Z001 - Zestaw do efektownej demonstracji zjawiska indukcji elektromagnetycznej

Prezentujemy zestaw do efektownej, nietypowej demonstracji zjawiska indukcji elektromagnetycznej, którą można przeprowadzić na lekcjach fizyki zarówno w gimnazjum, jak i szkołach ponadgimnazjalnych.

Proponowane doświadczenie jest bardzo proste. Prezentuje zjawisko indukcji elektromagnetycznej i regułę Lenza. Pokazuje jednocześnie istnienie prądów wirowych, wykorzystywanych w praktyce (np. liczniki "zużycia" energii elektrycznej). Nie wymaga zastosowania żadnych specjalnych przyrządów, a w szczególności miernika uniwersalnego stosowanego zazwyczaj w takich doświadczeniach.

Zestaw składa się z trzech rurek o jednakowych średnicach (miedzianej, aluminiowej, plastikowej), trzech magnesów neodymowych oraz trzech pręcików niemagnetycznych wykonanych z mosiądzu. Pręciki i magnesy mają takie same wymiary.

Doświadczenie polega na porównaniu czasu przelotu magnesów oraz mosiężnych pręcików przez rurki wykonane z różnych materiałów.

Proponowany przebieg doświadczenia.
Dwie rurki, aluminiową i plastikową, chwytamy za końce i trzymamy pionowo (np. jak na poniższym zdjęciu). Do rurek wpuszczamy mosiężne pręciki. Porównujemy czas przelotu pręcików przez rurki. Możemy także porównać czas przelotu pręcika przez jedną z rurek z czasem swobodnego spadku pręcika obok rurki.

Zaobserwujemy, że czas spadania pręcików w obu rurkach (a także pręcika puszczonego obok rurki) jest jednakowy. Powtarzamy teraz doświadczenie, wpuszczając do rurek magnesy. Musimy zwrócić uwagę, by nie zbliżać rurek zbytnio do siebie, gdyż będą wtedy oddziaływały ze sobą spadające w rurkach magnesy, co zakłóci przebieg doświadczenia.
Tym razem czas spadania magnesu w rurce aluminiowej jest dużo dłuższy niż czas spadania magnesu w rurce plastikowej, co uczniów zazwyczaj zaskakuje. Czas spadania magnesu w rurce plastikowej jest natomiast taki sam, jak czas spadania pręcika mosiężnego.

Wyjaśniamy uczniom zaobserwowane zjawisko.
Wyobraźmy sobie pierścień "wyodrębniony" z rurki (rurkę możemy uważać za zbiór takich pierścieni ułożonych "jeden na drugim"). Gdy przelatujący przez rurkę magnes zbliża się, a następnie oddala od niego, zmieniające się pole magnetyczne (zmiana strumienia indukcji magnetycznej objętego przez pierścień) powoduje przepływ prądu elektrycznego w zamkniętym obwodzie, jaki tworzy pierścień (prąd taki nazywamy prądem wirowym). Kierunek prądu jest taki, że jego pole magnetyczne przeciwdziała ruchowi magnesu - hamuje jego ruch (reguła Lenza), tzn. siła magnetyczna, którą to pole działa na magnes, ma zwrot przeciwny do prędkości magnesu. Czas przelotu magnesu przez rurkę aluminiową jest więc dłuższy niż czas przelotu przez rurkę nieprzewodzącą - plastikową, w której prąd elektryczny nie jest indukowany.

Próbujemy przewidzieć, jak będzie spadał magnes w rurce wykonanej z materiału o innym oporze właściwym niż opór aluminium, np. w rurce miedzianej. Ponownie wyobraźmy sobie pierścień "wyodrębniony" z rurki. Opór elektryczny aluminiowego pierścienia jest większy niż opór miedzianego. Natężenie indukowanego prądu w rurce miedzianej będzie więc większe niż w rurce aluminiowej. Przepływowi prądu o większym natężeniu towarzyszy silniejsze pole magnetyczne. Pole to będzie przeciwdziałało (hamowało) ruchowi magnesu w rurce miedzianej silniej niż w aluminiowej.
Możemy więc postawić następującą hipotezę: pręciki mosiężne będą spadały w rurce miedzianej i aluminiowej jednakowo, natomiast ruch magnesu w rurce miedzianej będzie trwał dłużej niż w aluminiowej.

Sprawdzamy teraz naszą hipotezę. Dwie rurki, miedzianą i aluminiową, trzymamy pionowo. Do rurek wpuszczamy mosiężne pręciki. Porównujemy czas przelotu pręcików przez rurki. Stwierdzamy, że w obu rurkach pręciki spadają jednakowo. Następnie wpuszczamy do rurek magnesy. Obserwujemy, że czas spadania magnesu w rurce miedzianej jest jeszcze dłuższy niż w rurce aluminiowej i dłuższy niż pręcików mosiężnych. Doświadczenie potwierdza prawdziwość naszej hipotezy.

Podsumowanie.
Zjawiskiem, które powoduje, że czas przelotu magnesu przez rurkę miedzianą i aluminiową jest znacznie dłuższy niż przez rurkę plastikową, jest indukcja elektromagnetyczna.

Wygląd produktu na zdjęciu może odbiegać od wyglądu produktu w rzeczywistości.