ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΕΣ

1. Το μαγνητικό πεδίο στο κέντρο ενός πλαισίου.

Εικ. 4.13

Χρησιμοποιήστε ένα λεπτό καλώδιο για να δημιουργήσετε ένα κατακόρυφο ορθογώνιο πλαίσιο, με μία ή περισσότερες σπείρες. Στο κέντρο του πλαισίου τοποθετήστε μια πυξίδα. Περιστρέψτε τη διάταξη ώστε η βελόνα της πυξίδας να είναι παράλληλη με το επίπεδο του πλαισίου. Συνδέστε το σύρμα στους πόλους μιας μπαταρίας 4,5V. Η βελόνα στρέφεται. Τυλίξτε ακόμα μία φορά το σύρμα ώστε να προσθέσετε μία σπείρα στο πλαίσιο. Τι παρατηρείτε για τη γωνία που στράφηκε τώρα η βελόνα; Συνεχίστε να τυλίγετε σπείρες στο πλαίσιο. Τι εμποδίζει τη βελόνα να τοποθετηθεί κάθετα στο επίπεδο του πλαισίου;

2. Ένας εύκολος τρόπος να παρατηρήσετε τη δύναμη Laplace.

Σχ. 4. 28

Κόψτε μια λεπτή λωρίδα αλουμινόχαρτο και συνδέστε τη στους πόλους μπαταρίας 4,5V. Πλησιάστε το βόρειο πόλο ενός ευθύγραμμου μαγνήτη, που τον κρατάτε κατακόρυφο. Θα δείτε ότι το αλουμινόχαρτο μετακινείται. Πλησιάστε στο αλουμινόχαρτο το νότιο πόλο του μαγνήτη. Τι παρατηρείτε; Ελέγξτε αν η φορά της δύναμης συμφωνεί με τον κανόνα των τριών δακτύλων του δεξιού χεριού.

3. Κατασκευάστε ένα πηνίο

Τυλίξτε γύρω από ένα χάρτινο κύλινδρο ένα μονωμένο χάλκινο σύρμα (από αυτό που χρησιμοποιούν για τις περιελίξεις των μοτέρ). Φροντίστε οι σπείρες να εφάπτονται ώστε να είναι παράλληλες μεταξύ τους. Φροντίστε επίσης να στηρίξετε τις σπείρες (π.χ. με κόλλα) για να μην φεύγουν από τον κύλινδρο. Ξύστε τις δύο άκρες του σύρματος ώστε να είναι αγώγιμες. Το πηνίο είναι έτοιμο.

4. Κατασκευάστε ένα μαγνητικό ζυγό.

Σχ. 4.29

Θα χρησιμοποιήσετε ένα συρμάτινο πλαίσιο από λεπτό σύρμα χωρίς μόνωση (Σχ. 4.29). Το πλαίσιο είναι ανοιχτό στο ένα μέρος του. Η διάσταση d να επιλεγεί κατάλληλα ώστε να χωράει στο πηνίο που κατασκευάσατε. Η άλλη πλευρά του να έχει μήκος l=20cm. Στηρίξτε το πλαίσιο σε δύο λεπίδες χαρτοκόπτη που είναι τοποθετημένες κατακόρυφα. Βρείτε τη θέση στην οποία το πλαίσιο ισορροπεί οριζόντια και σημειώστε τη. Τοποθετήστε το πηνίο έτσι ώστε η πλευρά d του πλαισίου να βρίσκεται μέσα στο πηνίο και ο άξονας του πηνίου να είναι παράλληλος με τις άλλες πλευρές του πλαισίου. Συνδέστε κατάλληλα το πλαίσιο και το πηνίο με τους πόλους μπαταρίας 4.5V έτσι ώστε και τα δύο να τροφοδοτούνται από το ίδιο ρεύμα (Σχ. 4.30). Προσπαθήστε να ισορροπήσει το πλαίσιο βάζοντας στην ελεύθερη άκρη του μικρά κομματάκια από χαρτί. [Δείτε και το αντίστοιχο πείραμα στον οδηγό του εργαστηρίου]

Σχ. 4.30

ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ Ο νόμος των Biot και Savart 4.1 Συμπληρώστε τα κενά: Ο νόμος των Biot και Savart δίνει το μαγνητικό πεδίο που δημιουργεί ένα …….. …………. ……………. ρευματοφόρου αγωγού. Για να υπολογίσουμε το μαγνητικό πεδίο που δημιουργεί ολόκληρος ο αγωγός σε κάποιο σημείο, πρέπει να χωρίσουμε τον αγωγό σε πολύ μικρά τμήματα και στη συνέχεια να ……………… τη συνεισφορά όλων των τμημάτων στα οποία χωρίσαμε τον αγωγό. 4.2 Το μαγνητικό πεδίο ΔB που δημιουργεί πολύ μικρό τμήμα Δl ρευματοφόρου αγωγού σε κάποιο σημείο, το οποίο απέχει απόσταση r από το τμήμα Δl α) έχει τη διεύθυνση του r, β) έχει τη διεύθυνση του αγωγού, γ) έχει μέτρο αντίστροφα ανάλογο του r, δ) έχει μέτρο αντίστροφα ανάλογο του r2. Επιλέξτε τη σωστή απάντηση. 4.3 Ο νόμος των Biot και Savart, ισχύει: α) για ευθύγραμμους αγωγούς, β) για αγωγούς που έχουν γεωμετρικό σχήμα, γ) για αγωγούς που το μήκος τους θεωρείται άπειρο, δ) για κάθε αγωγό. Σημειώστε τη σωστή απάντηση. 4.4 Υπολογίστε το μαγνητικό πεδίο στο κέντρο ενός ημικυκλικού αγωγού που διαρρέεται από ρεύμα έντασης Ι. Ο νόμος το Ampere 4.5 Συμπληρώστε τα κενά: Σύμφωνα με το νόμο του Ampere το άθροισμα των γινομένων [pic] κατά μήκος μιας κλειστής διαδρομής είναι ίσο με …………… Ο νόμος του Ampere δίνει τη δυνατότητα να υπολογίζουμε εύκολα το μαγνητικό πεδίο σε διατάξεις που παρουσιάζουν ………………… 4.6 Ποιες από τις προτάσεις που ακολουθούν είναι σωστές; α) Ο νόμος του Ampere ισχύει μόνο σε περιπτώσεις συμμετρικών διατάξεων. β) Για την εφαρμογή του νόμου του Ampere λαμβάνουμε υπόψη μόνο το πεδίο που οφείλεται σε ρεύματα που περικλείονται στο βρόχο. γ) Ο νόμος του Ampere ισχύει μόνο αν τα ρεύματα που δημιουργούν το μαγνητικό πεδίο είναι σταθερά. δ) Ο νόμος του Ampere εφαρμόζεται κατά μήκος κλειστής διαδρομής οποιουδήποτε σχήματος. 4.7 Κατάλληλη κλειστή διαδρομή για την εφαρμογή του νόμου του Ampere είναι, Α) σε ευθύγραμμο αγωγό απείρου μήκους, α) μια κυκλική διαδρομή κάθετη στον αγωγό, β) μια κυκλική διαδρομή παράλληλη στον αγωγό, γ) μια διαδρομή σχήματος ορθογωνίου με το επίπεδο του κάθετο στον αγωγό, δ) μια διαδρομή σχήματος ορθογωνίου με το επίπεδο του παράλληλο στον αγωγό, Β) σε σωληνοειδές, α) μια κυκλική διαδρομή κάθετη στον άξονα του σωληνοειδούς, β) μια κυκλική διαδρομή σε επίπεδο παράλληλο στον άξονα του σωληνοειδούς, γ) μια διαδρομή σχήματος ορθογωνίου με το επίπεδο του κάθετο στον άξονα του σωληνοειδούς, δ) μια διαδρομή σχήματος ορθογωνίου με το επίπεδο του παράλληλο στον άξονα του σωληνοειδούς. Σημειώστε τις σωστές απαντήσεις. 4.8 Δύο μονωμένοι αγωγοί τυλίγονται όπως στο σχήμα 4.31 Οι αγωγοί διαρρέονται από αντίρροπα ρεύματα της ίδιας έντασης. Εξηγήστε γιατί ένα τέτοιο σύστημα δε δημιουργεί γύρω του μαγνητικό πεδίο. Σχ. 4.31

4.9 Να αντιστοιχίσετε τα στοιχεία της αριστερής στήλης στα στοιχεία της δεξιάς.

1. Ευθύγραμμος αγωγός - 2. Κυκλικός αγωγός - 3. Σωληνοειδές Α.[pic] - Β.[pic] - Γ.[pic] - Δ.[pic]

4.10 Το μαγνητικό πεδίο ευθύγραμμου ρευματοφόρου αγωγού πολύ μεγάλου μήκους παριστάνεται με δυναμικές γραμμές που α) είναι παράλληλες και ισαπέχουσες, β) έχουν την κατεύθυνση του αγωγού, γ) είναι ομόκεντροι κύκλοι παράλληλοι στον αγωγό, δ) είναι ομόκεντροι κύκλοι κάθετοι στον αγωγό με κέντρο τον αγωγό. Ποια είναι η σωστή πρόταση;

4.11 Το μέτρο του μαγνητικού πεδίου στο εσωτερικό σωληνοειδούς που διαρρέεται από ρεύμα είναι: α) ανάλογο με το μήκος του σωληνοειδούς, β) ανάλογο με την ένταση του ρεύματος που το διαρρέει, γ) αντίστροφα ανάλογο του αριθμού των σπειρών του, δ) αντίστροφα ανάλογο της ακτίνας των σπειρών του. Σημειώστε τη σωστή απάντηση.

4.12 Κύβος ακμής α περικλείει ένα ραβδόμορφο μαγνήτη. Να υπολογιστεί η ολική μαγνητική ροή που διέρχεται από την επιφάνεια του κύβου. Πόση θα είναι η μαγνητική ροή αν ο μαγνήτης τοποθετηθεί έξω από τον κύβο;

4.13 Πώς προκύπτει, από το νόμο του Gauss για το μαγνητισμό, το συμπέρασμα ότι αποκλείεται η ύπαρξη μαγνητικών μονοπόλων;

Δύναμη σε κινούμενο ηλεκτρικό φορτίο.

4.14 Μπορεί ένα ακίνητο πρωτόνιο να τεθεί σε κίνηση α) από ένα μαγνητικό πεδίο; β) από ένα ηλεκτρικό πεδίο; Δικαιολογήστε την απάντησή σας.

4.15 Η δύναμη που ασκεί το μαγνητικό πεδίο σε κινούμενο ηλεκτρικό φορτίο έχει α) την κατεύθυνση των δυναμικών γραμμών αν πρόκειται για θετικό φορτίο και αντίθετη αν πρόκειται για αρνητικό, β) τη διεύθυνση της ταχύτητας, γ) διεύθυνση που σχηματίζει με τις δυναμικές γραμμές γωνία φ με [pic] δ) διεύθυνση κάθετη στο επίπεδο που ορίζεται από το Β και την ταχύτητα. Επιλέξτε τη σωστή απάντηση.

4.16 Η δύναμη που ασκεί το μαγνητικό πεδίο σε κινούμενο ηλεκτρικό φορτίο, εξαρτάται από: α) το φορτίο του σωματιδίου, β) τη μάζα του, γ) τη διεύθυνση της ταχύτητας του, δ) την τιμή του πηλίκου [pic]. Επιλέξτε την ή τις σωστές απαντήσεις.

Σχ. 4.32

4.17 Ένα ηλεκτρόνιο διέρχεται από κάποιο χώρο χωρίς να εκτραπεί από την πορεία του. Μπορούμε να συμπεράνουμε ότι δεν υπάρχει μαγνητικό πεδίο στο χώρο αυτό;

4.18 Στο σχ.4.32 βλέπουμε τις τροχιές τριών σωματιδίων μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο. Τι συμπέρασμα βγάζετε για το είδος του φορτίου κάθε σωματιδίου;

4.19 Ένα ηλεκτρόνιο εισέρχεται με ταχύτητα υ σε ένα σωληνοειδές που διαρρέεται από ρεύμα. Να περιγραφεί η κίνηση του ηλεκτρονίου, όσο χρόνο παραμένει μέσα στο σωληνοειδές, α) αν εισέρχεται παράλληλα με τον άξονα του σωληνοειδούς, β) αν εισέρχεται κάθετα στον άξονα του σωληνοειδούς.

4.20 Η ένταση της κοσμικής ακτινοβολίας (φορτισμένα σωματίδια προερχόμενα από το Διάστημα που κινούνται με πολύ μεγάλες ταχύτητες) στην Αλάσκα είναι πολύ μεγαλύτερη απ' ότι στη χώρα μας. Πού νομίζετε ότι οφείλεται αυτό;

4.21 Γιατί χαλάει η εικόνα της τηλεόρασης εάν κοντά της τοποθετήσουμε ένα μαγνήτη;

4.22 Στο σχήμα 4.33 φαίνονται τρεις περιπτώσεις στις οποίες φορτισμένο σωματίδιο κινείται με ταχύτητα υ μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο Β. Ποια είναι η κατεύθυνση της δύναμης Lorentz που θα δεχτεί το σωματίδιο σε κάθε περίπτωση;

Σχ. 4. 33

4.23 Δύο ηλεκτρόνια κινούνται κυκλικά, στο ίδιο μαγνητικό πεδίο, με ταχύτητες υ1 και υ2 για τις οποίες ισχύει υ1 > υ2. Ποιες από τις επόμενες προτάσεις είναι ορθές; Α. Για τις ακτίνες περιστροφής τους ισχύει α) R1 = R2 β) R1>R2 γ) R1 < R2. Β. Για τις συχνότητες περιστροφής ισχύει α) f1 = f2 β) f1>f2 γ) f1 < f2 .

Σχ. 4.34

4.24 Στο σχήμα 4.34 φαίνονται οι τροχιές ενός πρωτονίου και ενός ηλεκτρονίου που κινούνται με ταχύτητα ίδιου μέτρου μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο Β. α) Ποιο από τα δύο σωματίδια αντιστοιχεί στην τροχιά μεγαλύτερης ακτίνας; β) Ποια είναι η φορά της κίνησης κάθε σωματιδίου;

4.25 Φορτισμένο σωματίδιο κινείται μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο κάθετα στις δυναμικές γραμμές του. Ποιες από τις προτάσεις που ακολουθούν είναι σωστές; α) Το μαγνητικό πεδίο δε μεταβάλλει την ορμή του. β) Το μαγνητικό πεδίο δεν επιταχύνει το σωματίδιο. γ) Το μαγνητικό πεδίο δε μεταβάλλει την κινητική ενέργεια του σωματιδίου. δ) Η δύναμη του μαγνητικού πεδίου δεν παράγει έργο.

Σχ. 4.35

4.26 Ένα φορτισμένο σωματίδιο εισέρχεται σε ομογενές μαγνητικό πεδίο με ταχύτητα υο κάθετη στις δυναμικές του γραμμές και αφού διαγράψει ημικύκλιο, όπως δείχνει το Σχ. 4.35, εξέρχεται από αυτό σε χρόνο t1. Α. Τι είδους φορτίο έχει το σωματίδιο; Β. Ποια σχέση συνδέει την ταχύτητα υ1 με την οποία βγαίνει από το πεδίο με την ταχύτητα υο; Γ. Ένα δεύτερο όμοιο σωματίδιο μπαίνει στο μαγνητικό πεδίο με ταχύτητα 2υο. i. Για το χρόνο t2 παραμονής του δεύτερου σωματιδίου στο πεδίο ισχύει α) t1 = t2, β) t1 > t2, γ) t1 ii. Για την ακτίνα της τροχιάς του δευτέρου σωματιδίου R2 ισχύει α) R1 = R2, β) R1 > R2, γ) R1 < R2; Σημειώστε τις σωστές απαντήσεις.

4.27 Στο σχήμα 4.36 η κόκκινη γραμμή δείχνει την τροχιά ενός φορτισμένου σωματιδίου. Το σωματίδιο κατά την κίνησή του περνάει από δύο μαγνητικά πεδίο Β1 και Β2 (είναι οι γαλάζιες περιοχές του σχήματος) όπου διαγράφει ημικυκλικές τροχιές. Στη συνέχεια εισέρχεται στο ομογενές ηλεκτρικό πεδίο, που δημιουργείται στο εσωτερικό φορτισμένου πυκνωτή. α) Τι είδους φορτίο φέρει το σωματίδιο; β) Ποιες είναι οι κατευθύνσεις των δύο μαγνητικών πεδίων; γ) Ποιο μαγνητικό πεδίο είναι πιο ισχυρό; δ) Σε ποιο από τα δύο μαγνητικά πεδία το σωματίδιο παραμένει περισσότερο χρόνο;

Σχ. 4.36

4.28 Τι κίνηση κάνει ένα φορτισμένο σωματίδιο που εισέρχεται σε ομογενές μαγνητικό πεδίο με τυχαία γωνία ως προς τις δυναμικές γραμμές του; Αιτιολογήστε την απάντηση σας.

4.29 Συμπληρώστε τα κενά. Ο φασματογράφος μάζας είναι μια διάταξη που μετράει το πηλίκο …………… προς ……… ……….. ενός ιόντος. Χρησιμοποιείται για το διαχωρισμό …………….. ……

4.30 Να περιγραφούν τα βασικά μέρη από τα οποία αποτελείται ένας φασματογράφος μάζας και να εξηγηθεί η λειτουργία τους.

4.31 Με ποια διάταξη μπορούμε από μια δέσμη φορτισμένων σωματιδίων, με διαφορετικές ταχύτητες να πάρουμε δέσμη στην οποία όλα τα σωματίδια θα έχουν την ίδια ταχύτητα; Περιγράψτε τη διάταξη και τη λειτουργία της.

Δύναμη Laplace – μαγνητική δύναμη ανάμεσα σε παράλληλους αγωγούς

4.32 Περιγράψτε τρεις τρόπους με τους οποίους μπορούμε να διαπιστώσουμε την ύπαρξη μαγνητικού πεδίου.

4.33 Ευθύγραμμος αγωγός που διαρρέεται από ρεύμα βρίσκεται μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο. Ποιος πρέπει να είναι ο προσανατολισμός του αγωγού ώστε η δύναμη που δέχεται από το μαγνητικό πεδίο να είναι η μέγιστη δυνατή;

4.34 Συμπληρώστε τα κενά: Ευθύγραμμος αγωγός, που διαρρέεται από ρεύμα, βρίσκεται μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο. Η δύναμη που δέχεται ο αγωγός είναι κάθετη στο επίπεδο που ορίζεται από …………………και η φορά της δίνεται από ……………………

4.35 Συμπληρώστε τις επόμενες προτάσεις: Δύο παράλληλοι αγωγοί πολύ μεγάλου μήκους που διαρρέονται από ………….. ρεύματα έλκονται, ενώ αν διαρρέονται από …………….. ρεύματα ………….. Η δύναμη που ασκεί ο ένας αγωγός σε μήκος l του άλλου είναι ανάλογη με το γινόμενο…………………. και με το μήκος l και αντίστροφα ανάλογη …………… ………… ……… ……

Σχ. 4.37