ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΕΣ

1. Κατασκευάστε μια απλή γεννήτρια

Θα χρειαστείτε - ένα ηλεκτρικό κινητήρα ή τη φυγοκεντρική μηχανή του εργαστηρίου, - ένα δίσκο από αλουμίνιο (ακτίνας λίγων εκατοστών) που μπορεί να στρέφεται, - ένα πεταλοειδή μαγνήτη, - γαλβανόμετρο του μηδενός, - καλώδια σύνδεσης. Χρησιμοποιήστε τον κινητήρα ή τη φυγοκεντρική μηχανή για να περιστρέψετε το δίσκο με σταθερή γωνιακή ταχύτητα. Τοποθετήστε το δίσκο με τέτοιο τρόπο ώστε ένα μέρος του να βρίσκεται μεταξύ των πόλων του πεταλοειδή μαγνήτη. Συνδέστε με το γαλβανόμετρο δύο ηλεκτρόδια που εφάπτονται στο δίσκο, το ένα στο κέντρο και το άλλο στην περιφέρεια του, σε ένα σημείο ανάμεσα στους πόλους του μαγνήτη. Η γεννήτρια είναι έτοιμη. Περιστρέψτε το δίσκο. Σημειώσεις: 1) Η διάταξη αποτελεί απομίμηση της πρώτης γεννήτριας που κατασκευάστηκε από το Faraday. 2) Η επαγόμενη ηλεκτρεγερτική δύναμη είναι ανάλογη με τη συχνότητα περιστροφής του δίσκου. Η διάταξη μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση της συχνότητας. Υποδείξτε πώς μπορεί να γίνει αυτό και προτείνετε μια εφαρμογή της μεθόδου.

2. Κατασκευάστε έναν απλό ηλεκτρικό κινητήρα.

Θα χρειαστείτε: μια ξύλινη βάση, περίπου 2m λεπτό μονωμένο χάλκινο σύρμα (από αυτό που χρησιμοποιούν για τις περιελίξεις των μοτέρ), μια μπαταρία 4,5V, ένα μικρό ευθύγραμμο μαγνήτη και δύο άκαμπτα σύρματα για τη στήριξη του ΄΄ρότορα΄΄. Κατασκευάστε ένα λεπτό πλαίσιο δέκα σπειρών, διαστάσεων 2 [pic] 2 (cm2), με το μονωμένο χάλκινο σύρμα. Τα δύο άκρα του θα εξέχουν από τα μέσα των απέναντι πλευρών (σχ. 5.39α). Ξύστε το μονωτικό υλικό από τις άκρες των συρμάτων που εξέχουν. Τοποθετήστε σε ένα κομμάτι ξύλου δύο κατακόρυφα σύρματα που καταλήγουν σε V, του ίδιου ύψους. Πάνω στο ξύλο τοποθετήστε τον ευθύγραμμο μαγνήτη. Συνδέστε του πόλους της μπαταρίας στα δύο ευθύγραμμα σύρματα (σχ. 5.39β).

Σχ. 5.39

ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ Νόμος της επαγωγής. 5.1 Ένας κυκλικός βρόχος βρίσκεται μέσα στο ομογενές μαγνητικό πεδίο που δημιουργεί ένας ηλεκτρομαγνήτης. Βρείτε τι προσανατολισμό πρέπει να έχει ο βρόχος ώστε η μαγνητική ροή που τον διαπερνά να είναι α) μέγιστη, β) ελάχιστη. 5.2 Συμπληρώστε τις προτάσεις: Όταν πλησιάσουμε ένα ραβδόμορφο μαγνήτη σε ένα πηνίο, έτσι ώστε οι άξονες τους να συμπίπτουν, μεταβάλλεται …………… …… που διέρχεται από τις σπείρες του πηνίου. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να δημιουργηθεί στο πηνίο ……………… ……… Το φαινόμενο ονομάζεται ……………… ………… 5.3 Ένα συρμάτινο πλαίσιο βρίσκεται μέσα στο μαγνητικό πεδίο που δημιουργεί ένας ηλεκτρομαγνήτης. Να αναφέρετε δύο τρόπους με τους οποίους μπορεί να δημιουργηθεί ηλεκτρεγερτική δύναμη από επαγωγή στο πλαίσιο. 5.4 Αν η μαγνητική ροή που διέρχεται από την επιφάνεια που ορίζει ένας αγωγός αυξάνεται με σταθερό ρυθμό, η ηλεκτρεγερτική δύναμη που δημιουργείται στον αγωγό α) αυξάνεται; β) μειώνεται; ή γ) μένει σταθερή; Σχ. 5.40

5.5 Στο διάγραμμα [pic] του σχήματος 5.40 παριστάνεται γραφικά η ηλεκτρεγερτική δύναμη που επάγεται σε ένα κύκλωμα. Τι εκφράζει το εμβαδόν της επιφάνειας που περικλείεται ανάμεσα στη γραμμή του διαγράμματος και τον άξονα των χρόνων;

5.6 Το συνολικό φορτίο που μετακινείται σε κλειστό κύκλωμα, λόγω του φαινομένου της επαγωγής, εξαρτάται από α) τη χρονική διάρκεια του φαινομένου, β) το ρυθμό με τον οποίο μεταβάλλεται η μαγνητική ροή, γ) την ένταση του ρεύματος στο κύκλωμα, δ) την ωμική αντίσταση που παρουσιάζει το κύκλωμα. Επιλέξτε τη σωστή πρόταση.

5.7 Στο σχήμα 5.41 φαίνονται οι διαδοχικές θέσεις ενός μεταλλικού δακτυλίου. Ο δακτύλιος περνάει από ένα μαγνητικό πεδίο (η περιοχή με το γαλάζιο χρώμα) που οι δυναμικές του γραμμές είναι κάθετες στο επίπεδο του δακτυλίου. Σε ποια ή σε ποιες από τις οχτώ φάσεις της κίνησης, που παριστάνονται στο σχήμα αναπτύσσεται ηλεκτρεγερτική δύναμη από επαγωγή στο δακτύλιο;

Σχ. 5.41

5.8 Ακίνητος κυκλικός αγωγός βρίσκεται μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο με το επίπεδο του κάθετο στις δυναμικές γραμμές. Αν το μέτρο Β του μαγνητικού πεδίου μειώνεται εκθετικά με το χρόνο, στον αγωγό α) δημιουργείται σταθερή ηλεκτρεγερτική δύναμη, β) δημιουργείται ηλεκτρεγερτική δύναμη που μεταβάλλεται με το χρόνο, γ) δε δημιουργείται ηλεκτρεγερτική δύναμη. Ποια απάντηση είναι ορθή;

Το φαινόμενο της επαγωγής σε κινούμενο αγωγό.

5.9 Πού οφείλεται το φαινόμενο της επαγωγής στην περίπτωση που ένας αγωγός κινείται μέσα σε σταθερό μαγνητικό πεδίο;

5.10 Ένας αγωγός αφήνεται να πέσει από ύψος h, σε περιοχή στην οποία υπάρχει οριζόντιο ομογενές μαγνητικό πεδίο. Ο αγωγός, σε όλη τη διάρκεια της κίνησής του, παραμένει οριζόντιος και κάθετος στις δυναμικές γραμμές του πεδίου. Ποιο από τα παρακάτω διαγράμματα παριστάνει την τάση στα άκρα του στις διάφορες χρονικές στιγμές; (Ως χρονική στιγμή μηδέν θεωρείται η στιγμή που αφέθηκε ελεύθερος ο αγωγός).

Σχ. 5.42

Σχ. 5.43

5.11 Ακίνητος ευθύγραμμος αγωγός πολύ μεγάλου μήκους διαρρέεται από σταθερό ρεύμα έντασης Ι. Αγωγός ΑΒ είναι παράλληλος στον πρώτο και απομακρύνεται από αυτόν με σταθερή ταχύτητα υ (σχ. 5.43). Ποιο από τα διαγράμματα στο σχήμα 5.44 παριστάνει την ηλεκτρεγερτική δύναμη που αναπτύσσεται στον αγωγό ΑΒ κατά την κίνησή του, σε συνάρτηση με το χρόνο;

Σχ. 5.44

5.12 Ποιες από τις επόμενες προτάσεις είναι σωστές; α) Σε ακίνητο αγωγό μέσα σε σταθερό μαγνητικό πεδίο δεν αναπτύσσεται ηλεκτρεγερτική δύναμη. β) Δεν αναπτύσσεται ηλεκτρεγερτική δύναμη σε αγωγό που κινείται μέσα σε ανομοιογενές μαγνητικό πεδίο. γ) Σε αγωγό που κινείται παράλληλα στις δυναμικές γραμμές μαγνητικού πεδίου δεν αναπτύσσεται ηλεκτρεγερτική δύναμη. δ) Κατά την περιστροφή ενός αγωγού μέσα σε μαγνητικό πεδίο, ηλεκτρεγερτική δύναμη αναπτύσσεται στον αγωγό μόνο αν κατά την κίνηση του τέμνει τις δυναμικές γραμμές του πεδίου.

Σχ. 5.45

5.13 Η ράβδος ΚΛ του σχήματος 5.45 μπορεί να ολισθαίνει, χωρίς τριβές, στους οριζόντιους αγωγούς Δx και Ζx΄ παραμένοντας πάντα κάθετη σ΄ αυτούς. Τα άκρα Δ και Ζ των αγωγών συνδέονται με αντιστάτη R. Όλη η διάταξη βρίσκεται σε ομογενές κατακόρυφο μαγνητικό πεδίο. Δίνουμε στη ράβδο αρχική ταχύτητα υ παράλληλη στους αγωγούς και την αφήνουμε ελεύθερη. Η κίνηση της ράβδου θα είναι α) ευθύγραμμη ομαλή. β) ομαλά επιταχυνόμενη. γ) επιταχυνόμενη μέχρις ότου η ταχύτητά της αποκτήσει μια οριακή τιμή (υορ). δ) επιβραδυνόμενη. Σημειώστε τη σωστή απάντηση και αιτιολογήστε τη.

Ο κανόνας του Lenz

Σχ. 5.46

5.14 Να συμπληρωθούν τα κενά: Ο κανόνας του Lenz είναι συνέπεια μιας γενικότερης αρχής της φυσικής, της αρχής ………… …. ………….. Σύμφωνα με τον κανόνα του Lenz, το ρεύμα που δημιουργείται εξ αιτίας του φαινομένου της επαγωγής έχει τέτοια ………… ώστε να αντιτίθεται στην αιτία που το προκάλεσε.

5.15 Από ένα λεπτό νήμα κρέμεται αβαρής μεταλλικός δακτύλιος. Εξηγήστε γιατί ο δακτύλιος θα εκτραπεί από τη θέση ισορροπίας του αν πλησιάσουμε σ΄ αυτόν ένα μαγνήτη, όπως δείχνει το σχήμα 5.46. Τι περιμένετε να συμβεί αν ο δακτύλιος έχει εγκοπή;

Σχ. 5.47

5.16 Αφήνουμε ένα μαγνήτη να πέσει κατακόρυφα. Κάτω από το μαγνήτη βρίσκεται οριζόντιος κυκλικός αγωγός (σχ. 5.47). Να συγκρίνετε την επιτάχυνση που έχει ο μαγνήτης στις διάφορες θέσεις του με την επιτάχυνση της βαρύτητας.

5.17 Βρείτε τη φορά του ρεύματος στο πηνίο Π2 μόλις κλείσουμε το διακόπτη στο πηνίο Π1 (σχ.5.48).

Σχ. 5.48

Σχ. 5.49

5.18 Ο δακτύλιος του σχήματος 5.49 βρίσκεται μέσα σε μεταβαλλόμενο ομογενές μαγνητικό πεδίο. Το επίπεδο του δακτυλίου είναι κάθετο στις δυναμικές γραμμές του πεδίου. Όταν το μαγνητικό πεδίο αυξάνεται, ο δακτύλιος διαρρέεται από ρεύμα που έχει τη φορά των δεικτών του ρολογιού. Ποια είναι η φορά των δυναμικών γραμμών του πεδίου;

Εναλλασσόμενη τάση – εναλλασσόμενο ρεύμα

5.19 Σε ποιο φυσικό φαινόμενο στηρίζεται η παραγωγή εναλλασσόμενης τάσης;

5.20 Εάν αυξηθεί η συχνότητα περιστροφής του ρότορα μιας ηλεκτρογεννήτριας τι θα συμβεί στην ενεργό τιμή της τάσης που παρέχει η ηλεκτρογεννήτρια; α) Θα παραμείνει ίδια; β) Θα αυξηθεί; γ) Θα μειωθεί; Επιλέξτε το σωστό.

5.21 Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές; α) Η φορά του εναλλασσομένου ρεύματος αλλάζει περιοδικά. β) Η εναλλασσόμενη τάση στα άκρα ενός αντιστάτη και το ρεύμα που τον διαρρέει έχουν την ίδια συχνότητα και βρίσκονται σε φάση (παίρνουν ταυτόχρονα μέγιστη και ελάχιστη τιμή). γ) Η ενεργός τιμή του εναλλασσόμενου ρεύματος αποτελεί τη μέση τιμή της έντασής του. δ) Το αίτιο παραγωγής θερμότητας σε ένα αντιστάτη όταν διαρρέεται από ρεύμα είναι ίδιο, είτε πρόκειται για συνεχές είτε για εναλλασσόμενο ρεύμα. ε) Το πλάτος του εναλλασσόμενου ρεύματος μεταβάλλεται ημιτονοειδώς με το χρόνο.

5.22 Οι λάμπες στο σπίτι μας τροφοδοτούνται με εναλλασσόμενη τάση ενεργού τιμής 220 V και συχνότητας 50 Hz. Αυτό σημαίνει ότι διαρρέονται από εναλλασσόμενο ρεύμα με την ίδια συχνότητα. Γιατί δεν παρατηρούνται αυξομειώσεις στην ένταση του φωτισμού;

5.23 Αν η ενεργός τιμή της έντασης του εναλλασσομένου ρεύματος που διαρρέει έναν αντιστάτη διπλασιαστεί, ο ρυθμός με τον οποίο ο αντιστάτης αποδίδει θερμότητα στο περιβάλλον α) διπλασιάζεται. β) τριπλασιάζεται. γ) τετραπλασιάζεται. δ) παραμένει ίδιος. Επιλέξτε το σωστό.

5.24 Τα αμπερόμετρα και τα βολτόμετρα που χρησιμοποιούνται για μετρήσεις στο εναλλασσόμενο ρεύμα δίνουν α) την ενεργό τιμή των μεγεθών. β) τη μέση τιμή. γ) το πλάτος. δ) τη στιγμιαία τιμή. Επιλέξτε το σωστό

5.25 Συμπληρώστε τα κενά: Μια ηλεκτρογεννήτρια μετατρέπει ………………. ενέργεια σε …………………. ενέργεια, ενώ ο ηλεκτρικός κινητήρας μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε ……………..

5.26 Η μετατροπή της εναλλασσόμενης τάσης σε συνεχή γίνεται με το συνδυασμό δύο διατάξεων του …………………. και του ……………. Ο εξομαλυντής αποτελείται από αντιστάτη και ……………………… συνδεδεμένα ………………

Αμοιβαία επαγωγή – αυτεπαγωγή

5.27 Η ένταση του ρεύματος που διαρρέει ένα πηνίο μεταβάλλεται από την τιμή Ι στην τιμή 2Ι. Η ηλεκτρεγερτική δύναμη από αυτεπαγωγή που αναπτύσσεται στο πηνίο α) είναι μεγαλύτερη αν η μεταβολή της έντασης του ρεύματος γίνει γρήγορα. β) δεν εξαρτάται από το χρόνο στον οποίο γίνεται η μεταβολή αλλά μόνο από την αρχική και τελική τιμή της έντασης του ρεύματος. γ) εξαρτάται από την ωμική αντίσταση που υπάρχει στο κύκλωμα. δ) εξαρτάται από την πηγή που τροφοδοτεί το κύκλωμα. Ποιες από τις επόμενες προτάσεις είναι ορθές;

5.28 Ο συντελεστής αυτεπαγωγής ενός πηνίου εξαρτάται α) από το υλικό του σύρματος που έχει χρησιμοποιηθεί για να κατασκευαστεί το πηνίο. β) από την ένταση του ρεύματος που το διαρρέει. γ) από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του πηνίου δ) από το υλικό το οποίο βρίσκεται στο εσωτερικό του πηνίου (πυρήνας). Επιλέξτε τα σωστά.

5.29 Η ενέργεια που είναι αποθηκευμένη στο μαγνητικό πεδίο ενός πηνίου όταν διαρρέεται από ρεύμα έντασης Ι είναι 2J. Αν διπλασιαστεί το ρεύμα που διαρρέει το πηνίο, η ενέργειά του θα είναι α) 1J; β) 2J; γ) 4J; δ) 8J;

5.30 Διαθέτουμε σύρμα μήκους l=4m με το οποίο θέλουμε να κατασκευάσουμε ένα πηνίο με όσο το δυνατόν μεγαλύτερο συντελεστή αυτεπαγωγής. Είναι προτιμότερο : α) να τυλίξουμε το σύρμα έτσι, ώστε οι σπείρες να έχουν μικρή διάμετρο και επομένως ο αριθμός των σπειρών να είναι μεγάλος; β) να κατασκευάσουμε σπείρες με μεγάλη διάμετρο, οπότε αναγκαστικά θα μειωθεί ο αριθμός τους; γ) ο συντελεστής αυτεπαγωγής του πηνίου θα είναι ίδιος και στις δύο περιπτώσεις;

Σχ. 5.50

5.31 Στο πηνίο του σχήματος 5.50 αναπτύσσεται ηλεκτρεγερτική δύναμη από αυτεπαγωγή, με την πολικότητα που δείχνει το σχήμα. Το πηνίο διαρρέεται από ρεύμα που α) έχει σταθερή ένταση και φορά προς τα δεξιά. β) έχει σταθερή ένταση και φορά προς τα αριστερά. γ) έχει φορά προς τα δεξιά και η ένταση του αυξάνεται. δ) έχει φορά προς τα δεξιά και η ένταση του ελαττώνεται. ε) έχει φορά προς τα αριστερά και η ένταση του αυξάνεται. στ) έχει φορά προς τα αριστερά και η ένταση του ελαττώνεται. Επιλέξτε τα σωστά.

5.32 Στο σχήμα 5.51α, αρχικά ο μεταγωγός Δ είναι τοποθετημένος στη θέση Α και το πηνίο διαρρέεται από σταθερό ρεύμα. Τη στιγμή μηδέν ο αγωγός τοποθετείται στη θέση Β. Η ένταση του ρεύματος στο πηνίο, από τη στιγμή που ο μεταγωγός τοποθετήθηκε στο Β, σε συνάρτηση με το χρόνο δίνεται από το διάγραμμα στο σχήμα 5.51β. α) Η αποθηκευμένη ενέργεια στο πηνίο είναι μεγαλύτερη τη χρονική στιγμή t1 ή τη στιγμή t2; β) Η ηλεκτρεγερτική δύναμη στο πηνίο είναι μεγαλύτερη τη χρονική στιγμή t1 ή τη χρονική στιγμή t2;

Σχ. 5.51

5.33 Να αντιστοιχίσετε τα μεγέθη της πρώτης στήλης με τις μονάδες στη δεύτερη

1. ΦΒ - 2. ΕΕΠ - 3. ω - 4. Μ - 5. L α) rad/s - β) Wb - γ) H - δ) V - ε) J