LÄRARHANDLEDNING Induktion Materiel: Utförande: Dator med programmet LoggerPro Mätinterfacet LabQuest eller LabPro spänningsprobe spolar (300, 600 och 1200 varv), stavmagnet plaströr och kopparrör (ca 0,5 m) stativmateriel Koppla mätinterfacet till datorn, starta programmet LoggerPro och anslut spänningsproben till en analog ingång. Programmet hittar spänningsproben och en ruta med uppmätt spänning visas på skärmen. Fäst spolen i ett stativ. Placera plaströret i spolen och fäst även det i stativet. Placera något stötdämpande material under spolen för att undvika att magneten skadas då den släpps genom spolen. Avståndet spole stötdämpare skall vara så stort att inte spänning induceras i spolen om magneten studsar upp en liten bit. Plaströr Spole Koppla spänningsproben till spolen. (TIPS! Det kan vara svårt att ansluta spänningsproben till spolen. Offra en gammal dålig labbsladd, klipp av sladden 5 cm från banankontakten och skala sladden 1 cm. Spänningsproben kan nu lätt knipa tag i den blottade ledaren) Stötdämpare
Vi skall undersöka inducerad spänning då stavmagneten får falla fritt genom spolen. Då det är ett snabbt förlopp ska vi göra ett par inställningar i LoggerPro som underlättar datainsamlingen. Klicka på Datainsamling. I fliken Datainsamling väljer vi Mättid: 200 ms och Mäthastighet: 100 mätningar/ms. Nu vill vi att datorn ska känna av när magneten kommer och då starta mätningen. Klicka på fliken Triggning i fönstret Datainsamling. Bocka i Triggning. Påbörja mätning när spänningen är stigande och överstiger 0,05V samt samlar in 4000 mätvärden före triggvillkoret är uppfyllt, detta för att få med hela förloppet. Då magneten släpps genom spolen kommer vi att erhålla en positiv och en negativ puls. Vi vill att den positiva pulsen skall komma först eftersom vi ställde in att mätningen skulle starta på en ökande spännig. Hur ska magneten släppas för att den positiva pulsen skall komma först? Metod 1. Klicka Mät. Väntar på triggning eller data visas på skärmen. Släpp magneten med nordändan först. Har grafen en positiv och en negativ del skall nordändan i fortsättningen släppas först. Har grafen bara en positiv del, skicka sydpolen först i fortsättningen eller skifta plats på spänningprobens anslutningar.
Metod 2. Studera hur spolen är lindad. Spolen brukar ha en märkning som visar lindningens riktning. Antag att spolen är lindad enligt figuren. Om magneten släpps med nordändan först försöker spolen att motverka förändringen i magnetfält genom att vilja skapa en magnet i spolen med sin nordända uppåt. För att en nordända skall skapas uppåt krävs en ström i lindningen riktad åt höger på framsidan av spolen. (enl. tumregeln, högerhandsregeln eller vad ni kallar den). Strömmen genom voltmetern kommer alltså att gå nerifrån och upp. Spolen fungerar som ett batteri då magneten rör sig neråt. För att erhålla en positiv spänningspuls då magnetens nordända närmar sig spolen måste alltså spänningsprobens röda sladd kopplas till spolens nedre anslutning och den svarta till den övre. V V Nu är det dags att studera inducerad spänning då stavmagneten får falla genom spolen. Klicka Mät och låt magneten falla genom spolen. Så här kan grafen se ut. (Om grafen ej utnyttjar fönstret i y-led klicka höger musknapp i graffönstret och välj Grafalternativ Välj fliken Val för axlar och ändra Skala: till Autoskala Mät största och minsta spänning! verktyget Inspektera. Största spänning: 1,30 V Minsta spänning: -1,42 V Varför blir inte storleken på spänningarna lika stora?
Vid fritt fall ökar hastigheten hela tiden så när magnetens sydpol passerar spolen mitt har magneten större hastighet än då nordpolen passerade. Inducerad spänning ser alltså ut att vara hastighetsberoende. För att fastställa att maximal spänning är hastighetsberoende kan vi släppa magneten från olika höjder. Klicka först Experiment och välj Lagra senaste körning. Klicka Mät och släpp magneten från en annan höjd. (Släpp inte magneten närmre spolen än 1 dm. Om spolen redan känt av en flödesändring innan man släpper magneten blir resultatet naturligtvis inte så bra.) Upprepa några gånger. Här syns tydligt att maximala spänningen minskar då magneten får falla kortare sträcka innan den når spolen. Då magnetens hastighet ökar kommer spolen att känna av en större flödesändring per tidsenhet vilket genererar en större induceras spänning. Nu ska vi undersöka den totala flödesökningen i spolen genom att beräkna arean under den positiva pulsen. Välj ut en av graferna genom att klicka på rubriken Spänning(V) till vänster med vänster musknapp. Välj Mer. Ta bort alla bockar utom en.
Markera den positiva delen av grafen. Välj verktyget Integral. Där ser man nu den totala flödesökningen. Markera den negativa delen. Bestäm arena. Vi ser att den totala flödesminskningen var lika stor som ökningen. Den totala flödesändringen då magneten passerat spolen är alltså noll. Gör om areaberäkningen med de andra graferna. Det visar sig att den positiva arean är i stort sett lika stor hos samtliga grafer. Det är ju samma magnet som passerat spolen så flödesökningen borde vara lika stor i samtliga fall. Hur ser flödet ut som passerar spolen? Vi skapar en ny tabell för att beräkna flödet. Klicka Data Ny beräknad kolumn... Kalla kolumnen Flöde ge den en förkortning och enhet. (Grekiska bokstäver hittar du under pilen till höger om inmatningsboxen).
Skapa uttrycket genom att klicka på Funktioner välj beräkning - integral Klicka sedan på Variabler(Kolumner) och välj Spänning Klicka på grafrubriken Spänning. Välj Mer och bocka i Flöde. Här ser man att spolen känner av ett flöde som ökar till ett maxvärde för att sedan avta till noll. Då flödet i spolen är maximalt är inducerad spänning noll. Detta sker då magneten är mitt i spolen. Då flödesgrafen är som brantast är induceras spänning som störst. Den inducerade spänningen är derivatan av flödet med avseende på tiden. Nu ska vi undersöka hur inducerad spänning beror på antalet varv i spolen. Det är nu viktigt att släppa magneten från samma höjd vid försöken. Börja med att klicka Ny Vi ska göra några inställningar för att lätt kunna jämföra graferna. Klicka Datainsamling Välj Mättid 100 ms och 100 mätningar/ms Vi ser att det kommer att samlas in 10 000 värden Klicka fliken Triggning Bocka i Triggning och att triggning ska ske då spänningen minskar och passerar -0,05 V Visa även 5000 mätvärden före triggningen. Det betyder att hälften av mätvärdena kommer att registreras före det att triggvillkoret är uppfyllt. Dags för mätning, tryck Mät. Det står nu Väntar på triggning på skärmen. Släpp magneten och en graf visas på skärmen. Byt till spole med annat varvtal. Var noga med att koppla sladdarna på samma sätt. Klicka Experiment och Lagra senaste körning, klicka Mät och släpp magneten på samma sätt som vid förra försöket. Upprepa försöket med den tredje spolen.
Då kan det se ut så här på skärmen. Här har varvtalen varit 300, 600 och 1200 varv och de positiva maxspänningarna blev i stort sett 1 V, 2 V och 4V. Vi har alltså visat att inducerad spänning är direkt proportionell mot spolens varvtal. Nu ska vi jämföra inducerad spänning om vi släpper magneten genom spolen från samma höjd men låter magneten falla i ett plaströr och ett lika stort kopparrör. Varken plast eller koppar är magnetiska ämnen. Vi kan radera alla data genom att klicka Data Radera alla data. Släpp magneter med nordändan i linje med rörets övre kant, detta för att du enkelt kan upprepa försöket med kopparröret under samma betingelser. Då du fått upp en graf, byt ut plaströret mot ett kopparrör. Var noga med att placera det precis som plaströret satt i spolen. Klicka Experiment och välj Lagra senaste körning och gör en ny mätning. Vi ser att grafen blir utdragen, förloppet tar längre tid, fallet måste ha bromsats. Om man kollar största och minsta värdet ser man att de till storlek är nästan lika. Det betyder att magneten måste falla med i stort sett konstant hastighet genom spolen. Om hastigheten är konstant måste kraftresultanten på magneten vara noll. Det betyder att det inducerade fältet bromsar magneten med en kraft som är lika med magnetens tyngd. Fall genom plaströr Fall genom kopparrör Kopparröret är inte magnetiskt men det är elektriskt ledande. Det kan ses som en kortsluten spole med ett varv. Då magneten faller i röret kommer den inducerade spänning att ge upphov till en ström runt i röret som skapar ett magnetfält som kommer att bromsa magneten.
Om man vill mäta upp denna bromskraft kan man göra på följande sätt. Försöket kräver att en kraftgivare ansluts till LabQuest. Häng upp kopparröret i kraftgivaren med hjälp av ett snöre enl fig. Nu måste man ändra inställningarna i LoggerPro då detta försök tar lite längre tid. Lämpliga inställningar. Fliken Datainsamling Insamlingstid: 1 sekund Mäthastighet: 1000 mätningar/sekund Fliken Triggning Triggning ibockad Välj Kraftgivaren i rutan Påbörja mätning när stigande genom 0,3 N Mät 200 mätvärden före triggning. Nu måste kraftgivaren nollställas. Klicka på Nollställ Nu ska kraften 0,0 N visas på skärmen. (Om ikonen Nollställ saknas kan man lägga dit den genom att klicka Arkiv Inställningar för Namnlös bocka i på Visa nollknapp verktygslist) Nu är det dags att mäta. Klicka Mät. Släpp magneten genom kopparröret. Var försiktig att inte vidröra snören eller röret då ni släpper magneten. Så här kan erhållen graf se ut. Svängningarna beror på att kraftgivaren är i princip en fjäder vilken börjar att svänga då den får en smäll då magnetens hastighet bromsas upp. Man får även en svängning då kraften plötsligt försvinner då magneten lämnar röret. Det man mäter här är en reaktionskraft till bromskraften på magneten. Magneten påverkar röret med lika stor kraft som röret påverkar magneten.
Av grafen kan man se att bromskraften ligger på cirka 0,5 N. Magneten som i detta fall vägde 54 gram har en tyngd på cirka 0,5 N. Det betyder att bromskraften är lika stor som magnetens tyngd och magneten kommer att falla med konstant hastighet då kraftresultanten på magneten är noll. Om detta försök upprepas med plaströret kommer mätvärdesinsamlingen aldrig att starta då någon induktionsström inte kan bildas i plaströret.