Question

Długi solenoid ustawiamy pionowo, a jego końcówki łączymy z oscyloskopem (patrz ilustracja). Nad solenoidem trzymamy magnes sztabkowy w taki sposób, że jeden z jego biegunów skierowany jest w dół, drugi ku górze. Puszczamy magnes swobodnie i spada on przez zwojnicę. Na ekranie oscyloskopu cyfrowego zostaje zarejestrowany wykres pokazujący, jak zmieniała się siła elektromotoryczna podczas spadania magnesu. Zależność ta jest skomplikowana i może być przedstawiona jako trzy odcinki wykresu: AB, BC i CD, widoczne na ilustracji (w części b) Odpowiadają one trzem fazom ruchu magnesu: wlotowi magnesu do solenoidu (AB), przelotowi magnesu przez solenoid (BC) i opuszczaniu solenoidu przez magnes. Odpowiedz na pytania:

a) Dlaczego siła elektromotoryczna powstaje wtedy, gdy magnes wpada do solenoidu?

b) Dlaczego nie ma siły elektromotorycznej wtedy, gdy magnes przelatuje przez solenoid?

c) Dlaczego siła elektromotoryczna wytwarzana jest ponownie, gdy magnes opuszcza solenoid? Dlaczego zarejestrowane w tym wypadku napięcie ma przeciwny znak?

d) Dlaczego odcinek CD jest krótszy niż AB, a siła elektromotoryczna zarejestrowana podczas wypadania magnesu z solenoidu jest większa od tej, która została wytworzona przy wpadaniu magnesu do solenoidu?

e) Jakie siły działają na magnes podczas jego spadania?



koncowka zadania i rysunek w zalaczniku

Answer 1

Witaj :)
a)
Zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej Faradaya oraz regułą
Lenza zbliżanie się bieguna magnesu do solenoidu powoduje wzrost strumienia
magnetycznego ∆Φ obejmowanego przez ten solenoid, poprzez wzrost indukcji magnetycznej ∆B :
E1 = - ∆Φ/∆t
Jeżeli od góry wpada pionowo w solenoid magnes sztabkowy swoim
biegunem N, to w zwojach solenoidu wzbudza się taka E1, aby wywołany nią
prąd indukcyjny J1 wytworzył zgodnie z regułą Lenza (fizyczną regułą przekory)
własny biegun N odpychający biegun N magnesu sztabkowego. Dla patrzą-
cego na solenoid od strony zbliżającego się bieguna N magnesu - zgodnie
z bardzo pomocną regułą zegara - prąd wytwarzający biegun N popłynie w kie -
runku przeciwnym do kierunku ruchu wskazówek zegara. Na drugim końcu solenoidu będzie oczywiście biegun S, a na oscyloskopie niech wystąpi wtedy
garbek nad poziomą osią symbolizujący dodatnie wartości E1.
b)
Kiedy magnes przelatuje przez solenoid, ten ostatni znajduje się praktycznie
w stałym zewnętrznym zerowym i wewnętrznym strumieniu, co oznacza, że ∆Φ/∆t = 0 czyli E2 = 0 czyli natężenie J2 = E2/R = 0
c)
Kiedy magnes wylatuje z solenoidu, czyli gdy od dolnego końca solenoidu oddala się biegun S magnesu, powstaje wtedy taka SEM E3 i prąd J3, aby znów przekornie - tym razem przyciągać swoim biegunem N oddalający się biegun S magnesu sztabkowego.Jednak wtedy na górnym końcu solenoidu nie ma już jbieguna S - jak poprzednio, lecz jest biegun N.
To jednak zgodnie z regułą zegara oznacza przeciwny kierunek E3 i J3 w porównaniu z kierunkiem E1 i J1. Na oscyloskopie pokaże się tym razem garbek pod poziomą osią czasu symbolizujący ujemne wartości E3.
d)
Śmiało możemy założyć równość wartości (lecz przeciwne znaki) zmian strumieni magnetycznych ∆Φ(S) i ∆Φ(N) w przypadku zbliżania się spadkiem swobodnym bieguna N do górnego końca solenoidu i oddalania się tym samym ruchem bieguna S od dolnego końca solenoidu.
Jednakże na początku spadku swobonego vśr1 jest małe, bo magnes dopiero nabiera prędkości i czas zbliżania ∆t1 musi być dłuższy, a E1 = - ∆Φ/∆t1 mniejsza - garbek niższy.
Gdy biegun S magnesu oddala się od dolnego końca solenoidu, magnes jest już rozpędzony i jego vśr3 jest duża, ∆t3 - małe, a zatem E3 - duża (garbek wyższy).
E3 > E1 bo E jest wprost proporcjonalna do SZYBKOŚCI zmian ∆Φ/∆t.
e)
Na skutek reguły Lenza - w I i III etapie ruchu magnesu sztabkowego - działają
na magnes : siła ciężkości Q i hamująca siła magnetyczna Fm.
Wypadkowa siła Fw = Q - Fm czyli a < g.
W II etapie działa praktycznie tylko Q = mg i a =g.

Semper in altum...........................pozdrawiam :)
PS. W razie wątpliwości - pytaj :)