O zjawiskach magnetycznych. (elektromagnetyzm)

Transkrypt

1 O zjawiskach magnetycznych (elektromagnetyzm)

2 Rozwi¹zania 10

3 O zjawiskach magnetycznych (elektromagnetyzm) 185 ubstancje dziel¹ siê na takie, które oddzia³uj¹ z umieszczonym w pobli u magnesem ( elazo, stal) i takie, które z magnesem nie oddzia³uj¹ (drewno, aluminium, srebro, z³oto, stop, z którego wykonuje siê monety). 186 a W pierwszym przypadku przed p³aszczyzn¹ rysunku powstaje biegun, w drugim biegun. b c 187 Po³o enie styku przesuwaj¹cego siê po zwojach opornika zale y od iloœci cieczy w zbiorniku. Od jego po³o enia zale y opór obwodu elektrycznego, którego elementem jest elektromagnes. Jeœli zbiornik jest pe³ny, styk znajduje siê w dolnej czêœci opornika, przez obwód p³ynie pr¹d o du ym natê eniu, elektromagnes przyci¹ga mocno p³ytkê elazn¹, dÿwignia wraz ze wskazówk¹ odchyla siê w prawo (po³o enie F). Gdy iloœæ cieczy w zbiorniku maleje, styk, poruszaj¹cy siê po zwojach opornicy jest coraz wy ej, opór obwodu wzrasta, natê enie pr¹du maleje i p³ytka elazna jest coraz s³abiej przyci¹gana, powoduj¹c coraz mniejsze odchylenie dÿwigni i wskazówki. 270

4 Rozwi¹zania a 1. i³a magnetyczna odchylaj¹ca drut dzia³a tylko na odcinek BC drutu, bo ten odcinek znajduje siê w polu magnetycznym, którego linie s¹ do niego prostopad³e. 2. Z regu³y pozwalaj¹cej wykryæ zwrot si³y magnetycznej wynika, e gdy si³a magnetyczna jest zwrócona w prawo, a pr¹d p³ynie za rysunek, to linie pola magnetycznego musz¹ byæ zwrócone w górê, tzn. dolny biegun magnesu jest biegunem pó³nocnym. 3. a rys. 1. na odcinek BC drutu dzia³aj¹ si³y: ciê aru tego odcinka (pochodz¹ca od Ziemi) i dwie si³y sprê ystoœci (pochodz¹ce od pionowych odcinków drutu). a rys. 2. na odcinek BC dzia³aj¹ si³y: ciê aru tego odcinka (Ÿród³o: Ziemia lub pole grawitacyjne Ziemi), magnetyczna (Ÿród³o: pole magnetyczne magnesu) i si³y sprê ystoœci (Ÿród³o: odcinki AB i CD drutu). i³y te w ka dym przypadku równowa ¹ siê, bo drut w obu przypadkach pozostaje w spoczynku (I zasada dynamiki). b jest sum¹ obu (jednakowych) si³ sprê ystoœci (od dwóch kawa³ków drutu). c Zmieni³by siê kierunek pr¹du w drucie i zwrot linii pola magnetycznego. Z regu³y pozwalaj¹cej wykryæ zwrot si³y magnetycznej wynika, e zwrot tej si³y nie ulegnie wówczas zmianie, wiêc drut odchyli siê w tê sam¹ stronê. 189 a Jeœli magnes spoczywa, pole magnetyczne wewn¹trz pierœcienia nie zmienia siê, wiêc nie zachodzi zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Pr¹d w pierœcieniu nie p³ynie, a pierœcieñ spoczywa. b Jeœli zbli amy magnes do pierœcienia, pole magnetyczne wewn¹trz pierœcienia jest coraz silniejsze, wystêpuje zjawisko indukcji magnetycznej. mg F m zbli amy biegun zbli amy biegun 271

5 O zjawiskach magnetycznych (elektromagnetyzm) W pierœcieniu p³ynie pr¹d elektryczny o takim kierunku, by wytworzone przez ten pr¹d pole magnetyczne odpycha³o zbli aj¹cy siê magnes. Wskutek odpychania siê dwóch jednakowych biegunów w obu przypadkach pierœcieñ odchyli siê w lewo. Kierunek ten zaznaczono na rysunku. c Jeœli magnes odsuwamy od pierœcienia, pole magnetyczne wewn¹trz pierœcienia jest coraz s³absze. W pierœcieniu p³ynie pr¹d elektryczny o takim kierunku, by wytworzone przez ten pr¹d pole magnetyczne przyci¹ga³o oddalaj¹cy siê magnes. Kierunek pr¹du zaznaczono na rysunku. oddalamy biegun oddalamy biegun Wskutek przyci¹gania siê ró noimiennych biegunów w obu przypadkach pierœcieñ odchyli siê w prawo. 190 a Gdy do pierœcienia zbli amy magnes zwrócony do niego dowolnym biegunem, to pr¹d indukcyjny p³ynie w takim kierunku, e po stronie magnesu powstanie biegun jednoimienny (przeciwdzia³anie przysuwaniu). Wynika z tego, e w przypadku 1. magnesy indukowa³yby w pierœcieniu pr¹dy o przeciwnych kierunkach i takich samych natê eniach. W efekcie w przypadku 1. w pierœcieniu nie p³ynie pr¹d. W przypadku 2. z tego samego powodu nie p³ynie pr¹d (po ka dej stronie pierœcienia powsta³by biegun ). W przypadku 3. zbli anie ka dego magnesu powoduje, e po stronie pierœcienia zwróconej do nas powstaje ten sam biegun pó³nocny. Zatem pr¹dy indukowane w pierœcieniu przez ruch magnesów p³yn¹ w tym samym kierunku (dodaj¹ siê). W pierœcieniu p³ynie pr¹d o kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara (dla osoby patrz¹cej na rysunek). b W przypadku 1' w pierœcieniu p³ynie pr¹d o kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara ruch obu magnesów powoduje, e po stronie pierœcienia zwróconej do nas powstaje biegun, a po stronie przeciwnej. 272

6 Rozwi¹zania 10 W przypadku 2' w pierœcieniu p³ynie pr¹d o kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara ruch obu magnesów powoduje powstanie bieguna po naszej stronie pierœcienia, a po przeciwnej bieguna. W przypadku 3' pr¹d nie p³ynie, bo magnesy indukowa³yby w pierœcieniu pr¹dy o przeciwnych kierunkach i takich samych natê eniach. c Pierœcieñ mo e siê wychyliæ z po³o enia równowagi tylko w tych przypadkach, w których p³ynie w nim pr¹d; nale y wiêc zaj¹æ siê przypadkami 3, 1' i 2'. W przypadku 3. si³y dzia³aj¹ce na pierœcieñ od obu magnesów równowa ¹ siê pierœcieñ nie wychyli siê z po³o enia równowagi. W przypadkach 1' i 2' pierœcieñ wychyli siê za rysunek, bo si³y pochodz¹ce od obu magnesów maj¹ takie zwroty zbli aj¹cy siê magnes odpycha pierœcieñ, a oddalaj¹cy siê przyci¹ga go. 191 a Gdy do koñca zwojnicy zbli amy magnes, powstaje w niej pr¹d indukcyjny o takim kierunku, e przy tym koñcu pojawia siê biegun (przeciwdzia³anie zbli aniu magnesu), wiêc pr¹d w obwodzie p³ynie tak, jak zaznaczono na rysunku. Z kierunkiem pr¹du zwi¹zane s¹ takie bieguny, jak pokazuje rysunek. b Z tego, co napisano w odpowiedzi a wynika, e gdy zaczniemy zbli aæ magnes, przy lewym koñcu górnej zwojnicy powstaje biegun. Fakt ten jest równowa ny zbli aniu do pierœcienia magnesu zwróconego do pierœcienia biegunem. W pierœcieniu powstaje pr¹d indukcyjny o takim kierunku, e jego pole magnetyczne przeciwdzia³a przyczynie, zatem po stronie pierœcienia zwróconej do zwojnicy powstaje tak e biegun. Bieguny jednoimienne odpychaj¹ siê, wiêc pierœcieñ zostaje chwilowo odepchniêty od górnej zwojnicy (odchyli siê w lewo). c Gdy oddalamy magnes od dolnej zwojnicy, pr¹d indukcyjny w obwodzie ma przeciwny kierunek ni poprzednio, wiêc bieguny zwojnic s¹ tak e prze- 273

7 O zjawiskach magnetycznych (elektromagnetyzm) ciwne. Gdy zaczynamy oddalaæ magnes, przy lewym koñcu górnej zwojnicy w³aœnie powstaje biegun. Jest to równowa ne zbli aniu do pierœcienia magnesu, zwróconego do niego biegunem. Wtedy w pierœcieniu powstaje pr¹d indukcyjny o takim kierunku, e po stronie prawej pierœcienia tak e powstaje biegun. Bieguny jednoimienne odpychaj¹ siê, wiêc w tym przypadku pierœcieñ tak e zostaje chwilowo odepchniêty od górnej zwojnicy. 192 a Gdy biegun magnesu zbli a siê do zwojnicy A, to pole magnetyczne w jej wnêtrzu staje siê coraz silniejsze. W zwojnicy indukuje siê pr¹d elektryczny o takim kierunku, by od do³u powstawa³ biegun, który odpycha zbli aj¹cy siê biegun. Równoczeœnie do zwojnicy B zbli a siê biegun, powoduje powstanie w jej górnej czêœci tak e bieguna. Jak widaæ, pr¹d w obu zwojnicach p³ynie w tê sam¹ stronê i arówka mo e œwieciæ. b Po miniêciu po³o enia pionowego, biegun zaczyna siê oddalaæ od zwojnicy A, co powoduje zmianê kierunku pr¹du i biegunów magnetycznych; to samo dzieje siê z biegunem, który oddala siê od zwojnicy B dwa razy w czasie jednego obrotu magnesu. Jeœli czêstotliwoœæ obrotu magnesu jest du a, to drucik arówki nie zd¹ y wystygn¹æ i arówka stale œwieci. Jest to przyk³ad pr¹dnicy. 193 a To by³by silnik, bo praca pr¹du elektrycznego zasilaj¹cego elektromagnesy jest tu wykorzystana do zwiêkszenia energii kinetycznej poruszaj¹cego siê magnesu sztabkowego. Jest to model silnika, u ywanego do zwiêkszania szybkoœci poci¹gów, poruszaj¹cych siê na poduszkach magnetycznych. b Odstêpy czasu musz¹ byæ coraz krótsze, bo magnes porusza siê ruchem przyspieszonym. 274 A B

8 194 a z 1 z V 220 V z b Przek³adnia wynosi z Rozwi¹zania 10 68, z 68 z Z kierunku pr¹du w zwojnicach wynika, e a linie pola magnetycznego pomiêdzy zwojnicami zwrócone s¹ za rysunek; z regu³y pozwalaj¹cej wykryæ zwrot si³y magnetycznej wynika, e w przestrzeni miêdzy zwojnicami zacznie dzia³aæ na elektrony si³a zwrócona w dó³. Fragment toru elektronów pomiêdzy zwojnicami bêdzie ³ukiem okrêgu. b Gdy elektrony min¹ ten obszar, bêd¹ siê poruszaæ po liniach prostych (1), wówczas bowiem nie bêdzie na nie dzia³aæ si³a magnetyczna. c Gdyby w zwojnicach p³yn¹³ silniejszy pr¹d wytwarza³by miêdzy zwojnicami silniejsze pole magnetyczne; tor elektronów miêdzy zwojnicami by³by bardziej zakrzywiony, elektrony odchyli³yby siê bardziej od pierwotnego kierunku, a po wyjœciu z tego obszaru porusza³yby siê po innej prostej (2). zybkoœæ elektronów nie uleg³aby zmianie si³a magnetyczna zmienia tylko kierunek prêdkoœci cz¹stki na³adowanej, bo jest ona prostopad³a do prêdkoœci cz¹stki. d Zjawisko odchylania magnetycznego zosta³o zastosowane np. w oscyloskopie lub lampie kineskopowej telewizora. (2) (1) 196 Fale radiowe: radioodbiorniki, telewizory, radar, alarmy samochodowe, tomografy rezonansu magnetycznego, telefony komórkowe, kuchenki mikrofalowe, diatermia. Fale podczerwone: piloty telewizyjne, lampy do nagrzewania, noktowizory, opiekacze. Fale widzialne: arówki i inne urz¹dzenia do oœwietlania. Fale ultrafioletowe: lampy kwarcowe, urz¹dzenia do sterylizacji. Promieniowanie rentgenowskie: aparaty do przeœwietlania. Promieniowanie gamma: bomba kobaltowa