8.201 Ørsteds oppdagelse II

Transkript

1 RST 8 Magnetisk felt Ørsteds oppdagelse II repetere de forsøkene som Ørsted gjorde med strømleder og kompassnål bruke teorien i kapittel 8 til å forklare det Ørsted observerte Eksperimenter Du skal gjenta Ørsteds forsøk ved å sende strøm gjennom en leder nær ei kompassnål. Gjør systematiske forsøk slik at du kan beskrive hvordan utslagene til kompassnåla blir påvirket av: strømretningen strømverdien orientering av lederen i forhold til kompassnåla (over/under/på siden) orientering av lederretningen i forhold til kompassnålas retning avstanden mellom lederen og kompassnåla Forklar observasjonene dine ut fra det du har lært om magnetisme. Tips Kople lederen til strømkilden via en bryter slik at du kan lage korte strømstøt i lederen. (Ellers går sikringen i strømkilden, eller batteriet blir raskt ødelagt.)

2 RST 8 Magnetisk felt Høyttalerdisseksjon finne ut hvordan en høyttaler virker Eksperimenter Få tak i en høyttaler av den typen som drives med en spole med såkalt anker og som det er i orden at du åpner / skrur fra hverandre / ødelegger. Identifiser de forskjellige delene i høyttaleren og forklar virkemåten.

3 RST 8 Magnetisk felt Lekemotorhogging finne ut hvordan en elektromotor virker Eksperimenter Ved å studere små elektromotorer fra avlagt leketøy kan vi forstå hvordan en elektromotor er konstruert. Få tak i en slik motor og plukk den fra hverandre. Finn ut hva børster, spoler, rotor og stator er, og identifiser disse komponentene.

4 RST 8 Magnetisk felt Bindersmotor bygge en elektromotor Eksperimenter Det går an å lage elektromotorer av de forunderligste gjenstander, f.eks. binders. Lag en elektromotor av så enkle materialer som mulig. Tips Se RSTnett.

5 RST 8 Magnetisk felt Magnetiske felt undersøke og måle magnetiske felt rundt permanentmagneter og elektromagneter ved hjelp av en magnetfeltmåler, planlegge hva du vil undersøke, og hvordan du skal måle Forhåndsoppgave a) Tegn det magnetiske feltet i og omkring en stavmagnet hesteskomagnet rett strømleder strømsløyfe spole b) Tegningene dine er todimensjonale, mens feltene er tredimensjonale. For den rette strømlederen, strømsløyfen og spolen er det ikke noe problem, for feltene er så symmetriske at de kan beskrives todimensjonalt. Men for hestesko magneten og kanskje stavmagneten trengs ytterligere beskrivelse. Lag de tegningene og beskrivelsene du mener er nødvendige, for å kunne beskrive disse magnetiske feltene romlig. c) Forklar hvor vi kan regne med å finne homogene eller nesten homogene feltområder for hvert av de magnetiske feltene i oppgave a. Framgangsmåte Sett deg inn i bruken av magnetfeltmåleren og dataloggeren den eventuelt er koplet til. Vær særlig oppmerksom på at de fleste sensorene bare måler en komponent av feltet. Diskuter i gruppen hvordan dere vil gjennomføre forsøket. Hvilke magnetiske felt vil dere undersøke? Hva vil dere måle? Vil dere gjøre en systematisk under søkelse av feltene, eller vil dere bare måle flukstettheten på noen tilfel dige steder i feltet? Gjør rede for hvordan dere gjennomførte øvingen. Hva ble resultatene? Legg ved måleresultater og eventuelle grafer. UTSTYR magnetfeltmåler stavmagnet hesteskomagnet helmholtz-spole lang spole (solenoide) spenningskilde, 4 V likespenning, glattet ledninger amperemeter

6 RST 8 Magnetisk felt Sum av magnetiske felt studere hvordan virkningen av flere magnetiske felt kan betraktes som vektor summen av de enkelte feltene bruke en metode for å måle den magnetiske feltstyrken til et ukjent magnetisk felt bare ved hjelp av et kompass og en strømspole Forhåndsoppgave a) Legg et kompass inntil siden av en stavmagnet slik at opphengspunktet for kompassnåla kommer omtrent midt på magneten. Lag en figur som viser hvordan kompassnåla vil peke i forhold til stavmagneten. Hva vil skje hvis du trekker kompasset rett ut til siden fra magneten? Hva vil skje hvis du løfter kompasset opp og holder det rett over magneten? b) Et kompass er plassert i et magnetisk felt som har feltstyrken B a = 00 µt. Et annet magnetisk felt med feltstyrke B b står normalt på det første feltet. Vis at B b = 00 µt når kompassnåla peker langs en linje som danner vinkelen 45 med retningen til både B og a B. b Tegn figur som viser B, a B og kompassnåla. b c) Det magnetiske feltet midt i en sirkulær strømsløyfe er gitt ved uttrykket B = πk m I r der I er strømmen i sløyfen og r er radien i sløyfen. Ifølge høyrehånds regelen vil retningen til feltet være normalt på sløyfeplanet med positiv verdi. Hvor stor må strømmen i en strømsløyfe med radius 5 cm være for at den magnetiske feltstyrken i sentrum av sløyfen skal være 00 µt? d) Ei kompassnål peker mot nord fordi den blir påvirket av jordas magnetiske felt. Plasser kompasset midt i en sirkulær strømsløyfe slik at kompassnåla er parallell med sløyfeplanet når det ikke går strøm i sløyfen. Forklar hvorfor og hvordan du kan bestemme styrken på jordas magnetiske felt ved hjelp av dette utstyret og formelen i spørsmål c. Framgangsmåte Ei kompassnål er plassert i sentrum av to sirkel formede spoler. Spolene er montert normalt på hverandre. Vi skal kalle dem og, men spolene er helt like, se figuren nedenfor. UTSTYR brett påmontert to like spoler og kompassnål magnetstav limbånd likespenningskilde, 0 6 V, glattet dreiemotstand amperemeter ledninger

7 RST 8 Magnetisk felt 47 Del Kompassnåla blir påvirket av et konstant magnetisk felt fra jorda. Men sender vi strøm gjennom spolene, skal det ikke mye til før disse feltene dominerer helt over jordfeltet. Du kan kople strømkilden til en av spolene om gangen eller til begge to samtidig. Du kan få nordpolen på kompassnåla til å peke i åtte forskjellige retnin ger bare ved å kople spolene til strømkilden på forskjellige måter slik figuren nedenfor viser. Gjør det. Del Jordas magnetfelt er for svakt for vårt neste forsøk. Derfor skal vi først lage et sterkere «jordfelt» ved hjelp av en stavmagnet. Fest et A4 ark midt på pulten med limbånd og fest stavmagneten (med limbånd) midt på A4 arket. Still brettet slik at kompassnåla kommer rett over midten av stavmagneten. Marker på A4 arket hvor de fire beina står. åla vil nå peke i samme retning som feltet til stavmagneten, som har den horison tale feltstyrken B. år det går strøm i spolene, får vi et magnetisk felt fra dem h også. Midt i spolene, der kompassnåla står, er dette feltet også horison talt, og det står vinkelrett på spoleplanet. Feltstyrken til spolefeltet kaller vi B. s Vi orienterer brettet slik at kompassnåla ligger i planet, se figuren øverst til venstre. Pass på at sentrum av kompassnåla hele tida holder seg rett over magneten (altså at brettbeina står på riktig plass). Bruk strømsløyfe til å bestemme den magnetiske feltstyrken B ved å h regulere og måle den strømmen du sender gjennom strømsløyfen. Beskriv metode og målinger. Beregn, på grunnlag av målingene i forrige spørsmål, hvor stor strøm du må sende gjennom sløyfe for at summen av magnetfeltene skal bli null der kompassnåla befinner seg. Send en så stor strøm som du har beregnet ovenfor, gjennom sløyfe og undersøk ved hjelp av kompassnåla om de to feltene virkelig opphever hverandre helt. Hvis magnetnåla fortsatt blir påvirket av et felt, regulerer du strømmen til du ikke kan merke noen virkning lenger. Mål den strømmen og prøv om du kan finne årsaker til avviket fra den beregnede verdien.

8 RST 8 Magnetisk felt Solenoide undersøke hvordan den magnetiske feltstyrken i en lang spole, en solenoide, avhenger av strømmen og av tettheten av vindinger Forhåndsoppgave Den magnetiske feltstyrken inne i en solenoide med lengde L og vindingstallet, er gitt ved uttrykket B = πk m I L der I er strømmen gjennom spolen. B(I) = πk m I når /L = 00 m L La I variere fra 0 til 5 A. d) Tegn i det samme diagrammet inn B(I) = πk m L I når /L = 50 m og når /L = 5 m. Framgangsmåte A 0 5 A a) På figuren ser du et trappetroll (ofte kalt «slinky») av metall. Bruk figuren til å anslå forholdet /L når du betrakter trappetrollet som en solenoide. b) Beregn feltstyrken B til det magnetiske feltet i solenoiden når vi sender en strøm på A gjennom solenoiden. c) Lag et stort (bruk et helt A4-ark) diagram der du tegner inn grafen til funksjonen Magnetfeltmåler UTSTYR magnetfeltmåler trappetroll («slinky») eller tilsvarende metallfjær målestav likestrømskilde, glattet, 0 5 A stativutstyr med isolerte fester ledninger Til datalogger eller annet kontrollsystem

9 RST 8 Magnetisk felt 49 Sett opp utstyret slik figuren viser. Strekk trappetrollet slik at den strømførende delen av trappetrollet har lengden L ca. 0,50 m og antall vindinger er ca. 50. år du sender strøm gjennom denne solenoiden, blir den en elektromagnet. Vindingstettheten kan du enkelt endre ved å trekke ut spiralen. Feltstyrken måler du ved å plassere magnetfeltsensoren på solenoidaksen. Del La solenoiden med 50 vindinger etter tur ha lengdene 0,50 m, 0,75 m,,00 m,,50 m, og,00 m. For hver gang du stiller inn tettheten av vindingene, måler du den magnetiske feltstyrken B for minst fem forskjellige verdier av strømmen I gjennom solenoiden. Tegn de fem settene med punkter som viser sammenhengen mellom B og I inn i samme B I-diagram. Bruk det diagrammet du laget i forhåndsoppgaven. (Du kan også ta en utskrift av diagrammet i regnearkfila som hører til denne øvingen og tegne punktene inn der.) Studer det diagrammet du nå har, og forklar hvilke konklusjoner du kan trekke. Del Undersøk om det magnetiske feltet er tilnærmet homogent inne i solenoiden. Beskriv hvilke målinger du foretar, og konkluder på grunnlag av dem.

10 RST 8 Magnetisk felt Enkel elektromotor studere krefter fra det magnetiske feltet på strømførende ledere bygge en elektromotor Forhåndsoppgave a) Lag en skisse av elektromotoren på figuren sett rett forfra og tegn inn feltlinjene til det magnetiske feltet. b) Bestem retningen til kraften på hver av lederne som er viklet om rotoren. c) Forklar hvilken funksjon børstene har. d) I en bestemt rotorposisjon er bidraget som kreftene på lederne gir til rotasjonen, lik null. Forklar hvorfor. Hvorfor stopper ikke rotasjonen opp der? Børste Rotor S Børste Framgangsmåte Stikk strikkepinnen gjennom midten av begge kortsidene på fyrstikkeska, se figur. Eska fester du til pinnen med litt limbånd på under siden av eska. Sett litt limbånd rundt eska også, så den holder i hop. Strikkepinne Limbånd Limbånd Uisolert tråd Limbånd UTSTYR 3 4 m isolert koplingstråd tom fyrstikkeske strikkepinne, ikke stål magneter limbånd, saks binders 4,5 V batteri eller en annen spenningskilde ledninger Isolert koplingstråd Fyrstikkeske Figur Figur a Figur b Vi vikler 3 4 m isolert koplingstråd rundt eska på de smale sideplatene, se figur a. Begge trådendene skal slutte slik at de ligger oppover strikkepinnen på hver side av den, se figur b. Dette må vi ta hensyn til når vi begynner viklingen. Til slutt bør de to trådendene festes med litt limbånd nederst, og kanskje også øverst, så de holder seg på plass. Men før det må trådendene klippes til passende lengde, og isolasjonen må fjernes forsiktig på de siste 3 cm. Vi skal så berøre de to uisolerte trådendene med hver sin ledning fra spenningskilden, se figur 3. Dette krever en lett hånd og litt trening. Vi kan bruke samme type ledningstråd som vi brukte rundt eska. (Du kan også bruke vanlige ledninger med bananstikker.)

11 RST 8 Magnetisk felt 5 4,5 V S Figur 3 Oppstillingen av motoren kan være slik: ederst og øverst kan strikkepinnen styres i en romslig øye skrue eller en bøyd binders. Bindersen på bordet kan festes med limbånd. Hold magnetene nær eska, se figur 3, og hjelp eska med et lite puff i starten. Hvor virker F = IlB i vår motor? Hvorfor går fyrstikkeska stadig rundt? Kan motoren gå med bare én magnet?

12 RST 8 Magnetisk felt Strømvekt bruke strømvekt til å observere krefter på en strømførende leder i et magnetisk felt, såkalt Lorentz-kraft studere kraftloven F = IlB og bruke den til å bestemme verdien av et ukjent magnetisk felt Forhåndsoppgave I et homogent magnetisk felt er det plassert en elektrisk leder slik figuren viser. Den magnetiske feltstyrken der lederen befinner seg, er B = 0 mt. Strømmen i lederen er I = 8,6 A og retningen til strømmen er slik at kraften på den horison tale delen av lederen virker loddrett oppover. Lengden av denne delen av lederen er l = 3, cm. a) Forklar hvorfor summen av de magnetiske kreftene på de vertikale tilførselsledningene er null. b) Bestem den magnetiske kraften som virker på det horisontale lederstykket. c) Forklar hvilken kraft som er motkraften til den magnetiske kraften på lederen. S Framgangsmåte Det fins mange forskjellige typer strømvekter. Alle har tre hovedkomponenter:. En permanentmagnet eller en spole eller to for å lage et homogent magnetisk felt. Rette strømledere med ulik lengde 3. En kraftmåler som måler den magnetiske kraften på lederen Del På RSTnett finner du beskrivelse av forskjellige strømvekter. Les den beskrivelsen som passer til den strømvekta du skal bruke, og gjør så disse oppgavene: a) Lag en oversiktlig tegning som får fram strøm, felt og krefter i oppstillingen din. b) Forklar hvordan du måler den magnetiske kraften på lederen med strømvekten du har. c) Undersøk det utstyret du har, og finn ut hva som er den maksimale strømmen du kan kople til lederen din uten å skade utstyret. d) Hvordan kan du endre den magnetiske feltstyrken i din oppstilling? UTSTYR strømvekt amperemetre spenningskilder, V (eller 4 V) likespenning glattet ledninger stativmateriell Del Du skal nå undersøke sammenhengen mellom kraften F på en leder i feltet, strømmen i lederen I og lederens lengde l. Du skal måle F mens du varierer en av størrelsene I og l om gangen. For hvert mulig valg av l måler du den magnetiske kraften F på den strømførende lede ren for 4 5 forskjellige strømmer I gjennom lederen. Sett opp målingene i en oversiktlig tabell og beregn produktet Il i hvert tilfelle.

13 RST 8 Magnetisk felt 53 Lag et diagram med Il på førsteaksen og F på andreaksen. Tegn inn punktene fra tabellen. Bruk forskjellig farge på punktene fra hver av de forskjellige lengdene du undersøker. (Dersom strømvekta har to forskjellige lederlengder, tegner du punktene målt med den ene lederlengden med blå farge og punktene målt med den andre lederlengden med rød farge.) Tegn utjevningskurve (eventuelt regresjonslinje) gjennom origo og bestem en verdi for B ved hjelp av den. Gjenta målingene for en annen verdi av den magnetiske feltstyrken. Vurder og kommenter usikkerheter i målingene.

14 RST 8 Magnetisk felt Elektronets spesifikke ladning e /m undersøke elektronbaner i magnetiske felt måle forholdet e/m for elektroner Forhåndsoppgave A K Figuren til venstre ovenfor viser et avbøyningsrør for elektronstråler. Elektronene kommer fra en katode K, som blir varmet opp med en glødespenning på 6,3 V. Deretter blir elektronene akselerert mot anoden A av et sterkt elektrisk felt i en elektronkanon. Akselerasjonsspenningen U er V i rør av type I. I rør av type II, såkalte teltronrør, er akselerasjonsspenningen U V. a) Vis at farten v som elektronene får etter akselerasjonen er gitt ved v =! eu W () m Med denne farten fortsetter elektronene ut gjen nom et hull i anoden og videre inn i røret, der de kan bli avbøyd av en magnetisk kraft. Det magnetiske feltet i røret får vi fra to store spoler helmholtz spoler som vi mater med likestrøm fra en egen spenningskilde. I e/m-røret kan vi regulere magnetfeltet B til elektronene går i en sirkelbane med radius r. I teltronrøret får magnetfeltet elektronene til å bli avbøyd slik at de følger en del av en sirkelbane. b) Vis at i begge rørtypene er radien for elektronets sirkelbevegelse gitt ved r = mv () eb c) Vis at ved å elimi nere farten v i likningene () og () får vi r r y e U = m r B (3) Figuren i margen viser platen med koordinatsystem inne i teltronrøret og hvordan vi kan finne baneradien r når vi kjenner koordinatene til et punkt (x, y) i banen i tillegg til punktet (0, 0). d) Vis at formelen blir (x, y) x y (0, 0) r = x + y y

15 RST 8 Magnetisk felt 55 Framgangsmåte Rørtype I Vi kopler opp apparaturen med de spenningene som bruksanvisningen for apparatet (eller læreren) anbefaler. Slå på glødespenningen et par minutter før anodespenningen. Det er skånsomt for katoden. La læreren kontrollere koplingen før du setter på nettspen ningen. Disse apparatene er ømtålige (og svært kostbare). Det må være nesten helt mørkt i rommet. Akselerasjonsspenningen U måler vi med et voltmeter på V. Feltstyrken B mellom spolene er bestemt av B = ki sp, der I sp er spolestrømmen som vi måler med amperemeteret på 0 5 A. Konstanten k er bestemt av spolenes form og størrelse. For de aktuelle spolene blir verdien for k oppgitt av læreren. oter denne verdien. Vi kan kontrollere den hvis vi har en magnetfeltmåler til disposisjon. Midt inne i røret er det to parallelle stenger med tverrstenger i innbyrdes avstand,0 cm. Ved hjelp av disse stengene kan vi bestemme diameteren og dermed radien r i elektronbanen. Ved å variere spolestrømmen I sp og/eller akse lerasjonsspenningen U sørger vi for at bane diameteren blir 6,0 cm, 8,0 cm eller 0,0 cm. Lag en tabell med U, r og I sp og før inn sammenhørende måleresultater. Du bør gjøre 4 5 sett av målinger. Regn for hvert forsøk ut feltstyrken B og utvid tabellen med disse verdiene. Regn ut verdien av e/m for hvert sett av målinger. Sett resultatene inn i tabellen. Finn en middelverdi for e/m. Er noen av målingene mer usikre enn andre? Drøft usikkerheten i den verdien du har fått for e/m. UTSTYR elektronstrålerør type I eller II (teltron) helmholtz-spolepar spenningskilder: 0 4 V likespenning, glattet V likespenning, med uttak for glødespenning, 6,3 V eller 0 6 kv, med uttak for glødespenning, 6,3 V amperemeter, 0 5 A eller 0 A voltmeter, V, eller multimetre ledninger, 8 0 stk. gjerne en lommelykt gjerne en magnetfeltmåler Rørtype II Vi kopler opp teltronrøret med helmholtz spoler slik figurene nedenfor viser. Se eventuelt også bruksanvisningen for apparatet. Sett på gløde spenningen, 6,3 V, et par minutter før anode spenningen. Det er skånsomt for katoden. 5 kv + Z A M 0 4 V + M A K + 6,3 V A A Z Kople metallplatene (M M) til anoden slik at det ikke er noen spenning mellom anoden og metallplatene. Se figuren til venstre ovenfor. La læreren kontrollere koplingen før du skrur opp anode spenningen. Disse apparatene er øm tålige (og svært kostbare).

16 RST 8 Magnetisk felt 56 Akselerasjonsspenningen U leser vi av på volt meteret på høyspen nings kilden. Feltstyrken B mellom spolene er bestemt av B = ki sp, der I sp er spolestrømmen. Den måler vi med amperemeteret. Konstanten k er bestemt av spolenes form og størrelse. For teltronrørene opp gir fabrikken verdien k = 4,3 0 3 T/A. Denne verdien kan vi kontrollere hvis vi har en magnetfeltmåler til disposisjon. Baneradien r finner vi ved å lese av koordinatene til et punkt (x, y) i banen i tillegg til anodepunktet (0, 0) og bruke formelen r = x + y. Ved å variere y spolestrømmen I sp kan vi for hvert valg av U få elektronstrålen til å gå gjennom et hensiktsmessig punkt (x, y). Punktene (0 cm, cm) og (0 cm, cm) kan være ett valg. Lag en tabell med U, r og I sp og før inn sammenhørende måleresultater. Du bør gjøre 4 5 sett av målinger. Regn for hvert forsøk ut feltstyrken B og utvid tabellen med disse verdiene. Regn ut verdien av e/m for hvert sett av målinger. Sett resultatene inn i tabellen. Finn en middelverdi for e/m. Er noen av målingene mer usikre enn andre? Drøft usikkerheten i den verdien du har fått for e/m.