Logo designed by Armella Leung, www.armella.fr.to Krzysztof Pawłowski Centrum Fizyki Teoretycznej PAN Warszawa Magnetyczna latarka Prawa Faradaya? Oj.. Relacja pomiędzy zmianą wartości strumienia magnetycznego przechodzącego przez..., Uczeń ma znać TREŚĆ definicji.... Przedstawiamy pomysł jak pogodzić wymagania programowe z efektywnym nauczeniem odwiecznej zmory uczniów jednym z praw Maxwella. Oczywiście receptą jest proste i efektowne doświadczenie. Tym razem pokażemy jak samemu zbudować migającą latarkę alias rowerowe dynamo. 1. Potrzebne materiały Do wykonania doświadczeń potrzebne będą: dwa magnesy neodymowe o średnicy ok. 15mm (do kupienia w wielu sklepach internetowych koszt do 5zł) plastikową tubkę o średnicy większej niż magnes, np ze strzykawki, probówki, opakowania po tabletkach musujących.., opakowanie po kliszy, diodę, drut miedziany, gumę do zamocowania drutu na tubce (na rysunku kawałek dętki rowerowej), nożyk do papieru, trochę waty. Rys. 1. Zestaw elementów niezbędnych do wykonania doświadczenia. 2. Wykonanie Na tubkę nawijamy około 300 zwojów drutu, tak jak pokazano na rysunku 2. Zadanie może ułatwić kawałek dętki lub gumki, która zabezpieczy drut przed zsuwaniem z tubki. Drut należy tak nawinąć, żeby oba jego końce miały długość co najmniej 40 cm. Po nawinięciu wszystkich zwojów należy zeskrobać izolację z obu jego końców rys. 3.
Rys. 2 Nawiń ok. 300 zwojów drutu na tubkę, dętką zabezpiecz drut przed zsuwaniem Rys. 3. Nożykiem do papieru zeskrob izolację z końcówek drutu. Aby łatwiej obserwować świecącą diodę można do niej wykonać obudowę. Najpierw z opakowania po kliszy odcinamy denko, jak na rys. 4. Następnie nacinamy w pokrywce od kliszy dwa małe otwory. Pozbawione izolacji końcówki drutu przewlekamy przez te otwory i owijamy wokół końcówek diody. Diodę można zamontować 'na stałe' w latarce wciskając jej końcówki w pokrywkę od kliszy. Tak przygotowana dioda przedstawiona jest na rysunku 5. Pokrywkę z diodą naciskamy na opakowanie od kliszy z uciętym denkiem. Rys. 4. Odetnij dno z opakowania po kliszy. Rys. 5. Zamontuj diodę w pokrywce opakowania od kliszy. Do tubki z nawiniętymi zwojami wrzucamy połączone biegunami magnesy i... gotowe. Teraz wystarczy potrząsać tubką ze zwojami. Dioda powinna migać tak jak na rysunku 6. Aby zabawka służyła dłużej należy przed oraz po wrzuceniu magnesu umieścić w tubce trochę waty. Wata wytłumi uderzenia magnesu o ścianki tubki i ochroni ją przed zniszczeniem.
Rys. 6. Potrząsamy tubką z magnesem w środku dioda zaczyna migać 3. Wytłumaczenie, dyskusja, ćwiczenia. Co się dzieje podczas potrząsania tubką? Magnes w środku jest wprawiany w ruch, a wraz z nim jego pole magnetyczne. Zmienne pole magnetyczne jest przyczyną powstawania prądu w drucie. Warto zwrócić uwagę, że dopóki nie poruszymy tubką dioda się nie zaświeci, czyli pole magnetyczne musi się zmieniać, żeby doszło do indukcji prądu. Uchroni nas to przed typowym wśród uczniów błędem, częstym zapominanie o słówku zmienne w treści prawa Faradaya. A czy latarka zadziała, jeśli magnes będzie na zewnątrz tubki? Np. magnes zrzucany w kierunku prostopadłym do osi latarki nie powoduje zaświecenia diody. Ale jeśli rzucimy go, tak aby spadał blisko tubki, równolegle do jej osi, latarka powinna się na chwilę zabłysnąć. W obu wypadkach pole zmienia się w ten sam sposób. Zasadnicza różnica polega na zmianie strumienia pola magnetycznego przez ramkę. W pierwszym przypadku strumień przez cały czas jest praktycznie równy zero i zmienia się nieznacznie. Gdybyśmy mieli nieskończenie cienką ramkę i rzucali magnes tak precyzyjnie, żeby ciągle leciał w kierunku ramki i w płaszczyźnie ramki taki strumień byłby po prostu równy zero.taka sytuacja jest schematycznie przedstawiona na rysunku 7.
Rys. 7. Jeśli magnes leci z boku na ramkę (np. magnes zbliża się do ramki, ale porusza się w jej płaszczyźnie), to strumień pola magnetycznego jest bliski 0. W drugim przypadku zmiany strumienia mogą być duże. Ta sytuacja jest przedstawiona na rysunku 8. Rys. 8. Jeśli magnes nadlatuje w kierunku ramki, ale nie w jej płaszczyźnie, to strumień pola magnetycznego może być duży. Podsumowując aby wytworzyć prąd w ramce musimy dysponować zmiennym polem magnetycznym np. poruszającym się magnes, ostatecznie o tym czy prąd zostanie wyindukowany decyduje nie samo pole magnetyczne, ale jego strumień, np. magnes musi się poruszać w określonym kierunku w stosunku do ramki. Wszystkie własności są ukryte w prawie indukcji Faradaya: Ε = dφ/dt, gdzie E siła elektromotoryczna, czyli napięcie jakie indukuje się w ramce z przewodnika pod wpływem zmieniania pola magnetycznego, φ strumień pola magnetycznego przez powierzchnie ramki. Oznaczenie dφ/dt, to pochodna strumienia po czasie - wielkość, która
'mierzy' szybkość zmiany strumienia pola magnetycznego. Wzór pozwala obliczyć nie tylko wartość indukowanego napięcia, ale również, w którą stronę będą się poruszać elektrony w ramce. Program nauczania Szkoła ponadgimnazjalna Podstawa programowa: Elektryczność i magnetyzm. Tematy lekcji: Prawo Faradaya. Prądnica.