080 – Solenoizi

Un solenoid este o bobină de sârmă care devine magnet atunci când prin ea curge curent și încetează să mai fie magnet în clipa în care curentul se oprește. Această singură proprietate — un magnet cu un întrerupător — este ceea ce face electromagnetismul util. Așa ridică și lasă o mașină o macara de la un centru de colectare a fierului vechi, așa își împinge demarorul unui motor pinionul înainte, așa se eliberează o încuietoare de ușă când este prezentată o cartelă, așa este pus în mișcare conul unui difuzor, așa permite un releu unui curent mic să controleze unul mare și, înfășurat din sârmă supraconductoare și răcit cu heliu lichid, așa este produs câmpul de câțiva tesla al unui scanner de rezonanță magnetică.

Câmpul din interiorul unei bobine lungi este uniform și este orientat de-a lungul axei, iar intensitatea sa este B = µ₀ nI, unde n este numărul de spire pe metru și I este curentul. Prin urmare, trei lucruri pot fi modificate pentru a face bobina mai puternică: mai multe spire pe aceeași lungime, un curent mai mare sau un miez care este el însuși magnetizabil. Al treilea este cea mai mare pârghie dintre cele trei. Un miez feromagnetic plasat în interiorul bobinei este magnetizat de propriul câmp al bobinei și își aduce propria contribuție la acesta, motiv pentru care un electromagnet cu miez de fier poate fi de sute de ori mai puternic decât aceeași bobină înfășurată în gol.

În acest laborator veți testa pe rând fiecare dintre cei trei factori, menținându-i pe ceilalți doi constanți. Partea A introduce șapte miezuri diferite — fier moale, nichel, sticlă, lemn, aluminiu, cupru și niciun miez — într-o bobină de 600 de spire, la o tensiune fixă de 15 V. Partea B păstrează miezul de fier moale și modifică alimentarea de la 30 V la 15 V și la 7 V. Partea C păstrează miezul și tensiunea și schimbă bobina, de la 15 spire la 300 și la 600. Puterea magnetului este evaluată de fiecare dată folosind același indicator rudimentar, dar eficient: procentajul de pe masă al agrafelor de hârtie pe care le poate ridica.

Obiective educaționale

Înțelegerea a ceea ce face un electromagnet

• Menționați cele trei variabile care determină intensitatea câmpului unui solenoid — spire pe unitate de lungime, curentul și permeabilitatea miezului — și scrieți B = µ₀µ_rnI.
• Un solenoid este un electromagnet care își generează câmpul magnetic prin curgerea unui curent electric printr-o bobină de sârmă. Când curentul este oprit, curentul care creează câmpul magnetic dispare, astfel încât solenoidul se oprește. În schimb, un magnet permanent își datorează magnetismul alinierii microscopice a domeniilor magnetice de la nivel atomic (spinii electronilor), care este o proprietate intrinsecă a materialului și nu necesită nicio sursă externă de energie sau curent electric pentru a fi menținută; prin urmare, nu poate fi „oprit”. Trei dispozitive care depind de această diferență: 1. Macara electromagnetică industrială (utilizată la centrele de reciclare a metalelor pentru a ridica și elibera resturi metalice) 2. Întrerupătorul automat (disjunctorul) electromagnetic pentru siguranța locuinței 3. Zăvorul electromagnetic pentru uși (sistem de control acces care eliberează ușa la întreruperea alimentării cu energie).

Controlul variabilelor

• Modificați câte un singur factor pe rând și mențineți celelalte două fixe, și identificați care mărime este cea controlată în fiecare dintre cele trei părți.
• Recunoașteți că cele trei părți au o configurație comună — 600 de spire, fier moale, 15 V — și folosiți-o pentru a verifica dacă cele trei tabele sunt în concordanță între ele.

Diferențierea materialelor magnetice

• Clasificați cele șapte miezuri în feromagnetice și nemagnetice și explicați rezultatul din perspectiva permeabilității relative, în loc să enumerați doar cele care au funcționat.
• Explicați de ce cuprul și aluminiul, ambele conductoare electrice excelente, sunt inutile ca miezuri magnetice.

Folosind o măsurătoare indirectă

• Explicați de ce procentul de clipuri captate reprezintă un indicator de prag și nu o măsură proporțională a intensității câmpului.
• Oferiți motive pentru care o măsurătoare de acest fel trebuie repetată înainte ca două configurații oarecare să poată fi ierarhizate.

Manipularea aparatului

• Reglați o sursă de alimentare de laborator la o diferență de potențial specificată, conectați o bobină la aceasta și opriți-o în condiții de siguranță între încercări.
• Mențineți numărul de clipuri disponibile aproximativ constant între încercări și explicați de ce, în caz contrar, rezultatul nu ar fi comparabil.

Protocol

Partea A: Caracteristicile nucleului

1. Conectați solenoidul de 600 de spire la sursa de alimentare folosind conectorii.
2. Pune mai mult de 35 de agrafe pe blat. Asigură-te că adaugi agrafe între fiecare experiment dacă unele au căzut de pe masă.
3. Introduceți miezul de fier moale în solenoid.
4. Pornește sursa de alimentare.
5. Ajustați diferența de potențial la 15 V.
6. Atinge agrafele cu solenoidul.
7. Mutați ușor solenoizii de agrafe și apoi scoateți miezul.
8. Procentul aproximativ de agrafe atrase de solenoid se găsește în tabelul de rezultate.
9. Repetați pașii de la 1 la 8 cu celelalte cinci tipuri de miezuri și fără miez (miez de aer).

Partea B: Intensitatea curentului

1. Introduceți miezul de fier moale în solenoid.
2. Ajustați diferența de potențial a sursei la 30 V.
3. Atinge agrafele cu solenoizii.
4. Mișcă ușor electrovalva departe de agrafe și apoi scoate miezul.
5. Procentul aproximativ de agrafe atrase de solenoid se găsește în tabelul de rezultate.
6. Reduceți tensiunea la 15 V. Așezați miezul din fier moale în solenoid și atingeți agrafele de birou cu solenoidul. Notați în tabelul de rezultate procentul aproximativ de agrafe de birou care sunt atrase de solenoid.
7. Scoateți miezul din electro.
8. Reduceți potențialul la 7v. Introduceți miezul de fier moale în solenoid și atingeți agrafele de hârtie cu solenoidul. Notați procentul aproximativ de agrafe de hârtie care sunt atrase de solenoid în tabelul cu rezultate. Scoateți miezul din solenoid.
9. Deconectați solenoidul de 600 de spire de sursa de curent, reatașați conectorii la borne și așezați-l pe masă.

Partea C: Densitatea spirelor

1. Conectați solenoiodul cu 15 spire la sursa de alimentare.
2. Introduceți miezul de fier moale în solenoid.
3. Ajustați diferența de potențial la 15 V.
4. Atinge agrafele cu solenoizii.
5. Mișcă ușor electrovalva departe de agrafe și apoi scoate miezul.
6. Procentul aproximativ de agrafe atrase de solenoid se găsește în tabelul de rezultate.
7. Deconectați solenoidul cu 15 spire de sursa de curent, reatașați conectorii la borne și depozitați-l pe masă.
8. Repetați pașii 1 până la 7 cu solenoizii de 300 de spire.

Rezultate anticipate

Citirea acestor rezultate. Fiecare cifră reprezintă procentajul agrafelor de birou de pe bancul de lucru pe care solenoidul le ridică, nu o numărătoare, deci nu depinde de câte agrafă se întâmplă să fie dispuse. Câmpul din interiorul unui solenoid este proporțional cu numărul de spire pe unitatea de lungime și cu curentul prin acesta, B = µ₀µ_rnI, dar proporția clemelor ridicate nu este proporțională cu B. Forța exercitată asupra unei cleme depinde de pătratul intensității câmpului și de cât de brusc scade intensitatea câmpului în direcția opusă polului, iar o clemă se ridică doar atunci când această forță depășește greutatea sa. Prin urmare, procentele cresc abrupt odată ce câmpul depășește pragul pentru marea majoritate a clemelor, motiv pentru care 30 V le ridică practic pe toate și motiv pentru care trecerea de la 7 V la 15 V dublează numărul acestora pentru o dublare a câmpului, în timp ce trecerea de la 15 V la 30 V are un efect considerabil mai mare decât atât.

De ce esența contează mai mult decât orice altceva. Introducerea unui miez feromagnetic nu se limitează la a susține câmpul bobinei; ci furnizează cea mai mare parte a câmpului. Momentele magnetice atomice din fier sunt deja aliniate în cadrul unor domenii microscopice, iar câmpul bobinei nu face altceva decât să alinieze domenii întregi cu acesta — un efect mare obținut dintr-o cauză mică. Nichelul este, de asemenea, feromagnetic, motiv pentru care este singurul alt miez care ridică ceva, dar magnetizarea sa de saturație este de aproximativ 0,6 T, față de 2,15 T în cazul fierului, iar permeabilitatea sa este mult mai mică, astfel încât reușește să obțină doar un sfert din rezultatul obținut de fier. Toate celelalte materiale de pe listă au o permeabilitate relativă imposibil de distins de zero la precizia acestui experiment: aluminiul este atras foarte slab de un câmp, iar cuprul este respins foarte slab, ambele cu câteva părți pe milion, și niciunul dintre aceste efecte nu ar putea ridica o agrafă de birou în niciun caz. De remarcat că cuprul și aluminiul sunt excelente electric sunt conductori și complet inutili ca miezuri magnetice — conductivitatea electrică și conductivitatea fluxului magnetic sunt proprietăți fără legătură între ele, iar elevii se așteaptă de obicei la contrariu.

De ce o tijă scurtă de fier nu oferă câștigul de o mie de ori pe care îl promite permeabilitatea sa. Fierul moale în vrac are o permeabilitate relativă de câteva mii, însă bobina cu miez de aici nu este nici pe departe de o mie de ori mai puternică decât cea goală. Motivul ține de geometrie. Imediat ce tija este magnetizată, la cele două capete ale sale apar poli liberi, iar aceștia generează un câmp în interiorul tijei care se opune magnetizării — câmpul de demagnetizare. Dimensiunea acestuia depinde de formă: lung și subțire este bine, scurt și gros este rău, iar pentru o tijă de zece ori mai lungă decât lățimea sa, permeabilitatea efectivă este limitată la câteva zeci, indiferent de valoarea intrinsecă a materialului. Tocmai de aceea transformatoarele și motoarele utilizează circuite magnetice închise, fără spațiu de aer, și de aceea a fost inventată forma de potcoavă.

O nuanță din Partea C care merită discutată cu o clasă capabilă. Afirmația uzuală este că câmpul este proporțional cu numărul de spire, iar la constantă actual Este. Dar acest protocol deține tensiune constant, iar spirele și rezistența nu sunt independente: înfășurarea mai multor spire din același fir pe aceeași formă prelungește firul în proporție, astfel încât R crește odată cu N, curentul V/R scade în proporție, iar cele două efecte se anulează exact — B = µ₀(N/L)(V/R) cu R ∝ N nu lasă deloc N. Pe baza acestui raționament, cele trei bobine la 15 V ar trebui să funcționeze identic, și în mod evident nu o fac. Rezolvarea este că cele trei bobine nu sunt din același fir pe aceeași formă: o bobină cu 15 spire este în mod normal înfășurată cu un fir mult mai gros, astfel încât rezistența sa este mult mai mică decât ar sugera o proporționalitate simplă, iar bobinele difere și ca lungime. Rezumatul corect este că Partea C compară trei bobine particulare în loc să izoleze numărul de spire, iar o clasă care dorește un experiment curat ar trebui să măsoare mai întâi rezistența fiecărei bobine și să lucreze fie la curent constant, fie să corecteze pentru acesta.

Te aștepți la dispersie și repetă. Care cleme sunt atinse și ridicate variază de la o probă la alta, astfel încât o singură măsurătoare poate să se abată cu aproximativ 15 puncte procentuale în plus sau în minus față de valorile de mai sus. În cazul unei perechi ghinioniste de probe, o configurație mai slabă poate părea că o depășește pe una mai puternică. Acesta este un comportament obișnuit de eșantionare, nu o defecțiune a aparatului, iar remediul este cel obișnuit: repetați fiecare măsurătoare de mai multe ori și comparați mediile în loc de măsurători individuale. Recunoașterea faptului că o singură probă nu constituie dovada unei tendințe face parte din exercițiu. De asemenea, este important ca clemele să fie redistribuite între probe și ca numărul lor să fie menținut aproximativ constant, deoarece o masă pe care au rămas zece cleme și una pe care au rămas patruzeci nu prezintă aceeași țintă.

Limitele oneste ale acestui experiment. Niciun câmp nu este vreodată măsurat. Procentul de agrafe ridicate este un indicator de prag: el reacționează la câmp, dar prin masa agrafelor, forma lor, modul în care sunt grămadă și locul unde stâlpul le atinge, așa că nu poate fi convertit în tesla, iar cele trei tabele nu pot fi reprezentate unul în raport cu celălalt pe nicio scară comună. Nici curentul nu este afișat vreodată, ci doar tensiunea, deci B = µ₀µ_r$nI$ trebuie aplicat prin legea lui Ohm cu o rezistență a bobinei care nu este dată. Nici experimentul nu arată histerezis, deși acesta este prezent în orice miez de fier: o bară care a fost magnetizată își păstrează o parte din magnetizare atunci când curentul se oprește, motiv pentru care protocolul vă cere să scoateți miezul înainte de următoarea încercare. O clasă cu o sondă Hall sau o metodă cu busolă și cronometru poate transforma toate cele trei părți în măsurători autentice; fără una dintre acestea, acest laborator stabilește o ordonare și un set de praguri, ceea ce este un rezultat legitim, cu condiția să nu fie prezentat în scris ca și cum s-ar fi măsurat tesla.

Rezumatul temei pe intervale de note

Clasele a IX-a și a X-a

Concentrare. Ce este un electromagnet și ce îl face mai puternic.

Activități. Efectuați toate cele trei părți și completați cele trei tabele. Înainte de fiecare încercare, ghiciți dacă rezultatul va fi mai mare sau mai mic decât cel anterior și, ulterior, numărați câte predicții au fost corecte.

Așteptat de la student. Cei trei factori care modifică puterea unui solenoid sunt: intensitatea curentului, numărul de spire ale bobinei și prezența sau absența unui miez feromagnetic. Trei dintre cele șapte miezuri funcționează (de exemplu, cele din oțel, fier sau nichel), iar celelalte patru nu funcționează (de exemplu, cele din lemn,plastic, sticlă sau aluminiu). Ceea ce au în comun miezurile care funcționează este faptul că sunt materiale feromagnetice. Bobina acționează ca un magnet numai atât timp cât prin ea curge curent electric. Două utilizări cotidiene ale unui electromagnet sunt: soneria electrică și macaralele electromagnetice folosite la centrele de reciclare a metalelor.

Clasa a XI-a

Concentrare. Variabile controlate și relația din spatele tabelelor.

Activități. Identificați ce se menține fix în fiecare parte și verificați dacă cele trei tabele coincid la configurația pe care o au în comun. Utilizați B = µ₀µ_rFolosiți legea lui Ohm pentru a prezice raportul câmpurilor la 30, 15 și 7 V și comparați acel raport cu procentele obținute efectiv. Repetați o configurație de mai multe ori și menționați o medie însoțită de o dispersie.

Așteptat de la student. Explicați de ce procentele cresc mai repede decât câmpul; explicați de ce curentul este proporțional cu setarea cadranului; justificați rezultatul mai slab al nichelului în ceea ce privește permeabilitatea și saturația; și precizați de ce aluminiul și cuprul eșuează în ciuda faptului că sunt conductori buni.

Clasa a XII-a / Nivel universitar

Concentrare. Materiale magnetice și diferența dintre o ordonare și o măsurare.

Activități. Analizați forța asupra unei cleme în funcție de gradientul lui B² și explică comportamentul de prag al procentajelor. Examinează proiectul cu tensiune constantă de la Partea C și determină ce ar trebui cunoscut despre cele trei bobine pentru ca numărul de spire să fie izolat. Estimează efectul câmpului de demagnetizare asupra unei bare scurte și explică de ce se utilizează circuite magnetice închise în transformatoare.

Așteptat de la student. Diferențiați feromagnetismul de paramagnetism și diamagnetism prin mecanism și prin ordin de mărime; explicați histerezisul și motivul pentru care miezul este îndepărtat între teste; proiectați o versiune a acestui experiment care să genereze un câmp în tesla; și afirmați clar care concluzii de pe această pagină sunt susținute de date și care sunt preluate din teorie.

Esențiale de laborator

Instrumente

• Solenoid, 15 spire
• Solenoid, 300 de spire
• Solenoid, 600 de spire
• Sursă de alimentare de curent continuu (CC) variabilă (7 la 30 V)
• Fire de conectare (2)
• Miezuri (6): fier moale, nichel, sticlă, lemn, aluminiu, cupru
• Cutie cu agrafe mici de hârtie, cel puțin 35 aranjate pe bancă