Fizika | Középiskola » Bartos-Elekes István - Fedezzük fel az elektromágneses indukciót, prezentáció

2 3 Faradayt a mindenkori kísérleti fizika egyik legnagyszerűbb tudósának tartják. Néhány tudománytörténész úgy emlegeti őt, mint a természettudomány-történet legnagyobb kísérletezőjét Ez nagyban köszönhető az elektromosság területén kifejtett erőfeszítéseinek, mely lehetővé tette, hogy az elektromosság képessé vált a technológiai felhasználásra. a Wikipedia nyomán 4 1821. A kor tudósai tudták: az elektromos áramnak van mágneses tere. Mi sem látszott egyszerűbbnek, mint az ok-okozat megfordítása. Viszonylag gyenge áramok már erős mágneses teret hoztak létre, de a legerősebb mágnesek sem voltak képesek elektromos áramot kelteni. Faraday mintegy tíz évig kereste a megoldást. Hiába! Egy véletlen mozdulat azonban meghozta a várva várt sikert 5 A0. kísérlet Megállapítás: H↓=állandó>0 ΔH↓=0 e=0 A tekercsbe helyezett mágnes nem kelt áramot, az igen érzékeny galvanométer kitérése zérus. 7

A0. kísérlet Megállapítás: H↑=állandó<0 ΔH↑=0 e=0 A tekercsbe helyezett mágnes nem kelt áramot, az igen érzékeny galvanométer kitérése zérus. 8 A1. kísérlet A mágnest déli pólusával (S) betoljuk a tekercsbe. A galvanométer jobbra tér ki. 9 A1. kísérlet Megállapítás: H↓>0 ΔH↓>0 e>0 A mágnest déli pólusával (S) betoljuk a tekercsbe. A galvanométer jobbra tér ki. 10 A2. kísérlet A mágnest ezután kihúzzuk a tekercsből. A galvanométer ellenkező irányba tér ki. 11 A2. kísérlet Megállapítás: H↓>0 ΔH↓<0 e<0 A mágnest ezután kihúzzuk a tekercsből. A galvanométer ellenkező irányba tér ki. 12 A3. kísérlet A mágnest északi pólusával (N) betoljuk a tekercsbe. A galvanométer balra tér ki 13 A3. kísérlet Megállapítás: H↑<0 Δ|H↑|>0 e<0 A mágnest északi pólusával (N) betoljuk a tekercsbe. A galvanométer balra tér ki 14 A4. kísérlet A

mágnest ezután kihúzzuk a tekercsből. A galvanométer ellenkező irányba tér ki. 15 A4. kísérlet Megállapítás: H↑<0 Δ|H↑|<0 e>0 A mágnest ezután kihúzzuk a tekercsből. A galvanométer ellenkező irányba tér ki. 16 A1 A2 ΔH↓>0 e>0 A3 ΔH↓<0 e<0 A4 Δ|H↑|>0 e<0 Δ|H↑|<0 e>0 17 Okkereső köztes összefoglaló A sorozat. Egy állandómágnest ki-be mozgattunk egy tekercsben A mágneses tér ΔH változása e feszültséget indukált az n = 1000 menetes tekercsben, ezt jól kimutatta a galvanométer. Felírhatjuk: ΔH e. Vajon tényleg a ΔH az ok? Talán a mágnesünk valamilyen más tulajdonsága is oka lehet a jelenségnek? 18 B0. kísérlet I0=37mA Megállapítás: H↑=állandó<0 Δ|H↑|=0 e=0 e=0 A tekercsre helyezett másik, áramjárta tekercs mágneses tere nem kelt áramot, az igen érzékeny galvanométer kitérése zérus. 19 B0. kísérlet I0=37mA Megállapítás:

H↓=állandó>0 ΔH↓=0 e=0 e=0 A tekercsre helyezett másik, áramjárta tekercs mágneses tere nem kelt áramot, az igen érzékeny galvanométer kitérése zérus. 20 B1. kísérlet I0=37mA Az áramjárta tekercset déli pólusával (S) közelítjük a másik tekercshez. A galvanométer jobbra tér ki 21 B1. kísérlet I0=37mA Megállapítás: H↓>0 ΔH↓>0 e>0 Az áramjárta tekercset déli pólusával (S) közelítjük a másik tekercshez. A galvanométer jobbra tér ki 22 B2. kísérlet I0=37mA Az áramjárta tekercset déli pólusával (S) eltávolítjuk a másik tekercstől. A galvanométer balra tér ki 23 B2. kísérlet I0=37mA Megállapítás: H↓>0 ΔH↓<0 e<0 Az áramjárta tekercset déli pólusával (S) eltávolítjuk a másik tekercstől. A galvanométer balra tér ki 24 B3. kísérlet I0=37mA Az áramjárta tekercset északi pólusával (N) közelítjük a másik tekercshez. A galvanométer balra tér ki 25 B3.

kísérlet I0=37mA Megállapítás: H↑<0 Δ|H↑|>0 e<0 Az áramjárta tekercset északi pólusával (N) közelítjük a másik tekercshez. A galvanométer balra tér ki 26 B4. kísérlet I0=37mA Az áramjárta tekercs északi pólusát (N) eltávolítjuk a másik tekercstől. A galvanométer jobbra tér ki 27 B4. kísérlet I0=37mA Megállapítás: H↑<0 Δ|H↑|<0 e>0 Az áramjárta tekercs északi pólusát (N) eltávolítjuk a másik tekercstől. A galvanométer jobbra tér ki 28 B2 B1 ΔH↓>0 e>0 B3 ΔH↓<0 e<0 B4 Δ|H↑|>0 e<0 Δ|H↑|<0 e>0 29 Okkereső köztes összefoglaló B sorozat. Egy áramjárta tekerccsel megismételtük az A sorozat kísérleteit. Pontosan ugyanarra az eredményre jutottunk Újból leírhatjuk: ΔH e. Mégis, nem a mozgatáshoz tartozó valamilyen más jelenség az ok? Mivel a XIX. század elején vagyunk, a műszerek még kezdetlegesek, ezért újabb bizonyítékokat

keresünk. 30 C0. kísérlet Io=37mA Ho=hIo ΔH=hΔIo=0 Megállapítás: H↑<0 Δ|H↑|=0 e=0 A tekercsre helyezett másik, áramjárta tekercs mágneses tere nem kelt áramot, az igen érzékeny galvanométer kitérése zérus. 31 C0. kísérlet Io=37mA Ho=hIo ΔH=hΔIo=0 Megállapítás: H↓>0 ΔH↓=0 e=0 A tekercsre helyezett másik, áramjárta tekercs mágneses tere nem kelt áramot, az igen érzékeny galvanométer kitérése zérus. 32 C1. kísérlet ΔH=hΔIo ΔH>0 Az áramjárta tekercs déli pólusa (S) van közelebb a tekercshez. Ha növeljük az áramot, a galvanométer jobbra tér ki. 33 C1. kísérlet ΔH=hΔIo ΔH>0 Megállapítás: H↓>0 ΔH↓>0 e>0 Az áramjárta tekercs déli pólusa (S) van közelebb a tekercshez. Ha növeljük az áramot, a galvanométer jobbra tér ki. 34 C2. kísérlet ΔH=hΔIo ΔH<0 Az áramjárta tekercs déli pólusa (S) van közelebb a tekercshez. Ha csökkentjük az áramot, a

galvanométer balra tér ki. 35 C2. kísérlet ΔH=hΔIo ΔH<0 Megállapítás: H↓>0 ΔH↓<0 e<0 Az áramjárta tekercs déli pólusa (S) van közelebb a tekercshez. Ha csökkentjük az áramot, a galvanométer balra tér ki. 36 C3. kísérlet ΔH=hΔIo ΔH>0 Az áramjárta tekercs északi pólusa (N) van közelebb a tekercshez. Ha növeljük az áramot, a galvanométer balra tér ki. 37 C3. kísérlet ΔH=hΔIo ΔH>0 Megállapítás: H↑<0 Δ|H↑|>0 e<0 Az áramjárta tekercs északi pólusa (N) van közelebb a tekercshez. Ha növeljük az áramot, a galvanométer balra tér ki. 38 C4. kísérlet ΔH=hΔIo ΔH<0 Az áramjárta tekercs északi pólusa (N) van közelebb a tekercshez. Ha csökkentjük az áramot, a galvanométer jobbra tér ki. 39 C4. kísérlet ΔH=hΔIo ΔH<0 Megállapítás: H↑<0 Δ|H↑|<0 e>0 Az áramjárta tekercs északi pólusa (N) van közelebb a tekercshez. Ha csökkentjük az

áramot, a galvanométer jobbra tér ki. 40 C2 C1 ΔH↓>0 e>0 C3 ΔH↓<0 e<0 C4 Δ|H↑|>0 e<0 Δ|H↑|<0 e>0 41 Okkereső köztes összefoglaló C sorozat. Elkerültük a mechanikai mozgást Csak a tekercsen átfolyó áramot változtattuk. Pontosan ugyanarra az eredményre jutottunk, mint az A sorozatban. Egy különbség azért mégis van, a keltett feszültség sokkal kisebb az előbbieknél, hiszen nagyon lassan tudtuk forgatni az áramszabályozó gombot. H = hI0, a ΔH = hΔI0, vagyis látszólag biztosak vagyunk az okban: a mágneses tér ΔH változása az egyetlen oka a keltett feszültségnek. A h egy konstrukciós arányossági tényező. Biztosan leírhatjuk: ΔH e. Nincs más ok? 42 D0. kísérlet H↑=hI0 B=μH ΔB↑=ΔμH↑ Δμ=0 Δ|B↑|=0 Megállapítás: H↑<0 ΔH↑=0 Δ|B↑|=0 e=0 A tekercsre helyezett másik, áramjárta tekercs mágneses tere nem kelt áramot. A lágyvas csak a mágneses indukciót (B)

növeli. Az igen érzékeny galvanométer kitérése zérus 43 D0. kísérlet H↓=hI0 B=μH ΔB↓=ΔμH↓ Δμ=0 ΔB↓=0 Megállapítás: H↓>0 ΔH↓=0 ΔB↓=0 e=0 A tekercsre helyezett másik, áramjárta tekercs mágneses tere nem kelt áramot. A lágyvas csak a mágneses indukciót (B) növeli. Az igen érzékeny galvanométer kitérése zérus 44 D1. kísérlet H↑=hI0 B=μH ΔB↑=ΔμH↑ Δμ>0 Δ|B↑|>0 A lágyvas betolása a tekercsbe (Δμ) a mágneses indukciót növeli (ΔB), a H↑ értéke állandó marad. A galvanométer balra tér ki. 45 D1. kísérlet H↑=hI0 B=μH ΔB↑=ΔμH↑ Δμ>0 Δ|B↑|>0 Megállapítás: H↑<0 ΔH↑=0; Δμ>0 Δ|B↑|>0 e<0 A lágyvas betolása a tekercsbe (Δμ) a mágneses indukciót növeli (ΔB), a H↑ értéke állandó marad. A galvanométer balra tér ki. 46 D2. kísérlet H↑=hI0 B=μH ΔB↑=ΔμH↑ Δμ<0 Δ|B↑|<0 A lágyvas kihúzása (Δμ) a mágneses

indukciót csökkenti (ΔB), a H↑ értéke állandó marad. A galvanométer jobbra tér ki. 47 D2. kísérlet H↑=hI0 B=μH ΔB↑=ΔμH↑ Δμ<0 Δ|B↑|<0 Megállapítás: H↑<0 ΔH↑=0; Δμ<0 Δ|B↑|<0 e>0 A lágyvas kihúzása (Δμ) a mágneses indukciót csökkenti (ΔB), a H↑ értéke állandó marad. A galvanométer jobbra tér ki. 48 D3. kísérlet H↑=hI0 B=μH ΔB↑=ΔμH↑ Δμ>0 Δ|B↑|>0 Ha megfordítjuk a lágyvasat, nem történik pólusváltás! A lágyvas betolása a tekercsbe (Δμ) a mágneses indukciót növeli (ΔB), a H↑ értéke állandó marad. A galvanométer balra tér ki 49 D3. kísérlet H↑=hI0 B=μH ΔB↑=ΔμH↑ Δμ>0 Δ|B↑|>0 Megállapítás: H↑<0 ΔH↑=0; Δμ>0 Δ|B↑|>0 e<0 Ha megfordítjuk a lágyvasat, nem történik pólusváltás! A lágyvas betolása a tekercsbe (Δμ) a mágneses indukciót növeli (ΔB), a H↑ értéke állandó marad. A galvanométer

balra tér ki 50 D4. kísérlet H↑=hI0 B=μH ΔB↑=ΔμH↑ Δμ<0 Δ|B↑|<0 A lágyvas kihúzása (Δμ) a mágneses indukciót csökkenti (ΔB), a H↑ értéke állandó marad. A galvanométer jobbra tér ki 51 D4. kísérlet H↑=hI0 B=μH ΔB↑=ΔμH↑ Δμ<0 Δ|B↑|<0 Megállapítás: H↑<0 ΔH↑=0; Δμ<0 Δ|B↑|<0 e>0 A lágyvas kihúzása (Δμ) a mágneses indukciót csökkenti (ΔB), a H↑ értéke állandó marad. A galvanométer jobbra tér ki 52 D1 D2 ΔH↑=0; Δ|B↑|<0 e>0 ΔH↑=0; Δ|B↑|>0 e<0 D4 D3 ΔH↑=0; Δ|B↑|>0 e<0 ΔH↑=0; Δ|B↑|<0 e>0 53 Okkereső köztes összefoglaló D sorozat. Megtartottuk az áramjárta tekercset az állandó árammal (I0 = const, ΔI0 = 0, vagyis ΔH = 0), de változtattuk a közeget. Az eredmények hasonlóak, de sokkal nagyobb feszültségek keletkeztek, pedig a mágneses tér állandó volt. Ha a lágyvasrudat megfordítottuk, nem változott

az e iránya, ami egyértelműen csak az eddigi közeg mágneses tulajdonságainak megváltozását jelzi. Nem a ΔH lenne az ok? A mágneses közeg váltásával a H marad, de a tér mágneses indukciója megváltozik: B = μH, ΔB = ΔμhI0, vagyis az eddigi kísérleteknél a jelenség oka valójában a ΔB volt (mozgatás ΔB, ΔI0 ΔB, Δμ ΔB), csak mi összekevertük a ΔH-val (akarattal tettük) . Biztosan leírhatjuk: ΔB e? Vajon az eddigi okok mellé nem találunk még valami mást is? Kezdünk elbizonytalanodni? 54 E0. kísérlet Egy vízzel színültig telt pohár, amelynek látszólag semmi köze sincs az előbbi kísérletekhez (esetleg, ha piros színe lenne). Amikor megfogjuk a poharat, a víz kicsordul. Az egyetlen magyarázat csak az lehet, hogy kisebb lett a pohár térfogata, ennek pedig csak a keresztmetszet csökkenése lehet az oka. 55 E1. kísérlet Ha lágyan megfogjuk a kör keresztmetszetű poharat, az elipszoid formát vesz fel, amelynek

felülete kisebb a körénél (ΔS < 0), a víz túlcsordul 56 E2. kísérlet Ha lágyan megfogjuk a kör keresztmetszetű poharat, az elipszoid formát vesz fel, amelynek felülete kisebb a körénél (ΔS < 0), a víz túlcsordul 57 E3. kísérlet Ha lágyan megfogjuk a kör keresztmetszetű poharat, az elipszoid formát vesz fel, amelynek felülete kisebb a körénél (ΔS < 0), a víz túlcsordul 58 E4. kísérlet Ha lágyan megfogjuk a kör keresztmetszetű poharat, az elipszoid formát vesz fel, amelynek felülete kisebb a körénél (ΔS < 0), a víz túlcsordul 59 E5. kísérlet Ha lágyan megfogjuk a kör keresztmetszetű poharat, az elipszoid formát vesz fel, amelynek felülete kisebb a körénél (ΔS < 0), a víz túlcsordul 60 E6. kísérlet Ha lágyan megfogjuk a kör keresztmetszetű poharat, az elipszoid formát vesz fel, amelynek felülete kisebb a körénél (ΔS < 0), a víz túlcsordul 61 E7. kísérlet Ha lágyan megfogjuk

a kör keresztmetszetű poharat, az elipszoid formát vesz fel, amelynek felülete kisebb a körénél (ΔS < 0), a víz túlcsordul 62 E8. kísérlet Ha lágyan megfogjuk a kör keresztmetszetű poharat, az elipszoid formát vesz fel, amelynek felülete kisebb a körénél (ΔS < 0), a víz túlcsordul 63 E9. kísérlet Ha lágyan megfogjuk a kör keresztmetszetű poharat, az elipszoid formát vesz fel, amelynek felülete kisebb a körénél (ΔS < 0), a víz túlcsordul 64 Okkereső köztes összefoglaló E sorozat. Látszólag értelmetlen, nem a témához tartozó, triviális kísérlet. Az eredmény azonban egyértelmű: az összes zárt, azonos hosszúságú görbe közül a kör zárja be a legnagyobb területet. Ha sikerül a ΔS-sel, akárcsak egy nagyon kis feszültséget is keltenünk, akkor az elfogadott ΔB e helyett a fluxusváltozás léphet be alapokként: Φ = BS = μhI0S; ΔΦ = ΔBS, vagy ΔΦ = BΔS; vajon a ΔΦ e lehetséges? 65 F0.

kísérlet B↓=bI0>0 ΔH=0 ΔB↓=0 ΔΦ=B↓ΔS ΔS=0 ΔΦ=0 A zárt vasmagos körben erős mágneses tér van, iránya B↓. Megállapítás: B↓>0; ΔS=0 ΔΦ=0 e=0 Az erős mágneses tér egyetlen paramétere sem változik. Az igen érzékeny galvanométer kitérése zérus. 66 F0. kísérlet B↑=bI0<0 ΔH=0 ΔB↑=0 Δ|Φ|=|B↑|ΔS ΔS=0 Δ|Φ|=0 A zárt vasmagos körben erős mágneses tér van, iránya B↑. Megállapítás: B↑<0; ΔS=0 Δ|Φ|=0 e=0 Az erős mágneses tér egyetlen paramétere sem változik. Az igen érzékeny galvanométer kitérése zérus. 67 F1. kísérlet B↓=bI0>0 ΔH=0 ΔB↓=0 ΔΦ=B↓ΔS ΔS<0 ΔΦ<0 A zárt vasmagos körben erős mágneses tér van, iránya B↓. Az erős mágneses tér egyetlen paramétere sem változik. Ha hirtelen összenyomjuk a tekercset (ΔS<0), a galvanométer balra tér ki. 68 F1. kísérlet B↓=bI0>0 ΔH=0 ΔB↓=0 ΔΦ=B↓ΔS ΔS<0 ΔΦ<0 A zárt vasmagos körben

erős mágneses tér van, iránya B↓. Megállapítás: B↓>0; ΔS<0 ΔΦ<0 e<0 Az erős mágneses tér egyetlen paramétere sem változik. Ha hirtelen összenyomjuk a tekercset (ΔS<0), a galvanométer balra tér ki. 69 F2. kísérlet B↓=bI0>0 ΔH=0 ΔB↓=0 ΔΦ=B↓ΔS ΔS>0 ΔΦ>0 A zárt vasmagos körben erős mágneses tér van, iránya B↓. Az erős mágneses tér egyetlen paramétere sem változik. Ha megszüntetjük az összenyomást (ΔS>0), a galvanométer jobbra tér ki. 70 F2. kísérlet B↓=bI0>0 ΔH=0 ΔB↓=0 ΔΦ=B↓ΔS ΔS>0 ΔΦ>0 A zárt vasmagos körben erős mágneses tér van, iránya B↓. Megállapítás: B↓>0; ΔS>0 ΔΦ>0 e>0 Az erős mágneses tér egyetlen paramétere sem változik. Ha megszüntetjük az összenyomást (ΔS>0), a galvanométer jobbra tér ki. 71 F3. kísérlet B↑=bI0<0 ΔH=0 ΔB↑=0 Δ|Φ|=|B↓|ΔS ΔS<0 Δ|Φ|<0 A zárt vasmagos körben erős mágneses

tér van, iránya B↑. Az erős mágneses tér egyetlen paramétere sem változik. Ha hirtelen összenyomjuk a tekercset (ΔS<0), a galvanométer jobbra tér ki. 72 F3. kísérlet B↑=bI0<0 ΔH=0 ΔB↑=0 Δ|Φ|=|B↓|ΔS ΔS<0 Δ|Φ|<0 A zárt vasmagos körben erős mágneses tér van, iránya B↑. Megállapítás: B↑<0; ΔS<0 Δ|Φ|<0 e>0 Az erős mágneses tér egyetlen paramétere sem változik. Ha hirtelen összenyomjuk a tekercset (ΔS<0), a galvanométer jobbra tér ki. 73 F4. kísérlet B↑=bI0<0 ΔH=0 ΔB↑=0 Δ|Φ|=|B↓|ΔS ΔS>0 Δ|Φ|>0 A zárt vasmagos körben erős mágneses tér van, iránya B↑. Az erős mágneses tér egyetlen paramétere sem változik. Ha megszüntetjük az összenyomást (ΔS>0), a galvanométer balra tér ki. 74 F4. kísérlet B↑=bI0<0 ΔH=0 ΔB↑=0 Δ|Φ|=|B↓|ΔS ΔS>0 Δ|Φ|>0 A zárt vasmagos körben erős mágneses tér van, iránya B↑. Megállapítás: B↑<0;

ΔS>0 Δ|Φ|>0 e<0 Az erős mágneses tér egyetlen paramétere sem változik. Ha megszüntetjük az összenyomást (ΔS>0), a galvanométer balra tér ki. 75 F1 F2 B↓>0; ΔS<0; ΔΦ<0 e<0 B↓>0; ΔS>0; ΔΦ>0 e>0 F4 F3 B↑<0; ΔS<0; Δ|Φ|<0 e>0 B↑<0; ΔS>0; Δ|Φ|>0 e<0 76 Okkereső köztes összefoglaló F sorozat. Állandó értéken tartottuk a B-t A tekercs gyors összenyomásával a körből más alakú görbe jött létre, így az általa bezárt terület csökkent (ΔS<0). Mivel ΔΦ = μhI0ΔS, ha ΔS<0, akkor változik a mágneses fluxus. Ezek szerint bizton leírhatjuk: ΔΦ e. Ebbe a képletbe, ebbe a széleskörű okrendszerbe minden eddigi kísérletünk belefér Azt is láttuk, hogy az n = 1000 menetben a létrejött e feszültség arányos a fluxusváltozással. Bár itt nem volt külön bemutató kísérlet, de tapasztalhatjuk, hogy a keltett feszültség arányos a mozgás,

illetve az ok-rendszerbe tartozó fizikai mennyiségek nagyságának változási sebességével is. Végkövetkeztetés A fenti kísérletsorban megfigyelt jelenséget elektromágneses indukciónak nevezzük. Az elektromágneses indukció során egy változó mágneses fluxus az őt körülölelő menetben egy e0 feszültséget kelt (a néhány kísérlet alapján csak ennyit mondhatunk). A hat kísérletsorozat több, mint 30 elemi kísérletét összefoglalva felírhatjuk az elektromágneses indukció egy menetre vonatkozó alapképletét: e0 = kΔΦ/Δt. A kísérletek során az n = 1000 menetes tekercsben e = ne0 feszültséget mértünk, de nem vettük figyelembe a menetirányt csak a műszertű kitérését. Megállapíthattuk, hogy a tekercsben indukált feszültség arányos a mágneses fluxus változási sebességével. A k arányossági tényező meghatározása, az ok és az okozat köreinek további bővítése egy hasonló kísérletsorozat témája lehet. 78 79