آزمایش پدیده های الكترومغناطیسی
هدف آزمایش: بررسی شار والقای مغناطیسی و جریان القایی، بررسی نیروی لاپلاس.
وسایل آزمایش: رئوستا 20 اهمي، فن خنك كننده، آهنرباي نعلي شكل، آهنرباي تخت، پك كامل پرتهاي آزمايشگاهي با نری 4 میلیمتری، منبع تغذيه AC-DC (سلكتور 2 پله، )، هسته U ورقه ای لمینت شده و گیره مربوطه (2عدد)، هسته کونیک ساده (2عدد)، حلقه بسته، حلقه باز، حلقه ذوب پارافین، منبع نور القایی، سیم پیچ 300 دور (2عدد)، سیم پیچ جريان بالای 5 دور، سیم پیچ جريان بالای 75 دور، سیم پیچ جريان بالای 140 دور، سه پایه رومیزی کوچک قابل تنظیم، ستون با قطر10و طول 500 میلیمتر، بست 10 به 10 ، محور آونگ، صفحه ساده، صفحه شیاردار، مولتيمتر دستي دیجیتال.
تئوری آزمایش
اصولاً در مبحث الكترومغناطیس سه پدیده كلی زیرمورد بحث و بررسی قرار میگیرد:
الف) هرگاه از مداری جریان الكتریكی عبور كند، در اطراف مدار میدان مغناطیسی ایجاد خواهد شد.
ب) اگر جریانی از مداری عبور كند و این مدار در میدان مغناطیسی واقع باشد از طرف میدان مغناطیسی، نیرویی به آن وارد می شود كه موجب حركت مدار یا تغییر شكل میگردد (نیروی لاپلاس).
ج) تغییر شار مغناطیسی نسبت به زمان در یك مدار ایجاد نیروی محركه القایی میكند (قانون فاراده).
تغییرات شار به دو طریق صورت میگیرد:
1- تغییر اندازه سطح مدار
2- تغییر مقدار یا جهت میدان مغناطیسی
اكنون یك سری مطالب اساسی برای انجام آزمایش در نظر می گیریم:
1- جهت قرار دادن جریان الكتریكی در مدار از قطب مثبت به سوی قطب منفی است.
2- شار مغناطیسی كه از سطح قابی به مساحت A واقع در میدان B می گذرد از رابطه (1) به دست می آید:
(1)
که زاویه خط عمود بر سطح حلقه با جهت بردار میدان است.
3- نیروی محركه القائی حاصل از تغییر مقدار یا جهت میدان (تغییر شار نسبت به زمان) با رابطه (2) بیان می شود:
(2)
كه در آن N تعداد حلقههای مدار می باشد.
4- میدان مغناطیسی حاصل از عبورجریان I از سیم لوله ای شامل Nدور بارابطه (3) داده می شود:
(3)
دراین رابطه ضریب گذردهی مغناطیسی خلاء بوده ( ) وL طول سیم لوله و امتداد میدان در امتداد محور سیم لوله است.
شكل (2)
5- در یك میدان، عبور جریان متناوب از سیم پیچ اولیه آن ( شامل دور) یك میدان مغناطیسی متغیر ایجاد میكند، این میدان متغیر در مدار ثانویه (شامل دور) تغییر شار مغناطیسی ایجاد میكند و این تغییر شار خود موجب تولید جریان متناوب در سیم پیچ ثانویه میگردد. رابطه (4) بین شدت جریان، ولتاژ و تعداد دورهای سیم پیچ اولیه و ثانویه برقرار است.
(4)
6- هرگاه سیمی به طول L كه از آن جریان I عبور می كند در میدان مغناطیسی B قرار گیرد به آن نیرویی وارد می شود (نیروی لاپلاس) كه با رابطه (5) بیان می شود:
(5)
كه در آن بردار برداری به اندازه طول سیم و در جهت جریان داخل سیم می باشد. برای تعیین جهت نیروی وارد بر سیم، انگشتان دست راست را از روی به روی می چرخانیم، جهت انگشت شست جهت نیرو را نشان می دهد.
روش آزمایش
1- دو سیم پیچ را به یك گالوانمتر وصل كرده و با حركت دادن آهنربای U شكل اطراف آن، ایجاد جریان القائی و جهت آن را مشاهده نمایید. افزایش شدت جریان و نیروی محركه القایی به چه عواملی بستگی دارد؟
2- دو سیم پیچ با دورهای مختلف را مقابل یكدیگر قرار داده یكی از آنها را به ترانس 6 ولت و دومی را به یك ولتمتر وصل نمایید. مشاهده خواهید كرد كه عقربه ولتمتر منحرف می شود. علت را توضیح داده و با اندازهگیری ولتاژ سیم پیچ دوم، رابطه (4) را تحقیق كنید.
3- دستگاه الكترومگنت را به طور قائم روی میز قرار دهید و به منبع تغذیه وصل كنید. جهت میدان مغناطیسی حاصل در داخل آن متغیر است زیرا جریان متناوب به سیم پیچ دادهاید.
اكنون آزمایشهای زیر را انجام دهید:
الف) سیم پیچی را كه لامپی به آن متصل است روی هسته مگنت قرار دهید. ملاحظه می كنید كه لامپ روشن می شود، علت آن را بیان كنید.
ب) سطح سیم پیچ مزبور را به موازات سطح قاعده هسته الكترومگنت قرار دهید. لامپ کاملا پرنور خواهد شد ولی اگر آن را عمود برسطح قاعده هسته مزبور بگیرید، لامپ خاموش خواهد شد. علت را با ذكر فرمول بیان كنید. با توجه به این آزمایش چگونگی توزیع خطوط نیرو رابه طور تقریبی رسم كنید.
پ) دو حلقه فلزی را به ترتیب بالای هسته الكترومگنت (هسته را بالا بیاورید) قرار دهید، مشاهدات خود را با ذكر دلیل بنویسید. چرا با آن كه یكی از حلقه ها سنگینتر است در بالای هسته ولی دیگری در قسمت پایین هسته می ماند.
ت) هرگاه دو حلقه مزبور را با هم بالای هسته قرار دهید، ملاحظه می كنید دو حلقه همدیگر را جذب می كنند. علت را دقیقاً توضیح دهید.
ث) مقداری پارافین در داخل شیار حلقهء شیاردار موجود قرار داده و روی هسته قرار دهید. پس از چند لحظه مشاهده می شود كه پارافین ذوب می شود علت را توضیح دهید ؟ بر مبنای آن اساس كوره القایی را شرح دهید. چه موارد استفاده دیگری از این پدیده به نظرتان می رسد؟
ج) دستگاه آونگ جریان فوكو را با قرار دادن دو بوبین در مكان های خود مطابق شكل و تنظیم آونگ های با صفحات آلومینیومی در بین آنها مرتب كنید. سپس بوبین ها را با استفاده از سیم های خروجی منبع تغذیه به منبع وصل كرده و هسته های آنها را در داخل سیمپیچها قرار دهید، حال آونگ با صفحه آلومینیومی شیاردار و بدون شیار را بین دو بوبین قرار داده و به نوسان درآورید و زمان تناوب آن را بدست آورید. زمان تناوب این آونگها را موقعی كه سیم پیچها از منبع قطع میباشند نیز بدست آورید و با هم مقایسه كنید و علت تفاوت را توضیح دهید.
د) حال بین دو سیمپیچ سیم آلومینیومی را قرار داده ودر داخل شیاركفه مقداری جیوه بریزید، بطوریكه سیم آویخته انتهایش در داخل جیوه قرار گیرد. سپس یكی از دو سیم خروجی منبع تغذیه سیم پیچ ها را به ورودی در روی كفه نصب كرده و یكی دیگر را به سیم پیچ 1200 دور وصل كنید. با توجه به جهت انحراف سیم جهت جریان داخل آن را مشخص كنید.
جای ورودی های روی كفه را عوض كنید، نتیجه آزمایش را توضیح دهید.