkość, aby wygenerować spadek napięcia równy napięciu źródła .

Może się to wydawać dziwnym sposobem analizowania tak prostego obwodu, gdy rezystor "poszukuje", by wygenerować spadek napięcia równy źródłu, a prąd "magicznie" przybiera jakąkolwiek wartość, aby osiągnąć tę równowagę napięcia, ale jest to pomocne w zrozumieniu innych rodzajów elementów obwodów.

Na przykład tutaj mamy źródło napięcia stałego podłączone do dużej cewki drutu przez przełącznik. Załóżmy, że cewka drutu ma znikomy opór (0 Ω):

Podobnie jak w obwodzie rezystora, cewka będzie "dążyć" do osiągnięcia równowagi napięciowej ze źródłem napięcia po zamknięciu przełącznika. Wiemy jednak, że napięcie indukowane w cewce nie jest wprost proporcjonalne do prądu, jak to jest z rezystorem - zamiast tego spadek napięcia cewki jest proporcjonalny do szybkości zmiany strumienia magnetycznego w czasie, jak opisano w Prawie indukcji elektromagnetycznej Faradaya :

v cewka = N d φ


dt

Gdzie,

v cewka = chwilowe indukowane napięcie, w woltach

N = liczba zwojów cewki drutu

((d φ) / dt) = Natychmiastowa szybkość zmiany strumienia magnetycznego, w wstęgach na sekundę

Zakładając liniową zależność między prądem cewki i strumieniem magnetycznym (tj. Φ podwaja się, gdy podwoimy), opisz ten prosty prąd obwodu w czasie po zamknięciu przełącznika.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Kiedy przełącznik się zamknie, prąd będzie stale wzrastał z liniową prędkością w czasie:

Pytanie zadawania: prawdziwe cewki drutowe zawierają opór elektryczny (chyba, że ​​są wykonane z drutu nadprzewodzącego, oczywiście) i wiemy, w jaki sposób występuje równowaga napięciowa w obwodach rezystancyjnych: prąd zbiega się przy wartości niezbędnej do tego, aby opór opadł równą ilość napięcie jako źródło. Opisz, co prąd robi w obwodzie z prawdziwą cewką drutu, a nie nadprzewodnikową cewką.

Uwagi:

Studenci, którzy jeszcze nie rozumieją pojęcia indukcyjności, mogą skłonić się do sugerowania, że ​​prąd w tym obwodzie będzie nieskończony, zgodnie z Prawem Ohma (I = E / R). Jednym z celów tego pytania jest ujawnienie takich nieporozumień, aby można je było poprawić.

Obwód ten stanowi doskonały przykład integracji zasady rachunku różniczkowego, gdzie zastosowanie stałego napięcia na cewce indukcyjnej powoduje stały wzrost prądu. To, czy powinieneś dotknąć tego tematu, zależy od umiejętności matematycznych twoich uczniów.

pytanie 3

Bardzo przydatną metodą pomiaru prądu przez drut jest pomiar siły pola magnetycznego wokół niego. Ten rodzaj amperomierza jest znany jako amperomierz typu clamp-on :

Znając zasadę działania tego licznika, opisz, jakie wartości prądu będą wskazywane przez trzy amperomierze zaciskowe w tym obwodzie:

Miernik A =
Miernik B =
Miernik C =
Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Miernik A = 2, 5 ampera
Miernik B = 2, 5 ampera
Miernik C = 0 amperów

Uwagi:

Mierniki cęgowe są bardzo przydatnymi elementami wyposażenia testowego, ale muszą być właściwie używane. Widziałem, jak wielu ludzi popełnia błąd polegający na zaciskaniu jednego z tych amperomierzy wokół wielu przewodów, gdy próbuje zmierzyć natężenie prądu tylko przez jeden. Jeśli masz jakieś mierniki cęgowe w klasie, poproś uczniów, aby przygotowali prosty obwód i udowodnili ważność tej koncepcji.

Pytanie 4

Napisz równanie, które wyraża wielkość strumienia magnetycznego (Φ) wytwarzanego przez elektromagnes, biorąc pod uwagę ilość prądu elektrycznego (I), liczbę zwojów w cewce drutu (N) i reluktancję materiału rdzenia (ℜ) .

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Φ = NI


Uwagi:

To jest ćwiczenie algebraicznej substytucji. Uczniowie prawdopodobnie nie znajdą tego równania w dowolnym miejscu, więc będą musieli stworzyć je z połączenia dwóch innych równań.

Pytanie 5


∫f (x) dx Calculus alert!


Wykreślić względne krzywe BH dla próbki powietrza i próbki żelaza, proporcjonalnie do siebie (w miarę możliwości):

Co można zauważyć na zboczu (zwanym również pochodną lub (dB / dH)) każdego wykresu "# 5"> Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pytanie uzupełniające: zauważ, że nachylenie obu wykresów jest w przybliżeniu równe w kierunku skrajnego prawego końca wykresu. Wyjaśnij ten efekt w kategoriach nasycenia magnetycznego.

Uwagi:

Cel tego pytania jest dwojaki: aby uczniowie dowiedzieli się, że materiał ferromagnetyczny, taki jak żelazo, jest dużo bardziej przepuszczalny (mniej "niechętny") niż powietrze, ale że wielkie zyski B uświadomione przez żelazo mają tendencję do zaniku, gdy tylko nasycenie Wstawia się. Gdy żelazo jest nasycone, zyski B dla równego postępu w H są takie same jak dla powietrza. Oznacza to, że (dB / dH) dla żelaza jest równa (dB / dH) dla powietrza po nasyceniu żelaza.

Pytanie 6

Jeżeli cewka drutowa z 450 zwojami jest narażona na strumień magnetyczny zwiększający się z szybkością 0, 008 Webersa na sekundę, ile napięcia zostanie wywołane w cewce "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/ images / quiz / 01983x01.png ">

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

3, 6 woltów

Uwagi:

Jest to po prostu ilościowe zastosowanie Prawa Faradaya. Nie ma znaczenia, że ​​strumień magnetyczny rośnie, a nie maleje. Jedynym efektem, jaki ten wpływ wywiera na indukowane napięcie, jest jego polaryzacja.

Pytanie 7

Prawo Lenza opisuje sprzeciw wobec zmian strumienia magnetycznego w wyniku indukcji elektromagnetycznej między polem magnetycznym a przewodnikiem elektrycznym. Jednym z urządzeń zdolnych do demonstracji Prawa Lenza jest dysk miedziany lub aluminiowy (elektrycznie przewodzący, ale niemagnetyczny) umieszczony blisko końca mocnego magnesu trwałego. Nie ma przyciągania ani odpychania pomiędzy dyskiem i magnesem, gdy nie ma ruchu, ale pomiędzy tymi dwoma obiektami powstaje siła, jeśli którakolwiek z nich nagle się poruszy. Siła ta będzie w takim kierunku, że spróbuje oprzeć się ruchowi (tj. Siła próbuje utrzymać stałą luki między dwoma obiektami):

Wiemy, że ta siła ma charakter magnetyczny. Oznacza to, że indukowany prąd powoduje, że dysk sam staje się magnesem, aby reagować na pole magnesu stałego i wytwarzać siłę przeciwną. Dla każdego z poniższych scenariuszy oznacz etykiety indukowanych dysków magnetycznych (północ i południe), gdy reaguje na ruch narzucony przez siłę zewnętrzną:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Własne pole magnetyczne dysku będzie się rozwijało w taki sposób, że "walczy", utrzymując stałą odległość od magnesu:

Kolejne pytanie: prześledzić kierunek obrotu indukowanego prądu elektrycznego w dysku, niezbędny do wytworzenia siły odpychającej i przyciągającej.

Uwagi:

Zjawisko to trudno jest wykazać bez bardzo silnego magnesu. Jeśli jednak dysponujesz takim aparatem w swoim laboratorium, będzie to świetny kawałek do demonstracji!

Jednym z praktycznych sposobów, w których pokazałem prawo Lenza, jest uzyskanie magnesu ziem rzadkich ( bardzo mocny!), Ustawienie go na stole, a następnie upuszczenie monety aluminiowej (takiej jak japoński jen), tak aby wylądowała na wierzchu magnes. Jeśli magnes jest wystarczająco silny, a moneta jest wystarczająco lekka, moneta delikatnie oprze się na magnesie, a nie uderzy mocno i odbije się.

Bardziej dramatyczną ilustracją Prawa Lenza jest wzięcie tej samej monety i obrócenie jej (na krawędzi) na powierzchni stołu. Następnie umieść magnes blisko krawędzi obracającej się monety i obserwuj, jak moneta szybko zatrzymuje się, bez kontaktu między monetą a magnesem.

Inną ilustracją jest ustawienie aluminiowej monety na gładkiej powierzchni stołu, a następnie szybkie przesunięcie magnesu nad monetą, równolegle do powierzchni stołu. Jeśli magnes jest wystarczająco blisko, moneta zostanie "przeciągnięta" na niewielką odległość, gdy magnes przejdzie.

We wszystkich tych demonstracjach ważne jest, aby pokazać uczniom, że moneta nie jest magnetyczna. Nie przylgnie do magnesu, ponieważ stalowa moneta byłaby żelazna lub stalowa, zatem każda siła generowana między monetą a magnesem jest ściśle spowodowana prądem indukowanym, a nie ferromagnetyzmem.

Pytanie 8

Połączenie Prawa Lenza z prawą regułą (lub regułą lewą, jeśli podążasz za elektronowym przepływem zamiast konwencjonalnego przepływu) zapewnia prosty i skuteczny sposób określania kierunku indukowanego prądu w cewce indukcyjnej. W poniższych przykładach prześledzić kierunek przepływu prądu przez rezystor obciążenia:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Uwaga: w przypadku, gdy nie wynika to jasno z ilustracji, na rysunkach od 1 do 4 pokazano magnes poruszający się względem nieruchomej cewki. Rysunki 5 i 6 przedstawiają cewkę poruszającą się w stosunku do nieruchomego magnesu.

Uwagi:

Łatwy sposób, w jaki pamiętam, że prawo Lenza jest interpretowane jako sprzeciw wobec zmian . Cewka będzie próbowała stać się magnesem, który walczy z ruchem. Dobrym sposobem na to, aby uczniowie myśleli w tym kierunku, jest zapytać ich: "Jaką polaryzację magnetyczną cewka musi założyć (w każdym przypadku), aby oprzeć się względnemu ruchowi magnesu" panel panelu panelu roboczego - domyślnie "itemscope"

Pytanie 9

Napisz równanie dotyczące prądu elektrycznego i natężenia pola magnetycznego razem w cewce drutowej. Jeśli prąd (I) podawany jest w jednostkach amperów, a liczba zwojów jest prostą wartością całkowitą, jaka jednostka miary ma natężenie pola magnetycznego?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

F = IN

Gdzie,

fa

= Siła magnetomotoryczna (siła pola magnetycznego) we wzmacniaczach

I = prąd w cewce drutowej, wzmacniacze

N = liczba zwojów w cewce

Uwagi:

Czasami jednostki miary mają doskonały sens! W tym przypadku, jednostka amp-turn wynika oczywiście z konstrukcji równania, z czasami wzmacniającymi się.

Pytanie 10

Czym jest nasycenie magnetyczne?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

"Nasycenie" magnetyczne ma miejsce, gdy strumień magnetyczny (Φ lub gęstość strumienia B) nie wzrasta w tej samej proporcji do wzrostu siły pola magnetycznego ( F lub natężenia pola H), które osiągnął na niższych poziomach F

lub H.

Uwagi:

Aby użyć wyrażenia ekonomicznego, nasycenie jest przypadkiem malejących zwrotów : gdzie dalsze wzrosty w jednej zmiennej dają mniejsze i mniejsze zyski w innej zmiennej. Ważne jest, aby uczniowie zdali sobie sprawę, że słowo "nasycenie" służy również do opisu zjawisk innych niż magnetyzm. Ale w jakimkolwiek kontekście jest on używany, koncepcja "malejących zwrotów" jest taka sama.

Pytanie 11

Wyjaśnij, co oznacza ten wykres i jak przedstawia on nasycenie i histerezę jako zjawiska magnetyczne:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Jest to krzywa BH, wykreślająca gęstość strumienia magnetycznego (B) względem natężenia pola magnetycznego (H) elektromagnesu. Strzałki przedstawiają kierunki wzrostu i spadku zmiennych.

"Nasycenie" ma miejsce, gdy B zmienia się nieznacznie dla istotnych zmian w H. Istnieją dwa obszary na krzywej BH, gdzie nasycenie jest oczywiste.

Uwagi:

To pytanie jest warte dyskusji. Jedną rzeczą jest rozpoznanie tej krzywej jako krzywej B-H, a całkiem innej, aby wyjaśnić dokładnie, co to znaczy. Poproś uczniów, aby pokazali na krzywej, na przykład, co się stanie, gdy elektromagnes zostanie całkowicie zasilony prądem stałym, a następnie prąd zostanie odcięty, pozostawiając resztkowy strumień w rdzeniu. Co jest konieczne, aby zdemagnetyzować rdzeń po raz kolejny "panel panelu roboczego - domyślnie" itemscope>

Pytanie 12

Jeśli przez tę pętlę drutu przechodzi prąd elektryczny, w jakiej pozycji będzie się orientował?

Jeśli ten eksperyment zostanie przeprowadzony, można stwierdzić, że generowany moment obrotowy jest dość mały bez uciekania się do wysokich prądów i / lub silnych pól magnetycznych. Wymyśl sposób modyfikacji tego urządzenia, aby generować mocniejsze momenty obrotowe przy użyciu niewielkich poziomów prądu i zwykłych magnesów.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pętla będzie próbowała orientować się w płaszczyźnie pionowej, prostopadłej do osi strumienia magnetycznego między biegunami magnesu:

Aby zwiększyć moment obrotowy generowany przez pętlę drucianą, można użyć pętli z więcej niż 1 "obrotem" drutu. Jednak nie jest to jedyne rozwiązanie.

Uwagi:

To pytanie stanowi doskonałą okazję do omówienia "zasady prawej ręki" (lub "reguły lewej ręki" dla osób używających notacji przepływu elektronów zamiast konwencjonalnego zapisu przepływu).

Pytanie 13

Przesuwając magnes stały prostopadle obok drutu, zostanie wygenerowane napięcie między końcami tego drutu:

Opisz, jakie czynniki determinują polaryzację i wielkość tego napięcia.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Zamiast udzielać odpowiedzi tutaj, zostawię to tobie, by określić odpowiedź przez eksperyment!

Uwagi:

Eksperymenty takie jak te są tak łatwe do ustawienia, szkoda byłoby odkryć radość odkrywania z pierwszej ręki, po prostu mówiąc uczniom, co ma się stać!

Pytanie 14


∫f (x) dx Calculus alert!


Związek między strumieniem magnetycznym a indukowanym napięciem w cewce drutu wyraża się w tym równaniu, znanym jako prawo Faradaya :

e = N d φ


dt

Gdzie,

e = chwilowe indukowane napięcie, w woltach

N = liczba zwojów cewki drutu

φ = Natychmiastowy strumień magnetyczny w środnikach

t = Czas, w sekundach

Wyjaśnij, co oznacza wyrażenie matematyczne ((d φ) / dt) w świetle tego, co wiesz o indukcji elektromagnetycznej. Wskazówka: notacja (d / d) zapożyczona jest z rachunku, a nazywa się ją pochodną .

Wyjaśnij także, dlaczego w tym równaniu stosowane są małe litery (e zamiast E, φ zamiast Φ).

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Wyrażenie matematyczne ((d φ) / dt) oznacza "szybkość zmian strumienia magnetycznego w czasie". W tym konkretnym przykładzie jednostka będzie "weberami na sekundę".

Użycie małych liter dla zmiennych wskazuje wartości chwilowe : to znaczy wyrażone w kategoriach chwilowych momentów czasu.

Pytanie uzupełniające: manipuluj tym równaniem, aby rozwiązać dla każdej zmiennej (((d φ) / dt) =

.

; N =

.

).

Uwagi:

Dla studentów, którzy nigdy nie studiowali rachunku różniczkowego, jest to doskonała okazja, aby wprowadzić pojęcie pochodnej, mając już ustaloną zasadę indukowanego napięcia, związaną z tym, jak szybko zmienia się strumień magnetyczny w czasie. W ogólnych badaniach fizyki ilości pozycji, prędkości i przyspieszenia są podobnie wykorzystywane do wprowadzenia pojęcia pochodnej czasowej, a następnie całki czasowej. W elektryczności mamy jednak własne unikalne aplikacje!

Pytanie 15

Ile zwojów drutu musi mieć cewka w celu indukowania napięcia 10, 5 V, gdy zostanie poddany zmiennemu strumieniowi magnetycznemu z prędkością 0, 0075 Wb / s "# 15"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

1400 obrotów

Uwagi:

Jest to nic innego jak ilościowe zastosowanie Prawa Faradaya, po algebraicznej manipulacji do rozwiązania dla N.

Pytanie 16

Jeśli miedziany pierścień zostanie przybliżony do końca magnesu stałego, pomiędzy magnesem i pierścieniem powstanie siła odpychająca. Siła ta jednak ustanie, gdy pierścień przestanie się poruszać. Jak nazywa się ten efekt?

Opisz również, co się stanie, jeśli miedziany pierścień zostanie odsunięty od końca magnesu stałego.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Zjawisko to znane jest jako prawo Lenza . Jeśli miedziany pierścień zostanie odsunięty od końca magnesu stałego, kierunek działania siły odwróci się i stanie się bardziej atrakcyjny niż odpychający.

Pytanie uzupełniające: śledzić kierunek obrotu indukowanego prądu elektrycznego w pierścieniu, niezbędny do wytworzenia siły odpychającej i przyciągającej.

Pytanie dotyczące wyzwania: co by się stało, gdyby orientacja magnesu była odwrócona (biegun południowy na lewym i północnym biegunie po prawej) "notatki ukryte"> Uwagi:

Zjawisko to trudno jest wykazać bez bardzo silnego magnesu. Jeśli jednak dysponujesz takim aparatem w swoim laboratorium, będzie to świetny kawałek do demonstracji!

Jednym z praktycznych sposobów, w których pokazałem prawo Lenza, jest uzyskanie magnesu ziem rzadkich ( bardzo mocny!), Ustawienie go na stole, a następnie upuszczenie monety aluminiowej (takiej jak japoński jen), tak aby wylądowała na wierzchu magnes. Jeśli magnes jest wystarczająco silny, a moneta jest wystarczająco lekka, moneta delikatnie oprze się na magnesie, a nie uderzy mocno i odbije się.

Bardziej dramatyczną ilustracją Prawa Lenza jest wzięcie tej samej monety i obrócenie jej (na krawędzi) na powierzchni stołu. Następnie umieść magnes blisko krawędzi obracającej się monety i obserwuj, jak moneta szybko zatrzymuje się, bez kontaktu między monetą a magnesem.

Inną ilustracją jest ustawienie aluminiowej monety na gładkiej powierzchni stołu, a następnie szybkie przesunięcie magnesu nad monetą, równolegle do powierzchni stołu. Jeśli magnes jest wystarczająco blisko, moneta zostanie "przeciągnięta" na niewielką odległość, gdy magnes przejdzie.

We wszystkich tych demonstracjach ważne jest, aby pokazać uczniom, że moneta nie jest magnetyczna. Nie przylgnie do magnesu, ponieważ stalowa moneta byłaby żelazna lub stalowa, zatem każda siła generowana między monetą a magnesem jest ściśle spowodowana prądem indukowanym, a nie ferromagnetyzmem.

Pytanie 17

Liczniki elektromechanicznych watogodzin wykorzystują aluminiowy dysk, który jest obracany przez silnik elektryczny. Aby wytworzyć stały "opór" na dysku niezbędny do ograniczenia jego prędkości obrotowej, silny magnes jest umieszczony w taki sposób, że jego linie strumienia magnetycznego przechodzą prostopadle przez grubość dysku:

Wyjaśnij zjawisko leżące u podstaw tego magnetycznego mechanizmu "przeciągnij", a także wyjaśnij, jak należy zmienić położenie zespołu magnesu stałego, tak aby zapewniał on mniejszy opór na tej samej prędkości obrotowej.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

To jest przykład ustawy Lenza . Aby zmniejszyć opór na dysku, magnes musi zostać przesunięty w miejscu na dysku, który ma mniejszą prędkość powierzchni (pozwolę ci dowiedzieć się, gdzie to może być).

Pytanie uzupełniające: przypuśćmy, że przesuwasz silny magnes poza powierzchnię aluminiowego dysku. Co stanie się z dyskiem, jeśli coś "zauważa ukryte"> Uwagi:

Ważną regulacją kalibracji zespołów elektromechanicznego watomierza jest pozycjonowanie magnesu "oporu", co sprawia, że ​​pytanie to jest bardzo praktyczne. Ciekawym wyzwaniem dla uczniów jest poproszenie ich o nakreślenie przepływu indukowanego prądu elektrycznego na dysku, gdy obraca się on nad magnesem!

Pytanie uzupełniające jest faktycznie zapowiedzią teorii silnika indukcyjnego i może być zilustrowane mocnym magnesem (ziem rzadkich) i metalową monetą (japoński jen, wykonany z aluminium, działa bardzo dobrze, będąc dobrym przewodnikiem elektrycznym i lekkie!).

Pytanie 18

Jednym z kontekstów, w których można zrozumieć Prawo Lenza, jest dobrze znane prawo fizyczne, zwane "Zachowaniem energii", które stwierdza, że ​​energia nie może być ani stworzona (z niczego), ani zniszczona (do niczego). To dobrze ugruntowane prawo fizyki jest ogólną zasadą zakazującą tak zwanych maszyn "ponadjednostkowych" lub "darmowej energii", w których energia rzekomo byłaby produkowana z jakiegokolwiek źródła.

Zademonstrować, że gdyby prawo Lenza zostało odwrócone, zasada zachowania energii zostanie naruszona. Innymi słowy, wyobraź sobie, co by się stało, gdyby efekty Prawa Lenza były dokładnie odwrotne w kierunku i pokazały, w jaki sposób spowodowałoby to więcej energii wytwarzanej przez system niż to, co jest wkładem do tego systemu.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Istnieje kilka sposobów na wykazanie tego. Być może najłatwiej jest zwizualizować (z punktu widzenia energii) obrotowy "magnetyczny" dysk, w którym prostopadłe przecięcie pola magnetycznego i elektrycznie przewodzącego dysku tworzy rezystancyjny opór (przeciwny) moment obrotowy, gdy dysk jest obracany. Skutki odwrócenia kierunku siły Lenza powinny być tu oczywiste.

Uwagi:

To pytanie może bardzo dobrze prowadzić do owocnej dyskusji na temat perpetuum mobile i roszczeń maszyn "darmowej energii", samo istnienie takich twierdzeń we współczesnych czasach jest doskonałym dowodem naukowego analfabetyzmu. Nie tylko znaczna liczba ludzi zdaje się ignorować zasadę zachowania energii i to, jak dobrze jest ona założona, ale także wydaje się niezdolna do uchwycenia ważności ostatecznego testu dla takiego urządzenia: być w stanie sama się zasilić (i ładowanie) w nieskończoność. Ale dygresję. . .

Pytanie 19

Opierając się na znajomości Prawa Lenza, wyjaśnij, w jaki sposób można skonstruować hamulec elektromagnetyczny, dzięki czemu zasilanie cewki elektromagnesu spowoduje mechaniczne "przeciąganie" na obracającym się wale bez potrzeby kontaktu między wałem a klockiem hamulcowym.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pytanie uzupełniające: opisz niektóre zalety i wady hamulca magnetycznego w porównaniu z hamulcami mechanicznymi (gdzie kontakt fizyczny powoduje tarcie na wale).

Pytanie dotyczące wyzwania: normalne (mechaniczne) hamulce stają się gorące podczas pracy, ze względu na tarcie, które stosują do wytwarzania oporu. Czy elektromechaniczny hamulec również wytwarza ciepło, ponieważ nie ma kontaktu fizycznego, aby wytworzyć tarcie "uwagi ukryte"> Uwagi:

Hamulce elektromagnetyczne są bardzo przydatnymi urządzeniami w przemyśle. Jedną z interesujących aplikacji, jakie widziałem w tej technologii, jest mechaniczne obciążenie dynamometru samochodowego, w którym samochód jest napędzany na zestaw stalowych rolek, z jedną rolką połączoną z dużym metalowym dyskiem (z elektromagnesami po obu stronach). Zmieniając natężenie prądu wysyłanego do elektromagnesów można zmieniać stopień mechanicznego oporu.

Nawiasem mówiąc, dysk ten staje się bardzo gorący podczas używania, ponieważ moc samochodu nie może po prostu zniknąć - musi zostać zamieniona w inną formę energii w mechanizmie hamowania i rozgrzać.

Pytanie 20

Określ polaryzację indukowanego napięcia cewki dla każdego z poniższych przykładów. Zwróć uwagę na kierunek, w którym każda cewka jest owinięta wokół rdzenia - cewki nie są identyczne!

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Uwagi:

Może pomóc uczniom w wizualizacji polaryzacji, jeśli wyobrażają sobie obciążenie rezystancyjne podłączone między dwoma zaciskami wyjściowymi, a następnie zorientowali się, który prąd indukowany przez kierunek przejdzie przez to obciążenie. Po dokonaniu tego ustalenia, polaryzacja napięcia (biorąc pod uwagę cewkę jako źródło energii) powinna być łatwiejsza do wizualizacji. Jednak błędem, który popełnia wielu początkujących studentów, jest to, że nie rozpoznaje cewki jako źródła energii elektrycznej i rezystora jako obciążenia, więc przygotuj się do rozwiązania tego nieporozumienia.

Jeśli to nie pomoże, sugerują, aby najpierw zidentyfikować polaryzację magnetyczną pola indukowanego cewką: określić, który koniec cewki "próbuje" być Północą i który "próbuje" być Południem. Oczywiście żadne wzbudzone pole nie powstanie, chyba że cewka ma pełny obwód podtrzymujący indukowany prąd, ale nadal pomocne jest wyobrazić rezystor obciążenia lub nawet krótkie zakończenie obwodu, aby indukowany prąd, a zatem indukowana polarność magnetyczna, mogły być wizualizowane. .

Pytanie 21

Jeśli cewka drutu z 320 zwojami jest narażona na strumień magnetyczny zmniejszający się z prędkością 0.03 Weber na sekundę (jak pokazano na ilustracji), ile napięcia zostanie wywołane na cewce i jaka będzie jej polarność "// www .beautycrew.com.au // sub.allaboutcircuits.com / images / quiz / 03272x01.png ">

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Uwagi:

To pytanie jest zarówno ilościowym zastosowaniem Prawa Faradaya, jak i zastosowaniem Prawa Lenza.

Pytanie 22

Jeśli cewka drutu z 1100 zwojami jest narażona na strumień magnetyczny zwiększający się z szybkością 0, 07 Webera na sekundę (jak pokazano na ilustracji), ile napięcia zostanie wywołane na cewce i jaka będzie jego polarność "// www .beautycrew.com.au // sub.allaboutcircuits.com / images / quiz / 03273x01.png ">

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Uwagi:

To pytanie jest zarówno ilościowym zastosowaniem Prawa Faradaya, jak i zastosowaniem Prawa Lenza.

Pytanie 23

Obliczyć niezbędną szybkość zmian strumienia magnetycznego w czasie (w jednostkach Webera na sekundę) oraz kierunek ruchu magnesu (w kierunku lub od cewki), aby indukować napięcie 13, 5 V w pokazanej polarności:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

((d φ) / dt) musi być równe 0, 0964 Webersa na sekundę, z magnesem oddalającym się od cewki.

Uwagi:

To pytanie jest zarówno ilościowym zastosowaniem Prawa Faradaya, jak i zastosowaniem Prawa Lenza.

Pytanie 24

Jeżeli ruch przewodnika przez pole magnetyczne indukuje napięcie w tym przewodzie, to jest oczywiste, że przewodzący płyn przemieszczający się przez rurę może również generować napięcie, jeśli jest odpowiednio wystawione na działanie pola magnetycznego. Narysuj zdjęcie pokazujące niezbędną orientację rury, pole magnetyczne i elektrody przechwytujące indukowane napięcie.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Uwagi:

To pytanie naprawdę testuje zrozumienie przez studentów ortogonalnych zależności między strumieniem magnetycznym, ruchem przewodnika i indukowanym napięciem. Dodatkowo ujawnia nową metodę produkcji energii elektrycznej: magnetohydrodynamikę .

Istnieje kilka interesujących zastosowań magnetohydrodynamiki, w tym generowanie mocy i pomiar przepływu. Porozmawiaj o tym z uczniami, jeśli pozwala na to czas.

  • ← Poprzedni arkusz roboczy

  • Indeks arkusza roboczego

  • Następny arkusz roboczy →