Siła Elektrodynamiczna

Podobne dokumenty
Projekt efizyka. Multimedialne środowisko nauczania fizyki dla szkół ponadgimnazjalnych. Zjawisko Halla. Ćwiczenie wirtualne

Projekt efizyka. Multimedialne środowisko nauczania fizyki dla szkół ponadgimnazjalnych. Prawo Ohma. Ćwiczenie wirtualne. Marcin Zaremba

Projekt efizyka. Multimedialne środowisko nauczania fizyki dla szkół ponadgimnazjalnych. Prawa Kirchhoffa. Ćwiczenie wirtualne

Kalorymetr wyznaczanie ciepła właściwego i ciepła topnienia

Projekt efizyka. Multimedialne środowisko nauczania fizyki dla szkół ponadgimnazjalnych. Rura Kundta. Ćwiczenie wirtualne. Marcin Zaremba

Projekt efizyka. Multimedialne środowisko nauczania fizyki dla szkół ponadgimnazjalnych. Prawo Ohma. Ćwiczenie wirtualne. Marcin Zaremba

Projekt efizyka. Multimedialne środowisko nauczania fizyki dla szkół ponadgimnazjalnych. Zjawisko Halla. Ćwiczenie wirtualne

Wyznaczanie sił działających na przewodnik z prądem w polu magnetycznym

Pomiar indukcji pola magnetycznego w szczelinie elektromagnesu

Projekt efizyka. Multimedialne środowisko nauczania fizyki dla szkół ponadgimnazjalnych. Prawo Ohma. Ćwiczenie wirtualne. Marcin Zaremba

Ciało Doskonale Czarne

Obrazowanie za pomocą soczewki

Marcin Bieda. Cykl Carnota. (Instrukcja obsługi)

Efekt Halla. Cel ćwiczenia. Wstęp. Celem ćwiczenia jest zbadanie efektu Halla. Siła Loretza

Wyznaczanie składowej poziomej natężenia pola magnetycznego Ziemi za pomocą busoli stycznych

Polaryzacja światła, kąt Brewstera

Badanie własności hallotronu, wyznaczenie stałej Halla (E2)

Załamanie światła, Pryzmat

Badanie rozkładu pola magnetycznego przewodników z prądem

Ćwiczenie nr 43: HALOTRON

Interferometr Michelsona

Wyznaczanie stosunku e/m elektronu

Marcin Bieda. Pierścienie Newtona. (Instrukcja obsługi)

Wyznaczanie momentu magnetycznego obwodu w polu magnetycznym

MAGNETYZM, INDUKCJA ELEKTROMAGNETYCZNA. Zadania MODUŁ 11 FIZYKA ZAKRES ROZSZERZONY

Badanie transformatora

Marcin Bieda. Cykl Carnota. (Instrukcja obsługi)

MOMENT MAGNETYCZNY W POLU MAGNETYCZNYM

Wyznaczanie momentu magnetycznego obwodu w polu magnetycznym

Paweł Kogut. Projekt efizyka Multimedialne środowisko nauczania fizyki dla szkół ponad gimnazjalnych. Wirtualne Laboratorium Fizyki Ćwiczenie:

BADANIE EFEKTU HALLA. Instrukcja wykonawcza

Ćwiczenie: "Silnik prądu stałego"

F = e(v B) (2) F = evb (3)

Prosty model silnika elektrycznego

Ćwiczenie 41. Busola stycznych

Zakład Zastosowań Elektroniki i Elektrotechniki

6. Zjawisko Halla w metalach

BADANIE WYMUSZONEJ AKTYWNOŚCI OPTYCZNEJ. Instrukcja wykonawcza

Szczegółowe kryteria oceniania z fizyki w gimnazjum kl. II

Ziemskie pole magnetyczne

Badanie transformatora

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

Ć W I C Z E N I E N R E-18

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 41: Busola stycznych

3.5 Wyznaczanie stosunku e/m(e22)

POLE MAGNETYCZNE Własności pola magnetycznego. Źródła pola magnetycznego

Badanie transformatora

Uwaga. Łącząc układ pomiarowy należy pamiętać o zachowaniu zgodności biegunów napięcia z generatora i zacisków na makiecie przetwornika.

dr inż. Zbigniew Szklarski

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

Wyznaczanie przenikalności magnetycznej i krzywej histerezy

POLE MAGNETYCZNE W PRÓŻNI

Ćwiczenie 5 Badanie sensorów pola magnetycznego na przykładzie magnetorezystora AMR

Elektromagnetyzm. pole magnetyczne prądu elektrycznego

E1. OBWODY PRĄDU STAŁEGO WYZNACZANIE OPORU PRZEWODNIKÓW I SIŁY ELEKTROMOTORYCZNEJ ŹRÓDŁA

cz. 1. dr inż. Zbigniew Szklarski

Osłabienie Promieniowania Gamma

SPRAWDZANIE SŁUSZNOŚCI PRAWA OHMA DLA PRĄDU STAŁEGO

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

Wykład FIZYKA II. 3. Magnetostatyka. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Ćwiczenie: "Pomiary rezystancji przy prądzie stałym"

Pole magnetyczne Ziemi. Pole magnetyczne przewodnika z prądem

Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego nr 5

Ćwiczenie nr 254. Badanie ładowania i rozładowywania kondensatora. Ustawiony prąd ładowania I [ ma ]: t ł [ s ] U ł [ V ] t r [ s ] U r [ V ] ln(u r )

BADANIE CHARAKTERYSTYK FOTOELEMENTU

Wyznaczanie krzywej ładowania kondensatora

Wprowadzenie do fizyki pola magnetycznego

LIV OLIMPIADA FIZYCZNA 2004/2005 Zawody II stopnia

BADANIE EFEKTU HALLA. Instrukcja wykonawcza

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 26 MAGNETYZM I ELEKTROMAGNETYZM. CZĘŚĆ 1

Ile wynosi całkowite natężenie prądu i całkowita oporność przy połączeniu równoległym?

Badanie rozkładu pola elektrycznego

Wyznaczanie przenikalności magnetycznej i krzywej histerezy

WOJEWÓDZKI KONKURS FIZYCZNY

Zestaw doświadczalny - siły elektromagnetyczne [ BAP_ doc ]

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

1. Opis aplikacji. 2. Przeprowadzanie pomiarów. 3. Tworzenie sprawozdania

KONKURS PRZEDMIOTOWY Z FIZYKI dla uczniów gimnazjów. Schemat punktowania zadań

Indukcja magnetyczna pola wokół przewodnika z prądem. dr inż. Romuald Kędzierski

Badanie rozkładu pola elektrycznego

Temat: POLE MAGNETYCZNE PROSTOLINIOWEGO PRZEWODNIKA Z PRĄDEM

Powtórka 5. między biegunami ogniwa przepłynął ładunek 13,5 C. Oblicz pracę wykonaną przez ogniwo podczas przemieszczania ładunku między biegunami.

26 MAGNETYZM. Włodzimierz Wolczyński. Indukcja magnetyczna a natężenie pola magnetycznego. Wirowe pole magnetyczne wokół przewodnika prostoliniowego

Plan metodyczny do lekcji fizyki. TEMAT: Prawo Ohma. Opór elektryczny.

Klasyczny efekt Halla

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

WIECZOROWE STUDIA ZAWODOWE LABORATORIUM OBWODÓW I SYGNAŁÓW

Zjawisko Halla Referujący: Tomasz Winiarski

Ćwiczenie 4 Badanie uogólnionego przetwornika pomiarowego

Wprowadzenie do programu MultiSIM

Zadanie 106 a, c WYZNACZANIE PRZEWODNICTWA WŁAŚCIWEGO I STAŁEJ HALLA DLA PÓŁPRZEWODNIKÓW. WYZNACZANIE RUCHLIWOŚCI I KONCENTRACJI NOŚNIKÓW.

Sprzęt i architektura komputerów

E12. Wyznaczanie parametrów użytkowych fotoogniwa

KONKURS FIZYCZNY dla uczniów gimnazjów województwa lubuskiego 26 lutego 2010 r. zawody III stopnia (finałowe) Schemat punktowania zadań

Gromadzenie danych. Przybliżony czas ćwiczenia. Wstęp. Przegląd ćwiczenia. Poniższe ćwiczenie ukończysz w czasie 15 minut.

Zwój nad przewodzącą płytą METODA ROZDZIELENIA ZMIENNYCH

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 27 MAGNETYZM I ELEKTROMAGNETYZM. CZĘŚĆ 2

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

Transkrypt:

Projekt efizyka Multimedialne środowisko nauczania fizyki dla szkół ponadgimnazjalnych. Siła Elektrodynamiczna Ćwiczenie wirtualne Marcin Zaremba 2014-06-30 Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego (POKL) Priorytet III, Działanie 3.3.

Spis treści 1. Wprowadzenie... 2 2. Teoria w zarysie... 2 3. Wykonanie eksperymentu symulowanego... 3 CEL ĆWICZENIA... 3 WYKONANIE EXPERYMENTU... 4 ANALIZA WYNIKÓW... 7 1

1. Wprowadzenie Ćwiczenia wirtualne stanowią uzupełnienie teorii dostępniej w podręczniku do nauki fizyki. Są serią doświadczeń symulowanych, opartych często o prawdziwe dane pomiarowe, odzwierciedlające prawdziwe doświadczenia związane z danym zagadnieniem fizycznym, możliwe do realizacji w laboratorium. Mogą być traktowane jako wstęp do wykonania samodzielnie przez uczniów takich ćwiczeń w rzeczywistości ; być pomocnym narzędziem do samodzielnej nauki danego zagadnienia w domu po skończonej lekcji; być traktowane jako zalążek budowy samodzielnych rzeczywistych urządzeń; bądź w przypadku niemożliwości przeprowadzenia i wykonania rzeczywistych doświadczeń w czasie lekcji z powodów technicznych (czy to przez nauczyciela czy przez uczniów), stanowić zastępstwo dla takich eksperymentów. Program został napisany w środowisku LabVIEW 2013 SP1 firmy National Instruments. Do prawidłowego jego działa potrzebny jest komputer z zainstalowanym systemem MS Windows w wersji 7 lub nowszej oraz LabVIEW Run-Time Engine 2013 (RTE) firmy National Instruments, który można pobrać za darmo ze strony internetowej NI lub strony projektu. RTE musi być zainstalowany tylko jednokrotnie i jest wspólny dla wszystkich aplikacji. (W przypadku starszych systemów niż Windows 7, mogą występować problemy z uruchomieniem aplikacji lub błędami wyświetlania. W takim przypadku prosimy o kontakt z projektantami. Dane kontaktowe można znaleźć na stronie projektu). Instalacja oprogramowania pobranego ze strony projektu nie nastręcza trudności. Po uruchomieniu instalatora można wybrać miejsce instalacji (zaleca się zachowanie domyślnej lokalizacji). Po pomyślnym ukończeniu procesu instalacji, aplikacja powinna uruchomić się automatycznie lub można uruchomić ją za pomocą skrótu. 2. Teoria w zarysie Na ładunek elektryczny poruszający się w polu magnetycznym B działa siła Lorentza określona jako: F L ev d B gdzie: F L siła Lorentza e ładunek nośników B indukcja pola magnetycznego v d prędkość dryfu nośników. Wektor siły jest prostopadły do płaszczyzny wektorów w której leżą wektory v d i B a jego kierunek wyznacza reguła siły prawoskrętnej. Przepływ prądu o natężeniu I wzdłuż cienkiej płytki umieszczonej w polu magnetycznym o indukcji B jest ruchem ładunków, na które to działa siła Lorenza. 2

Natężenie prądu definiowane jest jako przepływ ładunku w jednostce czasu: oraz z definicji prędkości wiadomo, że gdzie l jest długością rozpatrywanego przewodnika, zatem łącząc te dwie zależności otrzymujemy: Po przekształceniu i zapisaniu powyższego wzoru w postaci wektorowej mamy: Gdzie wektor l można traktować jako reprezentację rozpatrywanego przewodnika, przy czym jego zwrot jest zgodny z kierunkiem przepływu ładunków. Uwzględniając wzór na siłę Lorentza, otrzymujemy wzór określający siłę elektrodynamiczną: ( ) Dla uproszczenia obliczeń w doświadczeniu dobiera się tak kierunek pola magnetycznego, aby wektor indukcji magnetycznej B był skierowany pod kątem prostym do wektora prędkości, co upraszcza obliczenia zastępując iloczyn wektorowy, mnożeniem i wzór na siłę elektrodynamiczną przyjmuje postać: (Wynika to z definicji iloczynu skalarnego: F=IlBsinα, gdzie α jest kątem pomiędzy wektorami, a sinus kąta 90 wynosi 1). 3. Wykonanie eksperymentu symulowanego CEL ĆWICZENIA Celem doświadczenia jest: pomiar siły elektrodynamicznej działającej na przewodnik z prądem umieszony w jednorodnym polu magnetycznym zarejestrowanie charakterystyki F(I) działającej na przewodnik przy stałej wartości indukcji magnetycznej B (stała wartość I m ) zarejestrowanie charakterystyki F(I m ) przy stałej wartości prądu I płynącego przez przewodnik wyznaczenie charakterystyki B(I m ) zastosowanego elektromagnesu. 3

WYKONANIE EXPERYMENTU Schemat blokowy zestawu eksperymentalnego został przedstawiony na rysunku 1. W skład zestawu wchodzą: Zasilacz laboratoryjny Multimetr Pomiar I Przełącznik Zasilacz laboratoryjny Multimetr Pomiar I m Ramka z drutu Elektromagnes Rysunek 1. Schemat blokowy zestawu eksperymentalnego. o zasilacz laboratoryjny służący do zasilania ramki z drutu (1) o multimetr uniwersalny mierzący prąd płynący przez ramkę I (2) o przełącznik umożliwiający zmianę kierunku prądu płynącego przez ramkę (3) o ramka z drutu, powieszona na wadze wraz ze statywem (4) o zasilacz laboratoryjny służący do zasilania elektromagnesu (5) o multimetr uniwersalny mierzący prąd płynący w cewce elektromagnesu I m (6) o elektromagnes (7) Na rysunku 2 zaznaczono na panelu sterowania wirtualnego zestawu pomiarowego poszczególne elementy zestawu. Rysunek 2. Poszczególne elementy zestawu doświadczalnego. 4

W rzeczywistości doprowadzenia prądu do ramki muszą być wykonane z bardzo giętkiego przewodu w celu zminimalizowania oporów ruchu. Jako, że ramka ma kształt prostokątny, to wypadkowa siła elektrodynamiczna działająca na pionowe części ramki wnosi 0, a zatem pozorna zmiana masy (a tak naprawdę ciężaru ramki) jest przejawem siły elektrodynamicznej działającej na poziomy odcinek. Mierząc pozorną zmianę masy i uwzględniając współczynnik przyciągania ziemskiego (9,81m/s 2 ), obliczamy siłę elektrodynamiczną działającą na poziomy odcinek ramki. W doświadczeniu przyjęto, że wymiar poziomego odcinka l wynosi 10 cm. W rzeczywistości, aby efekt pozornej zmiany masy (zmiana ciężaru) był lepiej widoczny oraz aby ułatwić jednocześnie pomiar, można wykonać kształt ramki na laminacie drukowanym, przy czym zrobić to w kształcie zygzaków tak aby wielokrotnie przeciąć pole magnetyczne. W takim przypadku siła elektrodynamiczna będzie działać na znacznie większy odcinek przewodu (n-krotnie dłuższy niż l). Obrazuje to schematycznie rysunek 3. Rysunek 3. Model ramki z większą liczbą poziomych elementów ułatwiającą pomiar zmiany ciężaru spowodowanego działaniem siły elektrodynamicznej. Konstrukcję tego typu wykorzystuje się w silnikach elektrycznych. Uzwojenia wirnika nawinięte są drutem nawojowym ciasno jeden przy drugim i umieszczone w polu magnetycznym wytwarzanym przez magnesy stałe lub stojan (odpowiednik elektromagnesu). Przed przystąpieniem do doświadczenia podobnie jak w rzeczywistym eksperymencie należy przygotować aparaturę do pomiaru. W tym celu należy otworzyć magazynek i następnie klikając w poszczególne przyrządy wyciągnąć je na panel przedni (rysunek 4). Można to zrobić ręcznie bądź skorzystać z trybu automatycznego. Rysunek 4. Przygotowanie zestawu pomiarowego. 5

Następnie połączyć przyrządy wciskając przycisk połącz przyrządy. W rzeczywistości trzeba zawsze pamiętać o prawidłowym podłączaniu amperomierzy, aby nie spowodować ich uszkodzenia. W kolejnym kroku należy włączyć przyrządy pomiarowe i zasilacze, ustawić multimetry mierzące prądy I oraz I m w tryb pomiaru prądu stałego (można wykonać to ręcznie bądź skorzystać z trybu automatycznego). Zmieniając wartość prądu płynącego w ramce (poprzez zmianę napięcia zasilania) oraz wartość prądu w uzwojeniu elektromagnesu możemy obserwować zmianę wskazania wagi (pozorna utrata masy), spowodowaną działaniem siły elektrodynamicznej na poziomy odcinek ramki, która w zależności od kierunku płynącego prądu (jak i też kierunku wektora B czego nie możemy zmienić w tej wersji doświadczenia) działa pionowo w górę lub w dół. Na rysunku 5 przedstawiono kompletny i skonfigurowany zestaw pomiarowy. Rysunek 5. Kompletny i skonfigurowany zestaw doświadczalny gotowy do pomiarów. Wykonanie pomiarów a) Ustawiamy wartość prądu przepływającego przez ramkę oraz wartość prądu elektromagnesu na 0. Odczytujemy masę ramki. b) Ustawiamy stałą wartość prądu sterującego magnesem - I m (np. 3A) c) Zmieniamy wartość prądu płynącego przez ramkę I poprzez zmianę napięcia zasilacza laboratoryjnego i zapisujemy odczytane wartości m. d) Ustawiamy stałą wartość prądu płynącego przez ramkę. 6

e) Zmieniamy wartość prądu I m (czyli tym samym zmieniamy wartość indukcji B) i zapisujemy odczytane wartości m. Mając zebrane tak dwie serie pomiarów, możemy zrealizować wszystkie cele doświadczenia wymienione na początku rozdziału. ANALIZA WYNIKÓW Wykorzystując dane zebrane w dwóch seriach pomiarowych wykreślić należy charakterystykę F(I) przy prądzie elektromagnesu I m =const oraz charakterystykę F(I m ) przy I=const. (Zgodnie z teorią powinniśmy otrzymać linie proste przy założeniu że charakterystyka B(I m ) elektromagnesu jest liniowa). Wartość siły elektrodynamicznej dla każdego punktu pomiarowego obliczamy ze wzoru: (m n -m 0 )g, gdzie g w naszej szerokości geograficznej można przyjąć jako 9,81m/s 2. Rejestrację powyższych charakterystyk można powtórzyć przy innych wartościach I m =const i I=const. Wykorzystując dane pomiarowe, które posłużyły do wykreślenia charakterystyki F(I m ) przy I - =const, należy wykreślić charakterystykę B(I m ) zastosowanego elektromagnesu. 7