แม่เหล็กไฟฟ้าระดับสูงและการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า

Anonim

แม่เหล็กไฟฟ้าระดับสูงและการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า

วงจรไฟฟ้ากระแสตรง


คำถามที่ 1

เนื่องจากกระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวดทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก ถ้าขนาดของกระแสไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงตามเวลาความแรงของสนามแม่เหล็กจะเป็นอย่างไร

นอกจากนี้เรายังรู้ด้วยว่าการไหลของสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลาจะทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าตามความยาวของขดลวด อธิบายว่าหลักการที่เสริมของแม่เหล็กไฟฟ้าและการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าปรากฏตัวพร้อมกันในขดลวดลวดเดียวกันเพื่อสร้าง การเหนี่ยวนำตัวเอง

นอกจากนี้ให้อธิบายถึงกฎหมายของ Lenz ที่เกี่ยวข้องกับขั้วของแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำด้วยตนเองของขดลวด

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

การเปลี่ยนกระแสผ่านขดลวดทำให้แรงดันไฟฟ้าลดลงซึ่งจะต่อต้านทิศทางการเปลี่ยนแปลง

หมายเหตุ:

การเหนี่ยวนำตัวเองไม่ใช่เรื่องยากที่จะเข้าใจได้หากมีความรู้ความเข้าใจเกี่ยวกับแม่เหล็กไฟฟ้าการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าและกฎหมายของ Lenz มาก่อน นักเรียนบางคนอาจต่อสู้เข้าใจการเหนี่ยวนำตนเองเพราะอาจเป็นแอพพลิเคชันตัวแรกที่พวกเขาได้เห็นซึ่งทั้งสามปรากฏการณ์เกี่ยวข้องกันในเวลาเดียวกัน

คำถามที่ 2


∫f (x) dx การ แจ้งเตือนแคลคูลัส!


ในวงจรความต้านทานแบบง่ายๆกระแสไฟฟ้าจะคำนวณโดยหารแรงดันไฟฟ้าที่ใช้โดยความต้านทาน:

แม้ว่าการวิเคราะห์วงจรนี้อาจเป็นเรื่องเล็กน้อยสำหรับคุณ แต่ฉันขอแนะนำให้คุณพิจารณาสิ่งที่เกิดขึ้นจากมุมมองใหม่ หลักการสำคัญที่สังเกตได้หลายครั้งในการศึกษาฟิสิกส์คือ ความสมดุล ที่ปริมาณ "แสวงหา" ตามธรรมชาติของความสมดุล สมดุลที่ต้องการโดยวงจรง่ายๆนี้คือความเท่าเทียมกันของแรงดันไฟฟ้า: แรงดันไฟฟ้าทั่วตัวต้านทานจะต้องชำระที่ค่าเดียวกับแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุทโดยแหล่งที่มา:

ถ้าตัวต้านทานถูกมองว่าเป็นแหล่งที่มาของแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการหาสมดุลด้วยแหล่งกำเนิดแรงดันแล้วกระแส จะต้อง มาบรรจบกันที่ค่าใดก็ตามที่จำเป็นในการสร้างแรงดันไฟฟ้าสมดุลที่จำเป็นในตัวต้านทานตามกฎหมายของโอห์ม (V = IR) กล่าวอีกนัยหนึ่ง กระแสไฟฟ้าของตัวต้านทานจะเกิดขึ้นได้ทุกขนาดที่ต้องการเพื่อสร้างแรงดันไฟฟ้าตกเท่ากับแรงดันไฟฟ้าของแหล่งกำเนิด

นี้อาจดูเหมือนเป็นวิธีที่แปลกของการวิเคราะห์เช่นวงจรง่ายๆกับตัวต้านทาน "หา" เพื่อสร้างแรงดันไฟฟ้าลดลงเท่ากับแหล่งที่มาและปัจจุบัน "อย่างน่าอัศจรรย์" สมมติว่าสิ่งที่ค่าจะต้องบรรลุสมดุลแรงดันไฟฟ้าที่ แต่จะมีประโยชน์ ในการทำความเข้าใจชนิดของวงจรอื่น ๆ

ตัวอย่างเช่นที่นี่เรามีแหล่งที่มาของแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่เชื่อมต่อกับขดลวดขนาดใหญ่ผ่านสวิตช์ สมมติว่าขดลวดมีความต้านทานไม่สำคัญ (0 Ω):

เช่นเดียวกับวงจรตัวต้านทานขดลวดจะ "ค้นหา" เพื่อให้เกิดความสมดุลของแรงดันไฟฟ้ากับแหล่งแรงดันไฟฟ้าเมื่อปิดสวิทช์ อย่างไรก็ตามเรารู้ว่าแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในขดลวดไม่ใช่สัดส่วนโดยตรงกับกระแสไฟฟ้าขณะที่อยู่กับตัวต้านทาน - แทนการลดแรงดันไฟฟ้าของขดลวดเป็นสัดส่วนกับ อัตราการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กตามเวลา ตามที่อธิบายไว้ในกฎหมายการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าของ Faraday :

v coil = N d φ


dt

ที่ไหน

v coil = แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำทันทีในโวลต์

N = จำนวนรอบของขดลวด

(d φ) / dt) = อัตราการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กในเวลาต่อวินาที

สมมติว่ามีความสัมพันธ์เชิงเส้นระหว่างกระแสขดลวดและฟลักซ์แม่เหล็ก (เช่นφคู่เมื่อฉันคู่) อธิบายวงจรไฟฟ้ากระแสสลับนี้เมื่อเวลาผ่านไปหลังจากสวิตช์ปิด

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

เมื่อสวิทช์ปิดลงกระแสจะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ในอัตราที่เป็นเส้นตรงตามเวลา:

คำถามท้าทาย: ลวดขดลวดจริงมีความต้านทานไฟฟ้า (เว้นแต่พวกเขากำลังทำจากลวดตัวนำยิ่งยวด) และเรารู้ว่าความสมดุลของแรงดันไฟฟ้าเกิดขึ้นในวงจรต้านทาน: converges ปัจจุบันที่ค่าที่จำเป็นสำหรับความต้านทานที่จะลดลงเท่ากันจำนวน แรงดันไฟฟ้าเป็นแหล่ง อธิบายว่าสิ่งใดที่กระแสไฟฟ้าอยู่ในวงจรด้วยขดลวดที่ แท้จริง ไม่ใช่ขดลวดของตัวนำยิ่งยวด

หมายเหตุ:

นักเรียนที่ยังไม่เข้าใจแนวความประดิษฐ์อาจจะมีแนวโน้มที่จะบอกว่ากระแสในวงจรนี้จะเป็นอนันต์ตามกฎของโอห์ม (I = E / R) หนึ่งในวัตถุประสงค์ของคำถามนี้คือการเปิดเผยความเข้าใจผิดดังกล่าวเพื่อให้พวกเขาสามารถแก้ไขได้

วงจรนี้เป็นตัวอย่างที่ดีของการ รวม หลักการแคลคูลัสซึ่งการประยุกต์ใช้แรงดันไฟฟ้าคงที่ในตัวเหนี่ยวนำทำให้เกิดกระแส เพิ่มขึ้น เรื่อย ๆ ไม่ว่าคุณจะสนใจเรื่องนี้หรือไม่ก็ตามขึ้นอยู่กับความสามารถทางคณิตศาสตร์ของนักเรียนของคุณ

คำถามที่ 3

วิธีที่มีประโยชน์มากในการวัดกระแสผ่านสายคือการวัดความแรงของสนามแม่เหล็กรอบตัว แอมป์มิเตอร์ชนิดนี้เรียกว่าแอมป์มิเตอร์ต่อเนื่อง:

ทราบถึงหลักการที่อยู่เบื้องหลังการทำงานของเครื่องวัดค่านี้ให้อธิบายว่าค่าปัจจุบันจะถูกระบุด้วยเครื่องวัดค่าแอมปิทเมอร์ทั้งสามแบบในวงจรนี้:

มิเตอร์ A =
เมตร B =
เมตร C =
เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

มิเตอร์ A = 2.5 แอมป์
เมตร B = 2.5 แอมป์
เมตร C = 0 แอมป์

หมายเหตุ:

เมตรจับยึดเป็นอุปกรณ์ทดสอบที่มีประโยชน์มาก แต่ต้องใช้อย่างถูกต้อง ฉันได้เห็นคนจำนวนมากทำผิดพลาดของการหนีบหนึ่ง ammeters เหล่านี้รอบสายหลายเมื่อพยายามที่จะวัดปริมาณของกระแสผ่านเพียงหนึ่ง ถ้าคุณมีตัวยึดวัดในห้องเรียนให้นักเรียนตั้งวงจรง่ายๆเช่นนี้และพิสูจน์ความถูกต้องของแนวคิด

คำถามที่ 4

เขียนสมการที่แสดงปริมาณของฟลักซ์แม่เหล็ก (Φ) ที่ผลิตโดยแม่เหล็กไฟฟ้าให้ปริมาณกระแสไฟฟ้า (I) จำนวนรอบของขดลวด (N) และความไม่เต็มใจของแกนหลัก (ℜ) .

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

Φ = NI


หมายเหตุ:

นี่คือการออกกำลังกายในการทดแทนพีชคณิต นักเรียนไม่น่าจะหาสมการนี้ได้ทุกที่ดังนั้นพวกเขาจะต้องสร้างมันขึ้นมาจากการรวมกันของสองสมการอื่น ๆ

คำถามที่ 5


∫f (x) dx การ แจ้งเตือนแคลคูลัส!


วาดเส้นโค้งของญาติให้เป็นตัวอย่างของอากาศและตัวอย่างเหล็กตามสัดส่วนต่อกัน (ให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้):

สิ่งที่คุณสังเกตเห็นเกี่ยวกับความลาดชัน (หรือที่เรียกว่าอนุพันธ์หรือ (dB / dH)) ของแต่ละพล็อต "# 5"> เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

คำถามติดตามผล: โปรดทราบว่าความลาดเอียงของแปลงทั้งสองมีค่าใกล้เคียงกับจุดขวาสุดของกราฟ อธิบายผลกระทบนี้ในแง่ของ ความอิ่มตัว ของแม่เหล็ก

หมายเหตุ:

วัตถุประสงค์ของคำถามนี้มีสองส่วนคือเพื่อให้นักเรียนได้เห็นว่าวัสดุที่เป็นเหล็กเช่นเหล็กสามารถซึมผ่านได้ดีกว่าอากาศ แต่ผลที่ได้รับจากเหล็กจะมีแนวโน้มลดลงเมื่อความอิ่มตัว เมื่อเหล็กอิ่มตัวกำไรใน B สำหรับความก้าวหน้าเท่ากันใน H จะเหมือนกับในอากาศ นั่นคือ (dB / dH) สำหรับเหล็กเท่ากับ (dB / dH) สำหรับอากาศเมื่อเหล็กอิ่มตัวแล้ว

คำถามที่ 6

ถ้าขดลวดลวดที่มีผิวสัมผัส 450 ซี่สัมผัสกับฟลักซ์แม่เหล็กเพิ่มขึ้นในอัตรา 0.008 เว็บบรอนซ์ต่อวินาทีแรงดันไฟฟ้าจะถูกเหนี่ยวนำผ่านขดลวด "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/ images / แบบทดสอบ / 01983x01.png ">

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

3.6 โวลต์

หมายเหตุ:

นี่เป็นเพียงการใช้เชิงปริมาณของกฎหมายของฟาราเดย์ ไม่มีความสำคัญกับข้อเท็จจริงที่ว่าฟลักซ์แม่เหล็กเพิ่มขึ้นมากกว่าการลดลง ผลกระทบเพียงอย่างเดียวที่จะเกิดขึ้นกับแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำคือขั้วของมัน

คำถามที่ 7

กฎหมาย Lenz อธิบายความขัดแย้งกับการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กที่เกิดจากการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างสนามแม่เหล็กและตัวนำไฟฟ้า เครื่องหนึ่งที่สามารถแสดงให้เห็นถึงกฎหมายของ Lenz คือแผ่นทองแดงหรืออลูมิเนียม (เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า แต่ไม่ใช่แม่เหล็ก) อยู่ใกล้กับจุดสิ้นสุดของแม่เหล็กถาวรอันทรงพลัง ไม่มีแรงดึงดูดหรือการขับไล่ระหว่างดิสก์และแม่เหล็กเมื่อไม่มีการเคลื่อนไหว แต่แรงจะพัฒนาระหว่างวัตถุทั้งสองหากทั้งสองถูกย้ายอย่างฉับพลัน แรงนี้จะอยู่ในทิศทางที่มันพยายามที่จะต่อต้านการเคลื่อนไหว (คือแรงพยายามที่จะรักษาช่องว่างคงที่ระหว่างสองวัตถุ):

เรารู้ว่าแรงนี้มีลักษณะเป็นแม่เหล็ก นั่นคือกระแสเหนี่ยวนำให้ดิสก์ กลาย เป็นแม่เหล็กเพื่อทำปฏิกิริยากับสนามแม่เหล็กถาวรและก่อให้เกิดแรงต่อต้าน สำหรับแต่ละสถานการณ์ต่อไปนี้ให้ทำเครื่องหมายป้ายแม่เหล็กของแผ่นดิสก์ (North and South) เนื่องจากทำปฏิกิริยากับการเคลื่อนไหวที่กำหนดโดยแรงภายนอก:

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

สนามแม่เหล็กของตัวดิสก์จะพัฒนาขึ้นในรูปแบบที่ "ต่อสู้" เพื่อให้ระยะห่างคงที่จากแม่เหล็ก:

ติดตามผล: ติดตามทิศทางของการหมุนสำหรับกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในดิสก์ที่จำเป็นในการผลิตทั้งน่ารังเกียจและแรงที่น่าสนใจ

หมายเหตุ:

ปรากฏการณ์นี้เป็นเรื่องยากที่จะแสดงให้เห็นได้โดยปราศจากแม่เหล็กที่ทรงพลังมาก อย่างไรก็ตามหากคุณมีอุปกรณ์ดังกล่าวพร้อมใช้งานในห้องปฏิบัติการของคุณก็จะทำให้ชิ้นใหญ่สำหรับการสาธิต!

ในทางปฏิบัติฉันได้แสดงให้เห็นถึงหลักเกณฑ์ของ Lenz คือการได้รับแรงดึงดูดจากแผ่นดินที่หายาก (มีอำนาจ มาก !) ตั้งเสาไว้บนโต๊ะแล้วหย่อนเหรียญอลูมิเนียม (เช่นเยนญี่ปุ่น) แม่เหล็ก ถ้าแม่เหล็กมีความแข็งแรงเพียงพอและเหรียญมีน้ำหนักเบาเหรียญจะค่อยๆเหยียดลงบนแม่เหล็กแทนที่จะตีหนักและกระเด็นออก

ภาพประกอบที่น่าตื่นเต้นมากขึ้นของกฎหมาย Lenz คือการใช้เหรียญเดียวกันและหมุน (บนขอบ) บนพื้นผิวโต๊ะ จากนั้นนำแม่เหล็กมาใกล้ขอบเหรียญหมุนเวียนและเฝ้าดูเหรียญทันทีเพื่อหยุดโดยไม่ต้องสัมผัสกับเหรียญและแม่เหล็ก

ภาพประกอบอีกอันหนึ่งคือการตั้งเหรียญอลูมิเนียมลงบนพื้นผิวโต๊ะเรียบจากนั้นให้ขยับแม่เหล็กเหนือเหรียญขนานไปกับพื้นโต๊ะ ถ้าแม่เหล็กอยู่ใกล้พอเหรียญจะถูก "ลาก" เป็นระยะทางสั้น ๆ เมื่อแม่เหล็กเคลื่อนที่ผ่านไป

ในการสาธิตทั้งหมดนี้การแสดงให้นักเรียนเห็นว่าเหรียญนี้ไม่ใช่แม่เหล็ก มันจะไม่ติดแม่เหล็กเป็นเหรียญเหล็กหรือเหรียญดังนั้นแรงที่สร้างขึ้นระหว่างเหรียญและแม่เหล็กเป็นอย่างเคร่งครัดเนื่องจาก กระแสเหนี่ยวนำ และไม่ ferromagnetism

คำถามที่ 8

การรวมกฎของ Lenz กับกฎขวา (หรือกฎด้านซ้ายถ้าคุณทำตามการไหลของอิเล็กตรอนแทนการไหลทั่วไป) เป็นวิธีที่ง่ายและมีประสิทธิภาพในการกำหนดทิศทางของกระแสที่เหนี่ยวนำในขดลวดเหนี่ยวนำ ในตัวอย่างต่อไปนี้ให้ตรวจสอบทิศทางของกระแสผ่านตัวต้านทานโหลด:

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

หมายเหตุ: ในกรณีที่ภาพประกอบไม่ชัดเจนจากภาพที่ 1 ถึง 4 จะแสดงแม่เหล็กเคลื่อนที่ไปตามขดลวดนิ่ง รูปที่ 5 และ 6 แสดงขดลวดขดลวดที่สัมพันธ์กับแม่เหล็กถาวร

หมายเหตุ:

วิธีง่ายๆที่ผมจำได้คือกฎหมาย Lenz คือการตีความว่าเป็นการ ต่อต้านการเปลี่ยนแปลง ขดลวดจะพยายามกลายเป็นแม่เหล็กที่ต่อสู้กับการเคลื่อนไหว วิธีที่ดีในการทำให้นักเรียนคิดตามบรรทัดเหล่านี้ก็คือถามว่า "ขั้วแม่เหล็กอะไรที่ขดลวดต้องสมมติ (ในแต่ละกรณี) เพื่อต่อต้านการเคลื่อนที่ของสัมพัทธ์ของแม่เหล็ก" แผงชีท panelpanel - default "itemscope>

คำถามที่ 9

เขียนสมการเกี่ยวกับความแรงของกระแสไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กร่วมกันในขดลวด ถ้าค่ากระแส (I) ถูกกำหนดเป็นหน่วยแอมแปร์และจำนวนเทิร์นที่เป็นค่าจำนวนเต็มง่ายสิ่งที่หน่วยวัดจะมีความแรงของสนามแม่เหล็กหรือไม่?

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

F = IN

ที่ไหน

F

แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (ความแรงของสนามแม่เหล็ก) ใน amp-turns

I = ปัจจุบันอยู่ในขดลวดแอมป์

N = จำนวนรอบของขดลวด

หมายเหตุ:

บางครั้งหน่วยของการวัดทำให้รู้สึกดีขึ้น! ในกรณีนี้หน่วยของ amp-turn ดังต่อไปนี้เห็นได้ชัดจากการสร้างสมการที่มีแอมป์ครั้งที่จะเปลี่ยน

คำถาม 10

ความอิ่มตัวของ แม่เหล็กคืออะไร?

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

"ความอิ่มตัว" ของแม่เหล็กคือสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อฟลักซ์แม่เหล็ก (Φหรือความหนาแน่นฟลักซ์) ไม่เพิ่มขึ้นในสัดส่วนเดียวกันกับการเพิ่มกำลังของสนามแม่เหล็ก ( F หรือความเข้มสนาม H) ที่ทำในระดับต่ำสุดของ F

หรือ H.

หมายเหตุ:

เมื่อต้องการใช้วลีทางเศรษฐกิจการอิ่มตัวของไนโตรเจนเป็นกรณีของ ผลตอบแทนที่ลดลง : การเพิ่มขึ้นของตัวแปรหนึ่งในตัวรับผลตอบแทนที่เล็กและเล็กลงในตัวแปรอื่น เป็นสิ่งสำคัญที่นักเรียนจะได้รู้จักคำว่า "อิ่มตัว" เพื่ออธิบายถึงปรากฏการณ์ที่ไม่ใช่แม่เหล็กอีกด้วย แต่ในบริบทใด ๆ ที่มีการใช้แนวคิด "ผลตอบแทนลดลง" เหมือนกัน

คำถาม 11

อธิบายว่ากราฟนี้หมายถึงอะไรและแสดงถึง ความอิ่มตัว และ hysteresis เป็นปรากฏการณ์แม่เหล็กอย่างไร

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

นี่คือเส้นโค้ง BH การ พล็อตความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็ก (B) กับความเข้มสนามแม่เหล็ก (H) ของแม่เหล็กไฟฟ้า ลูกศรแสดงทิศทางการเพิ่มและลดตัวแปร

"ความอิ่มตัว" คือเมื่อ B เปลี่ยนแปลงเล็ก ๆ น้อย ๆ สำหรับการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญใน H. มีสองภูมิภาคบนเส้นโค้ง BH ที่ความอิ่มตัวเป็นที่ประจักษ์

หมายเหตุ:

คำถามนี้คุ้มค่ากับการพูดคุยกันมาก มันเป็นสิ่งหนึ่งที่จะรับรู้ว่าโค้งนี้เป็นเส้นโค้ง B-H และค่อนข้างอื่นเพื่ออธิบายว่ามันหมายถึงอะไร ขอให้นักเรียนของคุณแสดงบนเส้นโค้งตัวอย่างเช่นสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อแม่เหล็กไฟฟ้ามีพลังงานเต็มรูปแบบกับ DC และกระแสไฟฟ้าจะถูกปิดและปล่อยให้มีฟลักซ์ตกค้างอยู่ในแกน สิ่งที่จำเป็นในการขจัดแกนหลักอีกครั้ง "แผงชีทชีท panelpanel - default" itemscope>

คำถาม 12

ถ้ามีกระแสไฟฟ้าผ่านห่วงลวดนี้ในตำแหน่งที่จะพยายามที่จะปรับตัวเอง?

หากการทดลองนี้เกิดขึ้นอาจพบว่าแรงบิดที่สร้างขึ้นมีขนาดเล็กมากโดยไม่ต้องอาศัยกระแสไฟฟ้าสูงและ / หรือสนามแม่เหล็กที่แรง คิดค้นวิธีการปรับเปลี่ยนอุปกรณ์นี้เพื่อสร้างแรงบิดที่แข็งแกร่งขึ้นโดยใช้ระดับในระดับเจียมเนื้อเจียมตัวและแม่เหล็กธรรมดา

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

วงจะพยายามปรับทิศทางตัวเองในระนาบแนวตั้งฉากกับแกนของฟลักซ์แม่เหล็กระหว่างขั้วแม่เหล็ก:

เมื่อต้องการเพิ่มแรงบิดที่เกิดจากห่วงลวดคุณสามารถใช้ลูปที่มีสาย "เปิด" มากกว่า 1 นิ้ว นี่ไม่ใช่ทางออกเดียวเท่านั้น

หมายเหตุ:

คำถามนี้เป็นโอกาสอันดีสำหรับการพูดถึง "กฎทางด้านขวามือ" (หรือ "กฎด้านซ้ายมือ" สำหรับผู้ที่ใช้สัญกรณ์การไหลของอิเล็กตรอนมากกว่าสัญกรณ์การไหลทั่วไป)

คำถามที่ 13

โดยการเลื่อนแม่เหล็กถาวรไปเป็นเส้นลวดที่ผ่านมาจะมีแรงดันไฟฟ้าเกิดขึ้นระหว่างปลายของเส้นลวดนั้น:

อธิบายว่าปัจจัยใดที่กำหนดขั้วและขนาดของแรงดันไฟฟ้านี้

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

แทนที่จะให้คำตอบที่นี่ฉันจะปล่อยให้คุณตรวจสอบคำตอบโดยการทดสอบ!

หมายเหตุ:

การทดลองในลักษณะนี้เป็นเรื่องง่ายมากที่จะตั้งค่าได้น่าเสียดายที่ทำให้เสียความสุขในการค้นพบโดยตรงด้วยการบอกนักเรียนว่าควรจะเกิดอะไรขึ้น!

คำถาม 14


∫f (x) dx การ แจ้งเตือนแคลคูลัส!


ความสัมพันธ์ระหว่างฟลักซ์แม่เหล็กและแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวดจะแสดงในสมการนี้เรียกว่า กฎหมายของฟาราเดย์ :

e = N d φ


dt

ที่ไหน

e = แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำทันทีในโวลต์

N = จำนวนรอบของขดลวด

φ = กระแสแม่เหล็กทันทีใน webers

t = เวลาเป็นวินาที

อธิบายว่าการแสดงออกทางคณิตศาสตร์ (d (d) / dt) หมายถึงอะไรในแง่ของสิ่งที่คุณรู้เกี่ยวกับการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า คำแนะนำ: สัญกรณ์ (d / d) ยืมมาจากแคลคูลัสและเรียกว่า อนุพันธ์

นอกจากนี้โปรดอธิบายว่าเหตุใดจึงใช้ตัวพิมพ์เล็ก (e แทน E, φแทนΦ) ในสมการนี้

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

การแสดงออกทางคณิตศาสตร์ (d φ) / dt) หมายถึง "อัตราการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์จากสนามแม่เหล็กตลอดเวลา" ในตัวอย่างนี้หน่วยจะเป็น "webers ต่อวินาที"

การใช้อักษรตัวพิมพ์เล็กสำหรับตัวแปรระบุค่า ทันที : นั่นคือปริมาณที่แสดงในแง่ของช่วงเวลาที่เกิดขึ้นทันที

คำถามต่อเนื่อง: จัดการสมการนี้เพื่อแก้ปัญหาแต่ละตัวแปร (((d (d) / dt) =

.

; N =

.

)

หมายเหตุ:

สำหรับนักเรียนที่ไม่เคยเรียนแคลคูลัสนี่เป็นโอกาสที่ดีที่จะนำแนวคิดของอนุพันธ์มาใช้กับหลักการของแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็ก อย่างรวดเร็ว เมื่อเวลาผ่านไป ในการศึกษาทางฟิสิกส์ทั่วไปปริมาณของตำแหน่งความเร็วและการเร่งความเร็วจะถูกนำมาใช้ในลักษณะเดียวกันเพื่อนำแนวคิดของอนุพันธ์เชิงเวลามาใช้และต่อมาคือไทม์ไทม์ ในกระแสไฟฟ้าแม้ว่าเรามีแอพพลิเคชันเฉพาะของเราเอง!

คำถาม 15

ต้องมีขดลวดกี่ขดลวดเพื่อกระตุ้นแรงดันไฟฟ้าที่ 10.5 โวลต์เมื่อสัมผัสกับฟลักซ์แม่เหล็กที่เปลี่ยนไปโดยมีอัตราการตอบสนอง "# 15"> คำตอบเปิดเผยคำตอบซ่อน

1400 รอบ

หมายเหตุ:

นี่ไม่ใช่อะไรนอกจากการประยุกต์เชิงปริมาณของกฎหมายของฟาราเดย์หลังจากการจัดการกับพีชคณิตเพื่อแก้ปัญหาสำหรับ N.

คำถามที่ 16

ถ้ามีแหวนทองแดงมาใกล้กับจุดสิ้นสุดของแม่เหล็กถาวรจะเกิดแรงผลักดันขึ้นระหว่างแม่เหล็กและวงแหวน กองกำลังนี้จะยุติลงเมื่อแหวนหยุดเคลื่อนที่ ผลกระทบนี้เรียกว่าอะไร?

อธิบายถึงสิ่งที่จะเกิดขึ้นหากแหวนทองแดงถูกเลื่อน ออกไป จากปลายแม่เหล็กถาวร

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า Lenz 'Law ถ้าแหวนทองแดงเคลื่อน ห่าง จากจุดสิ้นสุดของแม่เหล็กถาวรทิศทางของแรงจะกลับและกลายเป็นที่น่าสนใจแทนที่จะเป็นน่ารังเกียจ

ติดตามผล: ติดตามทิศทางของการหมุนสำหรับกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในวงแหวนที่จำเป็นในการผลิตทั้งน่ารังเกียจและแรงที่น่าสนใจ

คำถามที่ท้าทาย: อะไรจะเกิดขึ้นถ้าทิศทางของแม่เหล็กถูกย้อนกลับ (ขั้วโลกใต้ทางด้านซ้ายและขั้วโลกเหนือทางด้านขวา) "บันทึกซ่อน"> หมายเหตุ:

ปรากฏการณ์นี้เป็นเรื่องยากที่จะแสดงให้เห็นได้โดยไม่ใช้แม่เหล็กที่มีพลังมาก อย่างไรก็ตามหากคุณมีอุปกรณ์ดังกล่าวพร้อมใช้งานในห้องปฏิบัติการของคุณก็จะทำให้ชิ้นใหญ่สำหรับการสาธิต!

ในทางปฏิบัติฉันได้แสดงให้เห็นถึงหลักเกณฑ์ของ Lenz คือการได้รับแรงดึงดูดจากแผ่นดินที่หายาก (มีอำนาจ มาก !) ตั้งเสาไว้บนโต๊ะแล้วหย่อนเหรียญอลูมิเนียม (เช่นเยนญี่ปุ่น) แม่เหล็ก ถ้าแม่เหล็กมีความแข็งแรงเพียงพอและเหรียญมีน้ำหนักเบาเหรียญจะค่อยๆเหยียดลงบนแม่เหล็กแทนที่จะตีหนักและกระเด็นออก

ภาพประกอบที่น่าตื่นเต้นมากขึ้นของกฎหมาย Lenz คือการใช้เหรียญเดียวกันและหมุน (บนขอบ) บนพื้นผิวโต๊ะ จากนั้นนำแม่เหล็กมาใกล้ขอบเหรียญหมุนเวียนและเฝ้าดูเหรียญทันทีเพื่อหยุดโดยไม่ต้องสัมผัสกับเหรียญและแม่เหล็ก

ภาพประกอบอีกอันหนึ่งคือการตั้งเหรียญอลูมิเนียมลงบนพื้นผิวโต๊ะเรียบจากนั้นให้ขยับแม่เหล็กเหนือเหรียญขนานไปกับพื้นโต๊ะ ถ้าแม่เหล็กอยู่ใกล้พอเหรียญจะถูก "ลาก" เป็นระยะทางสั้น ๆ เมื่อแม่เหล็กเคลื่อนที่ผ่านไป

ในการสาธิตทั้งหมดนี้การแสดงให้นักเรียนเห็นว่าเหรียญนี้ไม่ใช่แม่เหล็ก มันจะไม่ติดแม่เหล็กเป็นเหรียญเหล็กหรือเหรียญดังนั้นแรงที่สร้างขึ้นระหว่างเหรียญและแม่เหล็กเป็นอย่างเคร่งครัดเนื่องจาก กระแสเหนี่ยวนำ และไม่ ferromagnetism

คำถาม 17

เมตรวัตต์ไฟฟ้าใช้ดิสก์อลูมิเนียมที่หมุนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้า เพื่อสร้าง "ลาก" บนดิสก์ที่จำเป็นเพื่อ จำกัด ความเร็วในการหมุนของวัตถุให้แม่เหล็กที่รัดกุมอยู่ในลักษณะที่เส้นของสนามแม่เหล็กไหลผ่านพื้นผิวของแผ่นดิสก์:

อธิบายปรากฏการณ์ที่อยู่เบื้องหลังกลไก "ลาก" แบบแม่เหล็กนี้และอธิบายถึงวิธีการประกอบชุดแม่เหล็กถาวรเพื่อให้มีการลากบนดิสก์ด้วยความเร็วในการหมุนเดียวกัน น้อยลง

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

นี่คือตัวอย่างของ Lenz 'Law เพื่อลดการลากลงบนดิสก์แม่เหล็กจะต้องเคลื่อนที่ไปตามจุดบนดิสก์ที่มีความเร็วพื้นผิวน้อย (ฉันจะช่วยให้คุณคิดออกว่าอาจจะมีที่ไหน)

คำถามต่อเนื่อง: สมมติว่าคุณ ย้าย แม่เหล็กแรงผ่านพื้นผิวของดิสก์อลูมิเนียม จะเกิดอะไรขึ้นกับดิสก์ถ้ามีข้อความ "Notes hidden"> หมายเหตุ:

การปรับเทียบที่สำคัญเกี่ยวกับชุดวัตตมิเตอร์ไฟฟ้าเป็นตำแหน่งของแม่เหล็ก "ลาก" ซึ่งทำให้คำถามนี้เป็นประโยชน์มาก ความท้าทายที่น่าสนใจสำหรับนักเรียนคือการขอให้พวกเขาวาดภาพการไหลเวียนของกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในดิสก์เมื่อหมุนผ่านแม่เหล็ก!

คำถามต่อไปนี้เป็นตัวอย่างของทฤษฎีมอเตอร์เหนี่ยวนำและอาจแสดงด้วยแม่เหล็กที่มีพลัง (หายาก) และเหรียญโลหะ (ญี่ปุ่นเยนทำจากอลูมิเนียมทำงานได้ดีสำหรับเรื่องนี้เป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีและ น้ำหนักเบา!)

คำถาม 18

บริบทหนึ่งที่จะเข้าใจกฎหมาย Lenz เป็นกฎหมายทางกายภาพที่รู้จักกันดีเรียกว่าการอนุรักษ์พลังงานซึ่งระบุว่าพลังงานไม่สามารถสร้างขึ้น (จากไม่มี) หรือทำลาย (ไม่มีอะไร) กฎหมายที่มีชื่อเสียงของฟิสิกส์นี้เป็นหลักการทั่วไปที่ห้ามมิให้มีการเรียกเครื่องจักรที่เรียกว่า "over-unity" หรือ "free energy" ซึ่งเป็นพลังงานที่คาดว่าจะผลิตได้จากที่ใด ๆ

แสดงให้เห็นว่าถ้ากฎหมายของ Lenz ถูกยกเลิกหลักการอนุรักษ์พลังงานจะถูกละเมิด กล่าวอีกนัยหนึ่งลองจินตนาการว่าจะเกิดอะไรขึ้นถ้าผลกระทบของกฎหมาย Lenz ตรงกันข้ามกับทิศทางและแสดงให้เห็นว่านี่จะส่งผลให้เกิดพลังงานมากขึ้นจากระบบมากกว่าที่จะนำเข้าสู่ระบบดังกล่าว

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

มีหลายวิธีที่จะแสดงให้เห็นถึงสิ่งนี้ บางทีอาจจะง่ายที่สุดในการมองเห็นภาพ (จากมุมมองด้านพลังงาน) คือดิสก์ "ลาก" แบบแม่เหล็กแบบหมุนที่จุดตัดขวางของสนามแม่เหล็กและแผ่นที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าจะสร้างแรงบิดที่บิดเบี้ยวเมื่อหมุนจาน ผลของการย้อนกลับทิศทางแรงของ Lenz ควรเป็นที่ชัดเจนที่นี่

หมายเหตุ:

คำถามนี้อาจนำไปสู่การอภิปรายที่มีผลต่อการเคลื่อนไหวตลอดเวลาและการอ้างสิทธิ์ของเครื่องจักร "พลังงานอิสระ" การดำรงอยู่ของข้อเรียกร้องดังกล่าวในยุคปัจจุบันเป็นหลักฐานที่เด่นชัดเกี่ยวกับการไม่รู้หนังสือทางวิทยาศาสตร์ ไม่เพียง แต่คนจำนวนมากดูเหมือนจะไม่ค่อยคุ้นเคยกับหลักการการอนุรักษ์พลังงานและเป็นที่ยอมรับได้อย่างไร แต่ยังดูเหมือนจะไม่สามารถเข้าใจถึงความสำคัญของการทดสอบอุปกรณ์ดังกล่าวได้ดีที่สุด: เพื่อให้สามารถใช้พลังงานได้ (และ โหลด) ไปเรื่อย ๆ แต่ฉันพูดเพ้อเจ้อ . .

คำถาม 19

จากความรู้ของคุณเกี่ยวกับกฎหมาย Lenz อธิบายวิธีการสร้าง เบรคแม่เหล็กไฟฟ้า โดยการใช้พลังงานไฟฟ้าของขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้าจะทำให้เกิด "ลาก" ทางกลบนเพลาหมุนได้โดยไม่จำเป็นต้องมีการสัมผัสระหว่างเพลาและแผ่นเบรค

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

คำถามต่อเนื่อง: อธิบายถึงข้อดีและข้อเสียของเบรกแม่เหล็กเมื่อเทียบกับเบรกแบบกล (ที่การสัมผัสทางกายภาพก่อให้เกิดแรงเสียดทานกับเพลา)

คำถามที่ท้าทาย: เบรคธรรมดา (เครื่องกล) ร้อนในระหว่างการทำงานเนื่องจากแรงเสียดทานที่ใช้ในการผลิตลาก เบรคไฟฟ้าจะผลิตความร้อนได้ดีเนื่องจากไม่มีการสัมผัสทางกายภาพเพื่อสร้างแรงเสียดทาน "notes hidden"> หมายเหตุ:

เบรกแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์ที่มีประโยชน์มากในอุตสาหกรรม หนึ่งแอ็พพลิเคชันที่น่าสนใจที่ฉันเคยเห็นในเทคโนโลยีนี้คือโหลดเชิงกลสำหรับเครื่องวัดการสั่นสะเทือนของรถยนต์ซึ่งมีรถขับเคลื่อนบนชุดลูกกลิ้งเหล็กพร้อมกับลูกกลิ้งคู่หนึ่งคู่กับจานโลหะขนาดใหญ่ (มีแม่เหล็กไฟฟ้าอยู่ทั้งสองด้าน) การเปลี่ยนแปลงปริมาณของกระแสไฟฟ้าที่ส่งไปยังแม่เหล็กไฟฟ้าอาจทำให้ระดับการลากทางกลแตกต่างกันไป

บังเอิญดิสก์ตัวนี้ร้อนขึ้นเมื่อใช้เนื่องจากกำลังไฟของรถยนต์ไม่สามารถหายไปได้ แต่ต้องเปลี่ยนเป็นรูปแบบพลังงานที่แตกต่างกันในกลไกการเบรคและความร้อนเป็นเช่นนี้

คำถามที่ 20

ตรวจสอบขั้วของแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำของขดลวดสำหรับแต่ละตัวอย่างต่อไปนี้ ระมัดระวังในการสังเกตทิศทางของขดลวดแต่ละขดพันรอบแกน - ขดลวดไม่เหมือนกันทั้งหมด!

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

หมายเหตุ:

อาจช่วยให้นักเรียนเห็นภาพขั้วหากพวกเขาจินตนาการถึงภาระต่อไฟฟ้าที่เชื่อมต่อระหว่างเทอร์มินัลเอาท์พุททั้งสองขั้วและคิดว่าทิศทางที่เหนี่ยวนำให้เกิดขึ้นจะผ่านโหลดดังกล่าว เมื่อการกำหนดนั้นถูกสร้างขึ้นขั้วแรงดันไฟฟ้า (พิจารณาขดลวดเป็นแหล่งพลังงาน) ควรจะมองเห็นได้ง่ายขึ้น ความผิดพลาดที่นักศึกษาจำนวนมากเริ่มต้นทำเมื่อทำเช่นนี้ก็คือการไม่รับรู้ขดลวดเป็น แหล่ง พลังงานไฟฟ้าและตัวต้านทานเป็น โหลด ดังนั้นเตรียมที่จะแก้ไขความเข้าใจผิดนี้

ถ้าไม่ได้ช่วยแนะนำว่าพวกเขาจะระบุขั้วแม่เหล็กของสนามที่เหนี่ยวนำของขดลวด: กำหนดว่าปลายขดลวด "พยายาม" ไปทางเหนือและเป็น "พยายาม" ให้เป็นใต้ แน่นอนไม่มีสนามเหนี่ยวนำจะก่อตัวขึ้นเว้นแต่ขดลวดมีวงจรสมบูรณ์เพื่อรักษาความเหนี่ยวนำให้เกิดขึ้นในปัจจุบัน แต่ก็ยังเป็นประโยชน์ที่จะจินตนาการถึงตัวต้านทานโหลดหรือแม้แต่สั้นจนจบวงจรเพื่อให้เกิดการเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสแม่เหล็ก .

คำถาม 21

ถ้ามีขดลวดลวดที่มีเกลียว 320 เส้นสัมผัสกับฟลักซ์แม่เหล็กลดลงในอัตรา 0.03 เว็บต่อวินาที (ดังแสดงในภาพประกอบ) แรงดันไฟฟ้าจะเกิดขึ้นในขดลวดและขั้วจะเป็น "// www. .beautycrew.com.au // sub.allaboutcircuits.com / images / แบบทดสอบ / 03272x01.png ">

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

หมายเหตุ:

คำถามนี้เป็นทั้งการใช้เชิงปริมาณของกฎหมายของ Faraday และการประยุกต์ใช้กฎหมาย Lenz's

คำถาม 22

ถ้าขดลวดที่มี 1100 รอบสัมผัสกับฟลักซ์แม่เหล็กเพิ่มขึ้นในอัตรา 0.07 Webers ต่อวินาที (ดังแสดงในภาพประกอบ) แรงดันไฟฟ้าจะเกิดขึ้นในขดลวดและขั้วจะเป็นอย่างไร "// www. .beautycrew.com.au // sub.allaboutcircuits.com / images / แบบทดสอบ / 03273x01.png ">

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

หมายเหตุ:

คำถามนี้เป็นทั้งการใช้เชิงปริมาณของกฎหมายของ Faraday และการประยุกต์ใช้กฎหมาย Lenz's

คำถาม 23

คำนวณอัตราการไหลของสนามแม่เหล็กที่จำเป็นในช่วงเวลา (ในหน่วยของ Webers ต่อวินาที) รวมทั้งทิศทางของการเคลื่อนที่ของแม่เหล็ก (ไม่ว่าจะไปหรือออกจากขดลวด) เพื่อกระตุ้นแรงดันไฟฟ้า 13.5 โวลต์ในขั้วที่แสดง:

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

(d φ) / dt) ต้องมีค่าเท่ากับ 0.0964 Webers ต่อวินาทีโดยแม่เหล็กจะขยับออกจากขดลวด

หมายเหตุ:

คำถามนี้เป็นทั้งการใช้เชิงปริมาณของกฎหมายของ Faraday และการประยุกต์ใช้กฎหมาย Lenz's

คำถามที่ 24

ถ้าการเคลื่อนที่ของตัวนำผ่านสนามแม่เหล็กก่อให้เกิดแรงดันไฟฟ้าในตัวนำนั้นมันหมายถึงเหตุผลว่าของเหลวที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าเคลื่อนผ่านท่อยังสามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าได้ถ้าสัมผัสกับสนามแม่เหล็กอย่างถูกต้อง วาดภาพที่แสดงทิศทางที่จำเป็นของท่อสนามแม่เหล็กและขั้วไฟฟ้าที่ดักจับแรงดันไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำ

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

หมายเหตุ:

คำถามนี้จะทดสอบความเข้าใจของนักเรียนเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างมุมฉากระหว่างฟลักซ์แม่เหล็กการเคลื่อนที่ของตัวนำและแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้น นอกจากนี้ยังแสดงให้เห็นถึงวิธีใหม่ในการผลิตไฟฟ้า: magnetohydrodynamics

มีการประยุกต์ใช้ magnetohydrodynamics ไม่กี่อย่างเช่นการสร้างกระแสไฟฟ้าและการวัดการไหล พูดคุยกับนักเรียนของคุณหากเวลาอนุญาต

  • ←แผ่นงานก่อนหน้า

  • ดัชนี Worksheets

  • แผ่นงานถัดไป→