Název: Základní pokusy na elektromagnetickou indukci Autor: Mgr. Petr Majer Název školy: Gymnázium Jana Nerudy, škola hl. města Prahy Předmět (mezipředmětové vztahy) : Fyzika (Matematika) Tematický celek: Elektřina a magnetismus Ročník: 5. (3. ročník vyššího gymnázia) Popis - stručná anotace: Žák provede základní pokusy na jev elektromagnetické indukce a zjistí, zda a jak závisí napětí indukované na cívce na parametrech pokusu (počet závitů cívky, rychlost pohybu magnetu či změny proudu apod. Tento výukový materiál byl vytvořen v rámci projektu Přírodní vědy prakticky a v souvislostech inovace výuky přírodovědných předmětů na Gymnáziu Jana Nerudy (číslo projektu CZ.2.17/3.1.00/36047) financovaného z Operačního programu Praha - Adaptabilita.
Výukové materiály Úkol Pozorovat, že za jistých podmínek může vzniknout elektrické napětí i na cívce, která není připojena ke zdroji napětí. Zjistit, které parametry ovlivňují velikost a polaritu napětí indukovaného na cívce a jakým způsobem. Pomůcky Datalogger, modul voltmetr, cívky např. se 60, 300, 600, 1200 a 12000 závity, reostat např. 105 Ω, zdroj napětí, spojovací vodiče Teorie V první polovině 19. století zjistit Oersted, že v okolí vodiče, kterým prochází proud, vzniká magnetické pole. Vědci si poté začali klást otázku, zda existuje i jev opačný, tedy zda se dá vytvořit elektrické napětí (a tedy v uzavřeném obvodu elektrický proud) pomocí magnetického pole. Úspěšným objevitelem tohoto jevu byl anglický fyzik Michael Faraday, který ukázal, že v uzavřeném obvodu může vzniknout elektrický proud tehdy, když se obvod nachází v proměnném magnetickém poli. Zákon vyjadřující velikost napětí U e takto vzniklého (indukovaného) na cívce s N závity se dnes nazývá Faradayův zákon elektromagnetické indukce a má tvar Φ U e =, t kde Φ je změna magnetického indukčního toku cívkou za čas t. Postup práce 1. Začněte pracovat nejlépe s cívkou s 600 závity. Připojte cívku k voltmetru a voltmetr k dataloggeru. Přibližujte magnet k "otvoru" cívky. Co pozorujete? Chvíli držte magnet v cívce. Teď magnet oddalujte. Pak postavte magnet na stůl, přibližte k němu cívku a pak ji odtáhněte. Všímejte si, co se děje. V jakých případech se na cívce indukuje napětí? 2. Nyní budeme zkoumat, na čem závisí velikost a polarita (znaménko) indukovaného napětí. Vsouvejte magnet do cívky nejprve severním pólem a pak jižním pólem napřed. Jaké je indukované napětí? Změní se napětí při vysouvání magnetu? 3. Zkuste magnet vsouvat do cívky různou rychlostí. Má rychlost pohybu cívky vůči magnetu vliv na velikost indukovaného napětí?
4. Použijte různé cívky.ve třídě jsou cívky se 60, 300, 600, 1200 a 12000 závity. Zkuste si je navzájem popůjčovat. Připojujte k voltmetru různé cívky. Zastrkujte do nich magnet stále stejnou rychlostí! Co pozorujete? 5. Přibližujte magnet k cívce naplocho (tj. osa magnetu je rovnoběžná s osou cívky). Co se děje? 6. Přibližujte magnet k boku cívky (tj. osa magnetu je kolmá na osu cívky). Co se děje? 7. Místo magnetu použijte elektromagnet. Jednu z cívek (tu s menším počtem závitů!!!) připojte k ploché baterii (to bude tzv. primární cívka) a druhou (sekundární cívku) k voltmetru. Nepoužívejte cívku s 12000 závity!!!!! Nechte si obvod zkontrolovat. Zapněte proud v primární cívce. Nechte proud chvíli procházet a pak ho vypnete. Pozorujte voltmetr. 8. Pohybujte sekundární cívkou na jádře v době, kdy primární cívkou prochází stálý proud. Pozorujte voltmetr. 9. Zapojte reostat do obvodu mezi baterii a primární cívku. Reostatem měňte proud procházející primární cívkou a sledujte voltmetr. Zkuste pohybovat jezdcem různými rychlostmi. Co pozorujete? 10. Na základě svých pozorování formulujte závěry; na čem závisí velikost indukovaného napětí a jakým způsobem. Výsledky 1. V jakých případech se na cívce indukuje napětí? Napětí se indukuje jen tehdy, když je magnet v pohybu vůči cívce. 2. Vsouvejte magnet do cívky nejprve severním pólem a pak jižním pólem napřed. Jaké je indukované napětí? Změní se napětí při vysouvání magnetu? Vsouváme a vysouváme-li stejnou rychlostí, je napětí stejně velké, ale má opačné znaménko (polaritu). 3. Zkuste magnet vsouvat do cívky různou rychlostí. Má rychlost pohybu cívky vůči magnetu vliv na velikost indukovaného napětí? Ano, čím větší rychlost, tím větší napětí. 4. Použijte různé cívky.ve třídě jsou cívky se 60, 300, 600, 1200 a 12000 závity. Zkuste si je navzájem popůjčovat. Připojujte k voltmetru různé cívky. Zastrkujte do nich magnet stále stejnou rychlostí! Co pozorujete? Čím více závitů cívka má, tím je indukované napětí větší. 5. Přibližujte magnet k cívce naplocho (tj. osa magnetu je rovnoběžná s osou cívky). Co se děje? Žádné napětí se neindukuje. 6. Přibližujte magnet k boku cívky (tj. osa magnetu je kolmá na osu cívky). Co se děje?
Žádné napětí se neindukuje. 7. Zapněte proud v primární cívce. Nechte proud chvíli procházet a pak ho vypnete. Pozorujte voltmetr. Napětí na sekundární cívce se indukuje jen v okamžicích zapnutí a vypnutí proudu. Když proud prochází neměnně, nic se neindukuje. 8. Pohybujte sekundární cívkou na jádře v době, kdy primární cívkou prochází stálý proud. Pozorujte voltmetr. Na cívce se indukuje napětí, jehož znaménko závisí na směru pohybu cívky a jehož velikost závisí na rychlosti pohybu cívky. 9. Zapojte reostat do obvodu mezi baterii a primární cívku. Reostatem měňte proud procházející primární cívkou a sledujte voltmetr. Zkuste pohybovat jezdcem různými rychlostmi. Co pozorujete? Napětí se na cívce indukuje jen při změně proudu. Čím rychlejší je pohyb jezdce reostatu (a tím změna proudu), tím je indukované napětí větší. 10. Na základě svých pozorování formulujte závěry; na čem závisí velikost indukovaného napětí a jakým způsobem. Velikost napětí závisí na počtu závitů cívky (čím více závitů, tím vyšší napětí) a na rychlosti změny magnetického pole (čím rychlejší změna, tím větší napětí). Další aplikace, možnosti, rozšíření, zajímavosti Faradayův zákon elektromagnetické indukce říká, že indukované napětí je přímo úměrné časové změně magnetického indukčního toku. Ten je roven součinu magnetické indukce a plochy závitu. Naprostá většina školních pokusů se soustřeďuje na ověření vzniku napětí při změně magnetické indukce a pomíjí druhou možnost měnit indukční tok pomocí změny plochy. Zajímavou možností je tedy ukázat, že indukované napětí vzniká ve stálém magnetickém poli při změně plochy. Buď je možné použít silnější magnet a cívku namotanou z vodiče, kterou připojíme k voltmetru a budeme ji deformovat. Nebo je možno vytvořit jeden závit z dlouhého drátu, jehož horní část drží dva lidé nad hlavou. Ti jsou od sebe vzdáleni několik metrů. Závit je orientován v magnetickém poli Země tak, že jeho osa směřuje od severu k jihu. Konce závitu připojíme k voltmetru. Na pokyn obě osoby současně pustí horní část závitu, který padá přibližně volným pádem k zemi a tak se zmenšuje jeho plocha. Je třeba použít dostatečně těžký vodič, aby dobře padal. Ze změřené doby pádu, rozměrů závitu a indukovaného napětí lze dopočítat horizontální složku indukce magnetického pole Země. Změřená hodnota se dobře shoduje s teoretickou hodnotou.
Pracovní list žáka Základní pokusy na elektromagnetickou indukci Laboratorní práce č.: Třída, školní rok: Vypracoval: Spolupracovali: Úkol Pozorovat, že za jistých podmínek může vzniknout elektrické napětí i na cívce, která není připojena ke zdroji napětí. Zjistit, které parametry ovlivňují velikost a polaritu napětí indukovaného na cívce a jakým způsobem. Pomůcky Datalogger, modul voltmetr, cívky např. se 60, 300, 600, 1200 a 12000 závity, reostat např. 105 Ω, zdroj napětí, spojovací vodiče Teorie V první polovině 19. století zjistit Oersted, že v okolí vodiče, kterým prochází proud, vzniká magnetické pole. Vědci si poté začali klást otázku, zda existuje i jev opačný, tedy zda se dá vytvořit elektrické napětí (a tedy v uzavřeném obvodu elektrický proud) pomocí magnetického pole. Úspěšným objevitelem tohoto jevu byl anglický fyzik Michael Faraday, který ukázal, že v uzavřeném obvodu může vzniknout elektrický proud tehdy, když se obvod nachází v proměnném magnetickém poli. Zákon vyjadřující velikost napětí U e takto vzniklého (indukovaného) na cívce s N závity se dnes nazývá Faradayův zákon elektromagnetické indukce a má tvar Φ U e =, t kde Φ je změna magnetického indukčního toku cívkou za čas t. Postup práce 1. Začněte pracovat nejlépe s cívkou s 600 závity. Připojte cívku k voltmetru a voltmetr k dataloggeru. Přibližujte magnet k "otvoru" cívky. Co pozorujete? Chvíli držte magnet v cívce. Teď magnet oddalujte. Pak postavte magnet na stůl, přibližte k němu cívku a pak ji odtáhněte. Všímejte si, co se děje. V jakých případech se na cívce indukuje napětí? 2. Nyní budeme zkoumat, na čem závisí velikost a polarita (znaménko) indukovaného napětí. Vsouvejte magnet do cívky nejprve severním pólem a pak jižním pólem napřed. Jaké je indukované napětí?
Změní se napětí při vysouvání magnetu? 3. Zkuste magnet vsouvat do cívky různou rychlostí. Má rychlost pohybu cívky vůči magnetu vliv na velikost indukovaného napětí? 4. Použijte různé cívky.ve třídě jsou cívky se 60, 300, 600, 1200 a 12000 závity. Zkuste si je navzájem popůjčovat. Připojujte k voltmetru různé cívky. Zastrkujte do nich magnet stále stejnou rychlostí! Co pozorujete? 5. Přibližujte magnet k cívce naplocho (tj. osa magnetu je rovnoběžná s osou cívky). Co se děje? 6. Přibližujte magnet k boku cívky (tj. osa magnetu je kolmá na osu cívky). Co se děje? 7. Místo magnetu použijte elektromagnet. Jednu z cívek (tu s menším počtem závitů!!!) připojte k ploché baterii (to bude tzv. primární cívka) a druhou (sekundární cívku) k voltmetru. Nepoužívejte cívku s 12000 závity!!!!! Nechte si obvod zkontrolovat. Zapněte proud v primární cívce. Nechte proud chvíli procházet a pak ho vypnete. Pozorujte voltmetr. 8. Pohybujte sekundární cívkou na jádře v době, kdy primární cívkou prochází stálý proud. Pozorujte voltmetr. 9. Zapojte reostat do obvodu mezi baterii a primární cívku. Reostatem měňte proud procházející primární cívkou a sledujte voltmetr. Zkuste pohybovat jezdcem různými rychlostmi. Co pozorujete? 10. Na základě svých pozorování formulujte závěry; na čem závisí velikost indukovaného napětí a jakým způsobem. Výsledky Závěr