9.201 Jernkjerne og fluks

Transkript

1 RST 2 9 Induksjon Jernkjerne og fluks studere virkningen av jernkjerne i spole finne en metode for å anslå hvor mye feltstyrken endrer seg når en jernkjerne plasseres i en spole Eksperimenter En spole som det går strøm i, er en elektromagnet, men den magnetiske feltstyrken er liten. Dersom vi plasserer en jernkjerne inne i spolen, får vi en stor økning av feltstyrken. Forklar hvorfor feltstyrken øker. Det er svært vanskelig å beregne hvor mye feltstyrken øker, men du skal prøve å finne størrelsesordenen for økningen. Gjør forsøk med spoler og jernkjerner (samt strømkilde og datalogger m.m.) for å finne ut hvilken faktor (nærmeste tierpotens) den magnetiske feltstyrken fra elektromagneten øker med når vi plasserer en jernkjerne i spolen.

2 RST 2 9 Induksjon Sykkelspenning studere virkemåten til sensoren til en sykkelcomputer Eksperimenter Nye sykler leveres ofte med sykkelcomputer istedet for speedometer. Signaler fra en sensor på et av hjulene sendes til en liten mikroprosessor med display på styret. Spiller det noen rolle for fartsmålingen dersom sensoren som gir signalene, flyttes lenger ut eller lenger inn i forhold til hjulets sentrum? Sykkelcomputer Sensor Magnet Bruk dataloggerutstyret til å studere spenningen som sensoren til en sykkelcomputer leverer. Bruk dataloggerutstyret til å studere vekselspenningen som en sykkeldynamo leverer. Skriv ut grafer som beskriver spenningen. Bestem i begge tilfeller sammenhengen mellom omløpsfrekvensen til sykkelhjulet og maksimalspenningen og frekvensen i spenningene som induseres.

3 RST 2 9 Induksjon Reversibel transformator finne forholdet mellom antall viklinger i spolene til en transformator Eksperimenter Til denne øvingen trenger du en transformator av den typen som brukes til å transformere 230 V vekselspenning fra nettet til 12 V vekselspenning. Bruk en vekselspenningskilde med strømbegrensning og et voltmeter som måler vekselspenning, til å bestemme en gjennomsnittsverdi for forholdet mellom antall vindinger N 1 /N 2 på de to spolene i transformatoren. Sammenlikn verdien med ventet resultat og kommenter.

4 RST 2 9 Induksjon Transformatorvirkningsgrad finne virkningsgraden for en transformator Eksperimenter Du trenger en transformator av den typen som brukes til å transformere 230 V vekselspenning fra nettet til 12 V vekselspenning. Bruk skolens wattmeter til å måle den energien som transformatoren blir tilført når den er i bruk. Finn selv en måte å måle energien transformatoren leverer ut, slik at du kan bestemme transformatorens virkningsgrad.

5 RST 2 9 Induksjon Heftig transformasjon gjennomføre fysikkdemonstrasjoner med induksjon Eksperimenter Det fins fire klassiske fysikkdemonstrasjoner med transformator og nettspenning. Siden det er farlig (og forbudt for elever) å gjennomføre forsøk der nettspenning brukes, må du alliere deg med læreren og få ham til å ta seg av selve demonstrasjonen. Gjennomfør en eller flere av demonstrasjonene nedenfor med deg ved tavla som forklarer fysikken, og læreren som demonstrasjonsassistent. induksjonsoppvarming koking av vann klatregnist elektromagnetisk kanon spikersmelting Mer informasjon om hvordan forsøkene gjennomføres, finner du på RSTnett.

6 RST 2 9 Induksjon Ledningsdetektor lage en magnetfeltdetektor Eksperimenter En ledningsdetektor brukes til å finne ut hvor det er elektriske ledninger, f.eks. i en vegg i et hus. Detektoren består egentlig bare av en jernkjerne som det er viklet en spole om. Siden det går 50 Hz vekselstrøm i ledningen, oppstår det et elektromagnetisk felt rundt ledningen. Dette feltet kan indusere en spenning i spolen i detektoren. Prøv å bygge en ledningsdetektor av spole, jernkjerne, spenningssensor og datalogger.

7 RST 2 9 Induksjon Induksjon I denne laboratorieøvingen skal du undersøke hvordan elektromotorisk spenning, ems, induseres i en spole Forhåndsoppgave En stavmagnet er plassert like over en spole slik figuren nedenfor viser. Bruk spenningsgrafer til å beskrive det du mener vil skje når en magnet brukes til å indusere ems i spolen. S G N 400 Magneten pendler fram og tilbake over spoleåpningen. a) Skisser grafer som viser spenningen dersom farten til bevegelsen øker. b) Skisser en ny graf som viser spenningen dersom bevegelsen gjennomføres med en sterkere magnet. c) Skisser en ny graf som viser spenningen dersom bevegelsen gjennomføres når det er plassert en jernkjerne inne i spolen. d) Skisser en ny graf som viser spenningen dersom bevegelsen gjennomføres når det er flere vindinger i spolen. e) Ville grafene du har skissert, ha sett annerledes ut dersom magneten hadde pendlet opp og ned over spolen i stedet for fram og tilbake? f) Skisser en ny graf som viser spenningen dersom magneten blir erstattet av en annen spole som slås av og på. Framgangsmåte UTSTYR Del 1 Kople spolen sammen med nullgalvanometeret og to spoler, f.eks. 200 og 400 vindinger undersøk hvordan svarene fra forhåndsoppgaven U-kjerne med åk stemmer med observasjoner. Varier bevegelsesfarten, nullgalvanometer (må bruk en og to magneter sam tidig, putt spiker i spolen være viserinstrument) og varier spoletype. 2 stavmagneter Hvordan får vi størst utslag med dette utstyret? spenningskilde, 6 V Beskriv forsøkene og hva du observerer. G N likespenning spiker, cm, 3 stk. ledninger 400 felles: stor spole, 1600 vindinger eller tilsvarende

8 RST 2 9 Induksjon 64 Del 2 I stedet for forsøk med feltet fra en stavmagnet skal du nå gjøre forsøk med feltet fra en spole med strøm, altså en elektromagnet. Til dette velger vi en 400 spole (I) som får konstant strøm fra en 6 V spenningskilde. Til å registrere endring i magnetisk fluks (og dermed indusert ems) bruker vi 200 spolen (II) med strømmåler til. Sett spolene tett inntil hverandre. La det magnetiske feltet i spole I brått forsvinne eller oppstå ved å bryte og slutte kretsen. Observer utslag på strøm måleren som er koplet til spole II når spolene ligger tett ved siden av hverandre med parallell akse spolene ligger rett etter hverandre med felles akse, se figuren nedenfor spolene ligger rett etter hverandre med felles akse med en spiker gjennom begge spolene ligger rett etter hverandre med felles akse med flere spiker gjennom begge Spole II Spole I G V spolene står på hver sin side av en U-kjerne av jern, se figuren nedenfor spolene står på hver sin side av en U-kjerne av jern med åk Beskriv i hvert tilfelle det du gjør, og hva du observerer. G + 6V Bruk spiker som åk på jernkjernen og riv av en etter en mens strømmen er på. Hva observerer du? G + 6V

9 RST 2 9 Induksjon Indusert vekselspenning studere indusert ems i ulike kretser ved hjelp av en datalogger Forhåndsoppgave Før du gjennomfører denne laboratorieøvingen må du ha erfaring fra det Innledende fellesforsøket eller øvingen a) Faradays induksjonslov kan skrives på formen ɛ = dφ der Φ = B A dt Forklar hvordan vi kan se av dette at det vil bli indusert en spenning i en strømsløyfe dersom det magnetiske feltet endrer seg, dersom sløyfearealet endrer seg, eller dersom orienteringen til feltet eller til sløyfen endrer seg. b) Til hvert av spørsmålene i det innledende forsøket (eller til øving 9.207) skal du skrive en kort forklaring på hvordan observasjonene kan forklares ut fra Faradays induksjonslov. Framgangsmåte Del 1 Innledende målinger Sett opp dataloggeren for målinger med den valgte spenningssensoren. Kople spenningssensoren til spolen på 600 vindinger og kontroller at alt virker, ved å føre en stavmagnet inn og ut av spolen. 4,5 V + I Utstyr datalogger med spenningssensor, ±2,5 V eller tilsvarende 2 spoler, 600/400/200 vindinger eller tilsvarende stor spole, 1200 vindinger batteri, 4,5 V stavmagnet rundmagnet som kan festes til en motor eksperimentmotor, 0 12 V labjekk spenningskilde, 0 12 V (hvis den er helt glattet, trengs ikke batteriet) skruefjær, ganske myk rett jernkjerne stoppeklokke stativutstyr ledninger Spenningssensor I denne øvingen skal feltet komme fra en elektromagnet i stedet for fra stavmagneten. Magnetfeltet skal du variere ved å slå av og på strømmen i spolen. Sett de to spolene inntil hverandre slik figuren ovenfor viser. Gjør spole I klar til å bli koplet til batteriet. Velg det største vindingstallet hvis du har flere valg. Start målingene samtidig som du slutter og bryter kretsen med spole I noen ganger. Gjenta etter tur måleseriene med de andre vindingstallene for spole II. Undersøk hva som skjer med måleresultatene dersom spolene trekkes litt fra hverandre, f.eks. en spolelengde. II Til datalogger

10 RST 2 9 Induksjon 66 Sett en jernkjerne inn i en av spolene og plasser dem inntil hverandre igjen. Undersøk hva som skjer når strømkretsen sluttes og brytes nå. Diskuter resultatene. Ta utskrift av de observerte spenningskurvene og kommenter kurveformen i forhold til det du skulle vente ut fra Faradays induksjonslov. Del 2 Vekselspenning Heng stavmagneten opp i fjæra ved hjelp av hyssing og limbånd. Se figuren nedenfor. La magneten henge godt ned i den store spolen med 1200 vindinger. Kople spenningssensoren til spolen. N 1200 vindinger Til datalogger Spenningssensor Sett magneten i svingninger og ta opp to tre måleserier. Bruk måleresultatene til å bestemme frekvensen til den induserte vekselspenningen. Bruk stoppeklokka til å finne svingetida til stavmagneten. Kommenter resultatene. Ta utskrift av de observerte spenningskurvene og kommenter kurveformen i forhold til det du skulle vente ut fra Faradays induksjonslov. Del 3 Mer vekselspenning Fest rundmagneten til motoren og monter utstyret slik at magneten kan rotere rett over åpningen til spolen. Se figuren nedenfor. Kople spolen til spenningssensoren. Motor 0 12 V Til datalogger Spenningssensor 1200 vindinger Ta seks åtte måleserier der du registrerer den induserte vekselspenningen for ulike rotasjonsfarter for magneten. Finn spenningsamplituden, (U topp U bunn )/2 og frekvensen (f = 1/T) i hvert tilfelle. Lag en oversiktlig tabell.

11 RST 2 9 Induksjon 67 Undersøk hvilken sammenheng det er mellom frekvensen og den maksimale induserte emsen ved å framstille resultatet grafisk. Kommenter. Ser spenningskurvene ut til å være sinuskurver? Forklar hvorfor vi ut fra Faradays induksjonslov kan forvente sinusform på kurvene. Kommenter eventuelle avvik. Del 4 Noe helt annet Til slutt skal du ta en titt på de spenningene du bruker på fysikklabben. Sett opp en vekselspenningskilde innstilt på 4 V en likespenningskilde innstilt på 4 V en glattet likespenningskilde innstilt på 4 V et batteri på 4,5 V Kople spenningskildene til dataloggeren etter tur. Ta en utskrift for hver spenningskilde. Sammenlikn og kommenter.

12 RST 2 9 Induksjon Transformator gjøre deg kjent med virkemåten til en enkel transformator studere sammenhengen mellom spenningene i primær- og sekundærspolene Forhåndsoppgave a) Lag en forenklet figur av en transformator og forklar hva formelen U s U = N s p N beskriver, og hva symbolene betyr. p b) I en transformator har primærspolen 200 vindinger og sekundærspolen 800 vindinger. Hvilken spenning måler du over sekundærspolen dersom spenningen over primærspolen er 5,5 V? c) I en god transformator er effekttapet svært lite. Forklar at vi for en slik transformator har sammenhengen U s I s = U p I p. d) Forklar at virkningsgraden til en transformator er gitt ved P s /P p. Framgangsmåte Del 1 Monter transformatoren: Velg to spoler og sett dem inn på U kjernen, legg på åket og skru godt til. Til primærspolen koples spenningskilden og det ene voltmeteret. Til sekundærspolen koples det andre voltmeteret. Sett spenningskilden på f.eks. 2 V. Denne innstillingen endres ikke under målingene. U V V P N P N S U S Sekundærkrets Primærkrets Noter antall vindinger i primær- og i sekundærspolen og mål spenningen over hver av spolene. Skift etter tur ut alle spolene som er tilgjengelige, som sekundær- og primærspoler i transformatoren. Kombiner vindingstallene på så mange måter som mulig. Gjenta målingene for hvert tilfelle. Sett opp måleresultatene i en oversiktlig tabell som også viser forholdene N s /N p og U s /U p. Kommenter resultatene i forhold til teorien. UTSTYR U-kjerne med åk to tre spoler med 600/400/200 vindinger, eller tilsvarende spenningskilde, 0 6 V vekselspenning 2 voltmetre, vekselspenning motstander, 1 Ω, 10 Ω, 100 Ω og 1000 Ω, f.eks. fra en dekade motstand ledninger Del 2 Velg ett av de settene av vindingstall som du brukte i del 1. Mål spenning over de to spolene og strømmen i hver av kretsene når du etter tur kopler en og en motstand i serie med sekundærspolen. Motstanden kan f.eks. ha resistansene 1 Ω, 10 Ω, 100 Ω og 1000 Ω. Sett opp måleresultatene i en oversiktlig tabell der du for hver motstand beregner transformatorens virkningsgrad, P s /P p, der P = UI. Kommenter resultatet.

13 RST 2 9 Induksjon Selvinduksjon studere selvinduksjon, den elektromotoriske spenningen som oppstår i en krets når vi raskt endrer strømmen i en spole i kretsen Forhåndsoppgave Studer kretsen på figuren i margen. En spenningskilde er koplet i serie med en lampe og en spole. Det går en konstant strøm i kretsen som er så stor at lampa lyser normalt. a) Forklar at strømstyrken i kretsen er 0,3 A. b) Den magnetiske feltstyrken i spolen er gitt ved B = 2πk N m I. Bestem størrelse og retning for B når spolen har N = 600 vindinger fordelt jevnt på L L = 10 cm. c) Hvor stor er den magnetiske fluksen gjennom spolen? Spolens radius er 1,6 cm. Beregn fluksen gjennom en flate som er et tverrsnitt gjennom spolen. d) Du bryter strømmen i kretsen. Hvor stor er den magnetiske feltstyrken når det ikke lenger går strøm i kretsen? e) Forklar at det har vært en fluksendring i spolen. f) Forklar at det også blir en fluksendring i spolen når du slår strømmen i kretsen på igjen. g) Forklar at fluksendringen i spørsmål e og f ville ha vært mye større dersom en jernkjerne hadde vært plassert i spolen. h) Når den magnetiske fluksen i en spole endres, vil det oppstå en indusert ems i spolen. Forklar hvilken retning den induserte emsen vil ha i hvert av de to tilfellene i spørsmål e og spørsmål f V/0,3 A + 4 V Framgangsmåte Enhver forandring av den magnetiske fluksen gjennom en krets skaper en ems i kretsen. I læreboka har vi sett mange eksempler på dette, blant annet når et ytre magnetisk felt gjennom kretsen varierer. I denne øvingen skal vi se at det kan være endringer i strømmen i kretsen selv som skaper fluksendringer og dermed ems. I slike tilfeller snakker vi om selvindusert ems. Ved selvinduksjon kan det oppstå høye spenningspulser. Pass derfor på at dataloggerne har spenningsinngang som tåler slike spenninger. Del 1 Den selvinduserte emsen virker mot endringen av strømmen i kretsen. (Dette fenomenet kalles Lenz regel. Du finner mer om Lenz regel på side 229 i læreboka. Når vi slutter kretsen, vil derfor den selvinduserte emsen hindre at strømmen vokser så fort som den ville ha gjort uten spolen i kretsen. Dette kan vi observere ved at vi ser at lampa lyser opp litt forsinket. UTSTYR U-kjerne med åk spole med 600 vindin ger, eller tilsvarende spenningskilde, glattet likespenning, 0 6 V 2 glødelamper, 4 V/0,3 A, 24 V/0,05A datalogger med spenningssensorer, ±2,5 V og ±25 V, eller tilsvarende ledninger

14 RST 2 9 Induksjon 70 Kople opp kretsen slik figuren viser V/0,3 A V Hva skjer når du slutter kretsen? Forklar. Prøv å slutte og bryte kretsen i svært rask rekkefølge. Hva skjer da? Forklar. Du skal fortsatt bruke den samme kretsen som på figuren ovenfor, bare med den forskjellen at du nå kopler spenningssensoren (f.eks. ±2,5 V) over lampa. På den måten kan du observere hvordan spenningen over lampa endrer seg akkurat når du slutter kretsen. Klargjør dataloggeren for målinger med spenningssensoren og velg målefrekvensen 100/s og 500 målepunkter eller tilsvarende. Slutt kretsen og studer skjermbildet. Hvor lang tid går det før spenningen får full verdi? Tegn av spenningsgrafen eller ta en utskrift. Gjør den samme observasjonen om igjen, men nå slik at bare lampa blir koplet til spenningskilden. Slutt kretsen og studer skjermbildet. Hvor lang tid tar det før spenningen får full verdi nå? Tegn av grafen eller ta en utskrift. For å kunne sammenlikne grafene bedre kan du bruke samme tidsoppløsning på førsteaksen som du brukte i forrige måling. Skriv en kort forklaring på det du har observert. Del 2 Nå bytter vi litt om på kretsen. Vi bruker den andre glødelampa og kopler den i parallell med spolen og spenningskilden slik som vist på figuren. Bruk en spenning på 4 6 V. Bryt strømmen. Hva skjer? Forklar. Resten av øvingen krever en spenningssensor som tåler ±25 V. Bruke den samme kretsen som i figuren ovenfor, men med spenningssensoren innkoplet over lampa V Sett opp dataloggeren for denne sensoren. Prøv deg fram selv når det gjelder valg av målefrekvens og målepunk- 24 V/0,05 A ter. Kanskje det går greit med samme valg som i del 1? Bryt kretsen og studer spenningsgrafen. Tegn, ta eventuelt en utskrift av grafen. Skriv en kort forklaring på det du har observert.

15 RST 2 9 Induksjon Indusert ems og fart undersøke den induserte emsen som blir produsert når vi slipper en stavmagnet gjennom en spole Forhåndsoppgave Figuren nedenfor viser utstyret du skal bruke i denne øvingen. Tenk deg at du holder magneten i ro over spolen (plastrøret er bare der som hjelp for at magneten skal falle loddrett gjennom spolen). Så slipper du magneten. N Stavmagnet h S Plastrør 1600 vindinger a) Vil absoluttverdien av den magnetiske fluksen gjennom spolen øke eller avta når magneten nærmer seg spolen? b) Beskriv kort hvordan fluksen gjennom spoleåpningen vil forandre seg mens magneten passerer gjennom spolen. c) En magnet slippes 20 cm over spolen. Beregn farten til magneten når den når spolen. Hvor stor blir farten om du dobler fallhøyden? Framgangsmåte Del 1 Når du slipper en stavmagnet gjennom en spole, vil fluksendringen som magneten forårsaker, indusere en ems i spolen. h 1600 vindinger N S Stavmagnet Plastrør Til datalogger Spenningssensor UTSTYR datalogger med spenningssensor, ±2,5 V eller tilsvarende stor spole, 1600 vindinger stavmagnet plastrør, ca. 50 cm, til å lede magneten gjennom spolen; rørtverrsnittet tilpasses den aktuelle spolen og magneten matte på golvet til å ta imot magneten målestav stativutstyr

16 RST 2 9 Induksjon 72 Monter utstyret slik figuren viser. Husk matte på golvet til å ta imot magneten. Monter spolen og plastrøret i et stativ ved hjelp av klemmer. Sett opp dataloggeren for den aktuelle spenningssensoren. Velg høy målefrekvens. Gjør noen prøvemålinger og vurder hvor høy målefrekvens du bør ha. Kontroller at sensoren viser riktig nullpunkt. Kalibrer hvis det trengs. Klargjør loggeren og slipp magneten gjennom spolen slik at den induserte emsen blir registrert. Studer spenningsgrafen du har fått fram. Diskuter i detalj formen på grafen. Er for eksempel grafen symmetrisk om tidsaksen? Hva er arealet mellom grafen og tidsaksen et mål for? Utnytt de mulighetene dataprogrammet gir når det gjelder arealberegninger, og sammenlikn de to arealene under grafen på hver sin side av tidsaksen. Kommenter og drøft resultatet. Del 2 Gjør målinger som viser sammenhørende verdier for den maksimale induserte emsen, ɛ maks, og slipphøyden h. På figuren i del 1 antydet vi at h skal måles fra midt på magneten ved slipp-posisjonen til midt i spolen. Bruk dette valget i første omgang. Vurder selv hvordan dataloggeren bør settes opp, og hvor mange målinger du bør gjøre for hver h-verdi. Sett opp en tabell. Tegn en graf la eventuelt et dataprogram gjøre det som viser sammenhengen mellom den maksimale induserte emsen og slipphøyden h. Hva slags matematisk sammenheng kan det være? Bruk regresjon til å undersøke sammenhengen nærmere. Diskuter i gruppa om det er grunn til å vente en bestemt sammenheng ut fra det dere har lært om indusert ems. Er det andre forhold som bør undersøkes? Skulle h ha vært målt på en annen måte? Prøv eventuelt andre h-verdier. (Tips: Hvilket punkt på grafen svarer til at midten av magneten er kommet til midt i spolen?)

17 RST 2 9 Induksjon Høyspenning undersøke bakgrunnen for at elektrisk strøm blir overført med svært høy spenning når den elektriske energien skal transporteres langt Forhåndsoppgave a) En lampe (6 V/5 A) er koplet til en spenningskilde som gir 6 V. Beregn resistansen i lampa. 6V V b) Mellom spenningskilde og lampe kopler vi inn to konstantantråder som hver har motstanden 30 Ω. Hvor stor er nå spenningen over lampa? (Regn med konstant motstand i lampa.) Tror du lampa lyser? 30 Ω 6V V 30 Ω c) Mellom spenningskilden og konstantantrådene setter vi inn en transformator med vindingsforhold N s /N p = 8/1. På lampesiden setter vi inn en transformator med vindingsforhold 1/8. Hva blir nå spenningen over lampa? Forklar hvordan dette kan få lampa til å lyse igjen. 30 Ω 6V Trafo Trafo V 30 Ω Framgangsmåte Kople opp etter tur og prøv ut de tre kretsene som er tegnet ovenfor. Det kan passe med 2 m konstantantråd med diameter 0,3 mm (tverrsnitt 0,07 mm 2 ). Mål strøm og spenning forskjellige steder i kretsen slik at du kan bestemme forholdet mellom den effekten spenningskilden leverer, og den effekten lampa mottar i hvert av tilfellene b og c. Forklar framgangsmåte og presenter resultater. UTSTYR spenningskilde 6 V vekselspenning 2 transformatorer 600/75 vindinger eller tilsvarende konstantantråd lampe (6 V/5 A) 4 isolerte koplingsstativer voltmeter amperemeter ledninger