Κατηγορία: 4.052 Επαγωγή

Ένας μικρός κυλινδρικός μαγνήτης νεοδύμιου (κράμα Nd₂Fe₁₄B), αφήνεται ελεύθερος να πέσει πάνω από ένα οριζόντιο μεταλλικό δακτύλιο, με το βόρειο πόλο του προς τα κάτω, όπως φαίνεται στο σχήμα. Σε όλη τη διάρκεια του φαινομένου ο άξονας του μαγνήτη διέρχεται από το κέντρο του δακτυλίου και παραμένει κατακόρυφος. Το εμβαδικό διάνυσμα n που προσανατολίζει το δακτύλιο είναι προς τα κάτω. Με έναν παλμογράφο, πήραμε το παρακάτω διάγραμμα της ΗΕΔ επαγωγής που αναπτύσσεται στο δακτύλιο.

Συνέχεια 

Συνέχεια 

Πείραμα 1ο
Όπως φαίνεται στην κάτοψη του διπλανού σχήματος, δύο ομόκεντροι δακτύλιοι, Α από μονωτικό υλικό και Γ από μέταλλο, τοποθετούνται στο ίδιο λείο οριζόντιο τραπέζι. Ο Α είναι ομοιόμορφα φορτισμένος με φορτίο Δq = N∙e, e το στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο. Θέτουμε τον δακτύλιο Α σε περιστροφή κατά τη φορά των δεικτών του ρολογιού με γωνιακή ταχύτητα μέτρου ω, που αυξάνεται.
i) Εξηγείστε γιατί η περιστροφή του δακτυλίου Α δημιουργεί μαγνητικό πεδίο. Σχεδιάστε το πεδίο εντός και εκτός του δακτυλίου. Που είναι πιο ισχυρό; Αν r η ακτίνα του δακτυλίου, υπολογίστε την ένταση αυτού του πεδίου στο κέντρο του Ο, σε συνάρτηση των μ₀, Ν, ω, e, r.
ii) Θεωρούμε ότι το μαγνητικό πεδίο, εκτός του κυκλικού δίσκου του δακτυλίου Α, είναι αμελητέο. Αφού εξηγήσετε γιατί εμφανίζεται ΗΕΔ επαγωγής στο δακτύλιο Γ, βρείτε τη φορά του επαγωγικού ρεύματος.
Πείραμα 2ο
Ένας μεταλλικός δακτύλιος από μαγγανίνη (κράμα Μn, του οποίου η αντίσταση είναι ανεξάρτητη της θερμοκρασίας), τοποθετείται σε οριζόντιο επίπεδο, μέσα σε κατακόρυφο ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης Β , κάθετο στο επίπεδο του κύκλου, προς τα μέσα, όπως φαίνεται στο διπλανό σχήμα. Θερμαίνουμε το δακτύλιο, οπότε αρχίζει να διαστέλλεται και η ακτίνα του αυξάνεται χρονικά σύμφωνα με τη σχέση r = √t/π (S.I.). Αν η αντίσταση του σύρματος είναι R = 0,1Ω:
i) Βρείτε την ένταση του επαγωγικού ρεύματος που διαρρέει το δακτύλιο.
ii) Ποια είναι η φορά του ρεύματος; Δικαιολογείστε.

Απάντηση 

Απάντηση 

Στο κύκλωμα του σχήματος δίνονται R₁ = 3Ω, R₂ = 6Ω, η πηγή ιδανική με ΗΕΔ Ε = 12V και το πηνίο ιδανικό με συντελεστή αυτεπαγωγής L = 0,3H.

i) Τη χρονική στιγμή t₀ = 0s κλείνουμε το διακόπτη δ και τον ανοίγουμε ακαριαία τη χρονική στιγμή t₁ = 1s. Δεδομένου ότι το χρονικό αυτό διάστημα είναι αρκετό για την αποκατάσταση του ρεύματος, βρείτε την ένταση του ρεύματος σε κάθε κλάδο του κυκλώματος και την αλγεβρική τιμή της ΗΕΔ αυτεπαγωγής στο πηνίο

α) τη χρονική στιγμή t = 0⁺s (ποσοτικά)

β) μια χρονική στιγμή 0s < t < 1s (ποιοτικά)

γ) τη χρονική στιγμή t = 1s (ποσοτικά)

ii) Μετά το άνοιγμα του διακόπτη και με δεδομένο ότι τη χρονική στιγμή t₂ = 2s έχει τελειώσει το φαινόμενο της αυτεπαγωγής, βρείτε την ένταση του ρεύματος σε κάθε κλάδο του κυκλώματος και την αλγεβρική τιμή της ΗΕΔ αυτεπαγωγής στο πηνίο

α) τη χρονική στιγμή t = 1⁺s (ποσοτικά)

β) Μια χρονική στιγμή 1s < t < 2s (ποιοτικά)

γ) τη χρονική στιγμή t = 2s (ποσοτικά)

iii) Να κάνετε τη γραφική παράσταση της έντασης του ρεύματος σε συνάρτηση με το χρόνο, που διαρρέει κάθε κλάδο του κυκλώματος πριν και μετά το άνοιγμα του διακόπτη.

iv) Να κάνετε τη γραφική παράσταση της ΗΕΔ αυτεπαγωγής στο πηνίο σε συνάρτηση με το χρόνο, πριν και μετά το άνοιγμα του διακόπτη.

v) Κάποια στιγμή t₁ όπου 0s < t₁ < 1s η ένταση του ρεύματος που δίνει η πηγή είναι i = 3A. Βρείτε τις ενεργειακές μετατροπές, υπολογίζοντας την ισχύ που ανταλλάσσει με το κύκλωμα κάθε δίπολο του κυκλώματος.

vi) Κάποια στιγμή t₁ όπου 1s < t₂ < 2s η ένταση του ρεύματος που διαρρέει το κύκλωμα είναι i₁ = 3A. Βρείτε τις ενεργειακές μετατροπές, υπολογίζοντας την ισχύ που ανταλλάσσει με το κύκλωμα κάθε δίπολο του κυκλώματος.

Απάντηση 

Απάντηση 

Δύο ευθύγραμμοι μεταλλικοί αγωγοί Σ1 και Σ2 αμελητέας αντίστασης, συγκολλούνται μεταξύ τους στο ένα τους άκρο και τοποθετούνται σε οριζόντιο τραπέζι ώστε να είναι ακλόνητοι, με τη γωνία xAy = 90⁰. Ένας τρίτος αγωγός Σ3 μήκους L = 2m, κινείται με σταθερή ταχύτητα και βρίσκεται κάθε στιγμή σε αγώγιμη επαφή με τους δύο σταθερούς αγωγούς, έτσι ώστε το ορθογώνιο τρίγωνο που σχηματίζεται από τους τρεις αγωγούς να είναι ισοσκελές. Τη χρονική στιγμή t = 0s το μέσον Μ του αγωγού Σ3 διέρχεται από το σημείο Α. H ταχύτητα του αγωγού Σ3 έχει μέτρο υ = (√2/4)m/s, διεύθυνση παράλληλη προς τον αγωγό Σ1, όπως στο σχήμα και επιτυγχάνεται με την εξάσκηση κατάλληλης δύναμης . Κάθετα στο επίπεδο του τριγώνου διέρχονται οι δυναμικές γραμμές ομογενούς μαγνητικού πεδίου έντασης μέτρου Β = 1Τ .

α) Εξηγείστε γιατί δημιουργείται επαγωγικό ρεύμα στο τριγωνικό πλαίσιο που δημιουργείται από τους τρεις αγωγούς και προσδιορίστε τη φορά του.

β) Υπολογίστε την ΗΕΔ επαγωγής που αναπτύσσεται στο πλαίσιο σε συνάρτηση με το χρόνο και κάνετε την αντίστοιχη γραφική παράσταση σε βαθμολογημένους άξονες, μέχρι τη χρονική στιγμή t₁ που θα χάσει ο αγωγός Σ3 την επαφή του με τους Σ1, Σ2.

γ) Αν η αντίσταση ανά μονάδα μήκους του πλαισίου είναι R^*= 0,125Ω/m, υπολογίστε το επαγωγικό ρεύμα που διαρρέει το πλαίσιο σε συνάρτηση με το χρόνο.

δ) Βρείτε τη χρονική εξίσωση της εξωτερικής δύναμης που ασκούμε για να κινείται ο αγωγός με σταθερή ταχύτητα.

ε) Βρείτε τη χρονική εξίσωση της παρεχόμενης ισχύος από τη δύναμη και από την αντίστοιχη γραφική παράσταση υπολογίστε το έργο της δύναμης μέχρι τη χρονική στιγμή t₁.

στ) Να βρείτε όλους τους μετασχηματισμούς της ενέργειας ανά μονάδα χρόνου και να επαληθεύσετε την Διατήρηση της Ενέργειας, μέχρι τη χρονική στιγμή t₁.

Απάντηση 

Απάντηση 

Στο σχήμα φαίνονται δύο τετράγωνα συρμάτινα πλαίσια Π₁, Π₂ με πλευρές α και b αντίστοιχα, συνδεδεμένα μεταξύ τους, που παρουσιάζουν αντίσταση ανά μονάδα μήκους R^*. Ένα ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης Β εφαρμόζεται με τις δυναμικές του γραμμές κάθετες στο επίπεδο των πλαισίων και το μέτρο της έντασης να μεταβάλλεται σύμφωνα με τη σχέση Β = 4kt (S.I.), όπου k = 2Τ/s. Θεωρούμε το εμβαδικό διάνυσμα n, ομόρροπο του B.

α) Σχεδιάστε στο σχήμα την πολικότητα της ΗΕΔ επαγωγής που αναπτύσσεται σε κάθε πλαίσιο, δικαιολογώντας τη φορά της.

β) Υπολογίστε την ένταση του επαγωγικού ρεύματος στο κύκλωμα και δικαιολογείστε τη φορά του.

γ) Κάποιος ισχυρίζεται ότι οι δύο ΗΕΔ προσφέρουν ενέργεια στο ηλεκτρικό ρεύμα. Συμφωνείτε ή διαφωνείτε; Δικαιολογείστε την απάντησή σας.

Απάντηση 

Απάντηση 

Πάνω σε ένα οριζόντιο τραπέζι ηρεμεί ένα ορθογώνιο συρμάτινο πλαίσιο, διαστάσεων α = 0,4m και β = 0,6m. Η μάζα του πλαισίου είναι m = 100g και ο συντελεστής τριβής ολίσθησης που εμφανίζει με το τραπέζι είναι μ = 0,5.

α) Ποιο είναι το μέτρο της οριζόντιας δύναμης , που απαιτείται για να κινείται το πλαίσιο με σταθερή ταχύτητα μέτρου υ = 2m/s;

Δημιουργούμε κατακόρυφο ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης Β = 0,75Τ έτσι ώστε κάποιο μέρος του πλαισίου να βρίσκεται μέσα σε αυτό, όπως φαίνεται το σχήμα. Θέλουμε να εξάγουμε το πλαίσιο από το μαγνητικό πεδίο με την ίδια σταθερή ταχύτητα μέτρου υ.

β) Εξηγείστε γιατί θα απαιτηθεί δύναμη μέτρου F₂ > F₁ .

γ) Αν το πλαίσιο παρουσιάζει αντίσταση ανά μονάδα μήκους R^* = 0,5Ω/m, βρείτε την αλγεβρική τιμή του επαγωγικού ρεύματος, που διαρρέει το πλαίσιο και εξηγείστε το πρόσημο που προκύπτει.

δ) Υπολογίστε το μέτρο F₂ της απαιτούμενης δύναμης.

ε) Να βρείτε όλους τους μετασχηματισμούς της ενέργειας ανά μονάδα χρόνου και να επαληθεύσετε την Διατήρηση της Ενέργειας.

Θεωρείστε το εμβαδικό διάνυσμα του πλαισίου, ομόρροπο της έντασης του μαγνητικού πεδίου και g = 10m/s².

Απάντηση 

Απάντηση 

Το κύκλωμα του σχήματος περιλαμβάνει ιδανική πηγή με ΗΕΔ Ε = 100V, ιδανικό πηνίο με συντελεστή αυτεπαγωγής L = 0,1H και αντίσταση R = 10Ω, συνδεδεμένα σε σειρά. Τη χρονική στιγμή t₀ = 0 κλείνουμε το διακόπτη δ.

α) Κάποια χρονική στιγμή t₁, ο ρυθμός αποθήκευσης ενέργειας στο μαγνητικό πεδίο του πηνίου γίνεται μέγιστος. Ποιος είναι ο μέγιστος ρυθμός αποθήκευσης ενέργειας στο μαγνητικό πεδίο του πηνίου και ποια είναι η ένταση του ρεύματος εκείνη τη στιγμή;

β) Ποια θα είναι η τελική-σταθεροποιημένη τιμή της έντασης του ρεύματος; Να κάνετε ένα ποιοτικό διάγραμμα i → t.

γ) Να κάνετε τη γραφική παράσταση του ρυθμού μεταβολής της έντασης του ρεύματος σε συνάρτηση με την ένταση του ρεύματος. Ποια είναι η μέγιστη τιμή του και πότε την παίρνει;

δ) Τη χρονική στιγμή t₁, βρείτε τους ρυθμούς μεταφοράς ενέργειας από τα δίπολα του κυκλώματος στο ηλεκτρικό ρεύμα και την ενέργεια που έχει αποθηκευτεί στο πηνίο.

ε) Τι ποσοστό της τελικής ενέργειας του μαγνητικού πεδίου, έχει αποθηκευτεί τη χρονική στιγμή t₁;

στ) Για καθηγητές. Γράψτε τις χρονικές εξισώσεις και κάνετε τις αντίστοιχες γραφικές παραστάσεις:

στ₁) της έντασης του ρεύματος

στ₂) της ΗΕΔ αυτεπαγωγής

στ₃) της ισχύος στο πηνίο

στ₄) της ενέργειας του μαγνητικού πεδίου

Απάντηση 

Απάντηση