Czego można się nauczyć z prostego modelu szyny magnetycznej



Podobne dokumenty
Temat XXIV. Prawo Faradaya

MAGNETYZM, INDUKCJA ELEKTROMAGNETYCZNA. Zadania MODUŁ 11 FIZYKA ZAKRES ROZSZERZONY

Indukcja elektromagnetyczna. Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Obwód składający się z baterii (źródła siły elektromotorycznej ) oraz opornika. r opór wewnętrzny baterii R- opór opornika

Wykład FIZYKA II. 4. Indukcja elektromagnetyczna. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

RÓWNANIA MAXWELLA. Czy pole magnetyczne może stać się źródłem pola elektrycznego? Czy pole elektryczne może stać się źródłem pola magnetycznego?

Indukcja elektromagnetyczna Faradaya

Pole elektromagnetyczne

SPIS TREŚCI ««*» ( # * *»»

Fizyka współczesna. Zmienne pole magnetyczne a prąd. Zjawisko indukcji elektromagnetycznej Powstawanie prądu w wyniku zmian pola magnetycznego

Zad. 2 Jaka jest częstotliwość drgań fali elektromagnetycznej o długości λ = 300 m.

Pole elektrostatyczne

II prawo Kirchhoffa Obwód RC Obwód RC Obwód RC

INDUKCJA ELEKTROMAGNETYCZNA

Wykład 15: Indukcja. Dr inż. Zbigniew Szklarski. Katedra Elektroniki, paw. C-1, pok

Podstawy fizyki sezon 2 5. Pole magnetyczne II

Wykłady z Fizyki. Elektromagnetyzm

Wykład 14: Indukcja cz.2.

PRAWO OHMA DLA PRĄDU PRZEMIENNEGO

PRĄDNICE I SILNIKI. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Badanie transformatora

Wykład 14: Indukcja. Dr inż. Zbigniew Szklarski. Katedra Elektroniki, paw. C-1, pok

Prąd elektryczny - przepływ ładunku

Dynamika ruchu postępowego, ruchu punktu materialnego po okręgu i ruchu obrotowego bryły sztywnej

Szczegółowe kryteria oceniania z fizyki w gimnazjum kl. II

Sterowanie Napędów Maszyn i Robotów

Sterowanie Napędów Maszyn i Robotów

Badanie transformatora

Modele odpowiedzi i punktacji

Warunki uzyskania oceny wyższej niż przewidywana ocena końcowa.

Podstawy fizyki sezon 2 6. Indukcja magnetyczna

Pole magnetyczne Wykład LO Zgorzelec

LXVII OLIMPIADA FIZYCZNA ZAWODY II STOPNIA

Plan Zajęć. Ćwiczenia rachunkowe

ZADANIA DLA CHĘTNYCH NA 6 (SERIA I) KLASA II

KOOF Szczecin:

Podstawy fizyki sezon 2 5. Pole magnetyczne II

Ćwiczenie: "Silnik prądu stałego"

Elektrodynamika Część 6 Elektrodynamika Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Oddziaływanie wirnika

Kolokwium 2. Środa 14 czerwca. Zasady takie jak na pierwszym kolokwium

30R4 POWTÓRKA FIKCYJNY EGZAMIN MATURALNYZ FIZYKI I ASTRONOMII - IV POZIOM ROZSZERZONY

WYMAGANIA EDUKACYJNE FIZYKA STOSOWANA II Liceum Ogólnokształcące im. Adama Asnyka w Bielsku-Białej

Indukcja elektromagnetyczna

Klasa 1. Zadania domowe w ostatniej kolumnie znajdują się na stronie internetowej szkolnej. 1 godzina fizyki w tygodniu. 36 godzin w roku szkolnym.

WYMAGANIA EDUKACYJNE Z FIZYKI

Nazwa magnetyzm pochodzi od Magnezji w Azji Mniejszej, gdzie już w starożytności odkryto rudy żelaza przyciągające żelazne przedmioty.

Pojęcie ładunku elektrycznego

Zasady dynamiki Newtona. Ilość ruchu, stan ruchu danego ciała opisuje pęd

KARTOTEKA TESTU I SCHEMAT OCENIANIA - gimnazjum - etap wojewódzki. Rodzaj/forma zadania. Max liczba pkt. zamknięte 1 1 p. poprawna odpowiedź

Zasady dynamiki Newtona. Autorzy: Zbigniew Kąkol Kamil Kutorasiński

Źródła siły elektromotorycznej = pompy prądu

Oddziaływania. Wszystkie oddziaływania są wzajemne jeżeli jedno ciało działa na drugie, to drugie ciało oddziałuje na pierwsze.

Magnetostatyka. Bieguny magnetyczne zawsze występują razem. Nie istnieje monopol magnetyczny - samodzielny biegun północny lub południowy.

Wyznaczanie sił działających na przewodnik z prądem w polu magnetycznym

LABORATORIUM PODSTAW ELEKTROTECHNIKI Badanie silnika bocznikowego prądu stałego

Badanie transformatora

POLE MAGNETYCZNE Magnetyzm. Pole magnetyczne. Indukcja magnetyczna. Siła Lorentza. Prawo Biota-Savarta. Prawo Ampère a. Prawo Gaussa dla pola

ZAKRES MATERIAŁU DO MATURY PRÓBNEJ KL III

Maszyny Elektryczne i Transformatory sem. III zimowy 2012/2013

Dielektryki polaryzację dielektryka Dipole trwałe Dipole indukowane Polaryzacja kryształów jonowych

FIZYKA Podręcznik: Fizyka i astronomia dla każdego pod red. Barbary Sagnowskiej, wyd. ZamKor.

Rozkład materiału i wymagania edukacyjne na poszczególne oceny z fizyki i astronomii dla klasy II TE, IITI, II TM w roku szkolnym 2012/2013

Zjawisko Halla Referujący: Tomasz Winiarski

Indukcja elektromagnetyczna

1 K A T E D R A F I ZYKI S T O S O W AN E J

BADANIE ELEKTRYCZNEGO OBWODU REZONANSOWEGO RLC

Badanie własności hallotronu, wyznaczenie stałej Halla (E2)

Podstawy fizyki sezon 2 5. Indukcja Faradaya

Q t lub precyzyjniej w postaci różniczkowej. dq dt Jednostką natężenia prądu jest amper oznaczany przez A.

Proces przemiany energii może zachodzić w dwóch kierunkach: maszyna elektryczna może pracować jako prądnica (generator) lub jako silnik.

Prądem elektrycznym nazywamy uporządkowany ruch cząsteczek naładowanych.

KONKURS PRZEDMIOTOWY Z FIZYKI dla uczniów gimnazjów województwa lubuskiego. Schemat punktowania zadań

I. Poziom: poziom rozszerzony (nowa formuła)

FIZYKA I ASTRONOMIA RUCH JEDNOSTAJNIE PROSTOLINIOWY RUCH PROSTOLINIOWY JEDNOSTAJNIE PRZYSPIESZONY RUCH PROSTOLINIOWY JEDNOSTAJNIE OPÓŹNIONY

DYNAMIKA SIŁA I JEJ CECHY

Wykład FIZYKA II. 2. Prąd elektryczny. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

KONKURS FIZYCZNY CZĘŚĆ 3. Opracowanie Agnieszka Janusz-Szczytyńska

30P4 POWTÓRKA FIKCYJNY EGZAMIN MATURALNYZ FIZYKI I ASTRONOMII - IV POZIOM PODSTAWOWY

Fizyka 2 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

Indukcja własna i wzajemna. Prądy wirowe

Silniki indukcyjne. Ze względu na budowę wirnika maszyny indukcyjne dzieli się na: -Maszyny indukcyjne pierścieniowe. -Maszyny indukcyjne klatkowe.

Pole magnetyczne Ziemi. Pole magnetyczne przewodnika z prądem

Materiały pomocnicze 11 do zajęć wyrównawczych z Fizyki dla Inżynierii i Gospodarki Wodnej

pobrano z serwisu Fizyka Dla Każdego zadania fizyka, wzory fizyka, matura fizyka

Elektrodynamika. Część 6. Elektrodynamika. Ryszard Tanaś. Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Zasady dynamiki Newtona. Ilość ruchu, stan ruchu danego ciała opisuje pęd

PRAWO OHMA DLA PRĄDU PRZEMIENNEGO

Elektromagnetyzm. pole magnetyczne prądu elektrycznego

Ćwiczenie: "Silnik indukcyjny"

Rozkład materiału nauczania

Electromagnetic interactions. Oddziaływania elektromagnetyczne

Charakterystyka rozruchowa silnika repulsyjnego

Podstawy elektrodynamiki / David J. Griffiths. - wyd. 2, dodr. 3. Warszawa, 2011 Spis treści. Przedmowa 11

Spis treści. Tom 1 Przedmowa do wydania polskiego 13. Przedmowa 15. Wstęp 19

Księgarnia PWN: David J. Griffiths - Podstawy elektrodynamiki

FIZYKA Z ASTRONOMIĄ POZIOM PODSTAWOWY

M2. WYZNACZANIE MOMENTU BEZWŁADNOŚCI WAHADŁA OBERBECKA

Transkrypt:

Czego można się nauczyć z prostego modelu szyny magnetycznej 1) Hamowanie magnetyczne I B F L m v L Poprzeczka o masie m może się przesuwać swobodnie po dwóch równoległych szynach, odległych o L od siebie. Szyny znajdują się w obszarze pola magnetycznego o indukcji B, skierowanego prostopadle do płaszczyzny szyn. Szyny zwarte są oporem, który reprezentuje zarazem opory resztkowe tzn. szyn, poprzeczki i doprowadzeń. Elementy opisu: siła elektrodynamiczna działająca na poprzeczkę z prądem, poruszającą się w polu magnetycznym. Przy danym zwrocie wektora indukcji magnetycznej zwrot tej siły zależy od kierunku przepływu prądu. F L = I L B siła elektromotoryczna (SEM) ε = B L V generowana w poruszającym się pręcie na skutek działania siły Lorentza na ładunki swobodne znajdujące się w metalu (zjawisko Halla). wersja alternatywna z prawa Faraday'a: ε = d Φ dt =B L d x d t zwrot generowanej SEM określa reguła przekory (Lenza): zmiany w układzie (ruch) powodują powstanie reakcji, która usiłuje im przeciwdziałać prąd generowany w takim kierunku aby zapobiec zwiększaniu strumienia magnetycznego przez hamowanie poprzeczki.

ozwiązanie: V (t)=v o e λ t λ= B2 L 2 m Bilans energetyczny: Energia kinetyczna Ciepło Joula-Lorenza

2) Prądnica magnetyczna prądu stałego I B F L m F L Elementy opisu: jw. + warunek Vo=0 dodatkowo zewnętrzna siła napędzająca F, wykonująca pracę nad układem i wprowadzająca do niego energię ewentualna obecność mechanicznych sił oporu, które na razie zostaną pominięte ównanie ruchu: m dv dt = (F F L ) = ( F B2 L 2 V ) ozwiązanie: V (t)=v k (1 e λ t ) V k = F B 2 L 2 W stanie ustalonym: Moc wprowadzana do układu: P = F V k = F 2 B 2 L 2 Moc wydzielana: P r = ε 2 = B2 L 2 2 V k = F 2 B 2 L 2

Bilans energetyczny: Praca mechaniczna Energia kinetyczna Ciepło Joula-Lorenza

3) Prosty a w miarę realistyczny model działania silnika elektrycznego prądu stałego (może też być modelem działa elektromagnetycznego ;-) I Uo + - B m F L v L Poprzeczka o masie m może się przesuwać swobodnie po dwóch równoległych szynach, odległych o L od siebie. Szyny znajdują się w obszarze pola magnetycznego o indukcji B, skierowanego prostopadle do płaszczyzny szyn. Do tych szyn podłączono źródło zasilania o napięciu Uo przez opornik o wartości (opornik ten zawiera w sobie wszystkie opory resztkowe tzn. szyn, poprzeczki i doprowadzeń). Na dynamikę ruchu poprzeczki mają wpływ następujące elementy: siła elektrodynamiczna działająca na poprzeczkę z prądem, poruszającą się w polu magnetycznym. Przy danym zwrocie wektora indukcji magnetycznej zwrot tej siły zależy od kierunku przepływu prądu. F L = I ( L B) siła oporu poprzeczki, zawierająca składową tarcia poprzeczki o szyny oraz ewentualną siłę oporu powietrza, zależną od prędkości poprzeczki. Zwrot siły oporu jest zawsze przeciwny do zwrotu wektora prędkości. F T = m g b V siła elektromotoryczna, generowana w poprzeczce przy jej ruchu w polu magnetycznym. =B LV Zwrot tej siły względem napięcia zasilającego Uo jest określony przez tzw. regułę przekory albo regułę Lenza. Mówi ona, że generowana siła elektromotoryczna ma taki zwrot, aby zapobiegać zmianom w układzie, w szczególności naszej sytuacji będzie zawsze skutkowała hamowaniem ruchu poprzeczki.

generowanie prądu w obwodzie pod wpływem wypadkowej siły elektromotorycznej, tzn. złożenia Uo i, określonego przez prawo Ohma z wartością oporności. Napięcie zasilające jest podłączone tak, aby wymuszać ruch poprzeczki w prawo. I = Uo Działanie tych czynników określa kompletną postać równania ruchu poprzeczki po szynach. m dv dt = F L F T = B L Uo B LV m g bv Po drobnych przekształceniach dostajemy: dv dt = a o g k V gdzie odpowiednie stałe dane są wzorami: a o = B LU o m k = B2 L 2 m b m ównanie to opisuje ruch poprzeczki, co oznacza, że dla prędkości początkowej Vo=0 równanie można stosować dla a o większego od g, kiedy poprzeczka sama rusza do przodu, albo w sytuacji V > 0. ozwiązanie równania dla Vo=0 ma postać: V t = V k 1 e t gdzie: V k = a o g k = B L U o m g k m = B L k m U o g k Po wstawieniu wartości stałej k otrzymujemy: V k = B LU o B 2 L 2 b m g B 2 L 2 b

Prąd pobierany w czasie ruchu poprzeczki wynosi: I k = U o B L V k = U o 1 B2 L 2 k m g B L k = U o b B 2 L 2 b m g B L B 2 L 2 b Pomijamy opór powietrza (b=0) W sytuacji gdy pominiemy opór powietrza dostajemy: I k = m g B L Oznacza to, że układ zużywa prąd tylko na pokonanie oporów tarcia (sił przeciwdziałających ruchowi silnika), natomiast sam ruch bez oporów (bieg swobodny silnika) nie powoduje żadnego zużycia energii ani wydzielania ciepła. Zamiast siły tarcia może tu wystąpić dowolna siła hamująca niezależna od prędkości np. siła wykonująca pracę użyteczną. Dodatkowo dla tego przypadku równanie na prędkość końcową przyjmuje postać: V k = U o B L m g B 2 L 2 Po uwzględnieniu wartości na prąd końcowy dostajemy prostą i zrozumiałą relację: V k = U o I k B L Po prostu prędkość musi osiągnąć wartość przy której indukowana siła elektromotoryczna równoważy napięcie zasilania pomniejszone o spadek napięcia na oporach w obwodzie: B LV k = U o I k Ponowne przyjrzenie się pełnym równaniom na prędkość i prąd końcowy prowadzi do istotnego wniosku, że napisane powyżej równanie jest prawdziwe ogólnie, nie tylko dla b=0! Oznacza to tylko tyle, że cała rola sił oporu, zarówno sił tarcia jak i sił oporu powietrza zostaje w pełni uwzględniona przez wartość prądu w stanie końcowym i wniosek końcowy wiążące wielkości mierzone w stanie końcowym prowadzi do prostego i oczywistego równania, którego sensem jest drugie prawo Kirchhoffa.

Bilans energetyczny: Energia zasilania Praca mechaniczna Energia kinetyczna Ciepło Joula-Lorenza