Elektromagnetisk induktion variabler - labbresonemang
Hej! Jag har kämpat med en fysik 2 labb hur länge som helst nu. Kommer inte längre, hittar inte bra svar på internet och förstår inte med den hjälp jag fått av min lärare heller. Här kommer min labb och mitt syfte:
Syftet med min laboration är att undersöka någon typ av variabel som påverkar storleken på den inducerade strömmen i en ledare (elektromagnetisk induktion). Jag har valt att undersöka hur en spoles tvärsnittsarea/diameter påverkar storleken. Dvs vad händer när arean ökar eller minskar? Blir den inducerade strömmen större eller mindre?
För att göra detta gjorde jag och min medlaborant 6 olika spolar av koppartråd, alla med olika diametrar men med samma antal varv och bredd. Vi satte dem i ett stativ och kopplade dem med klämmor till en pasco amperemeter. Vi släppte sedan en magnet genom varje och gjorde mätningar. Strömmen visade sig minska när arean ökade.
Resultatet var väntat. Vi tänkte ju enkelt att om arean är större måste magnetfältet bli svagare vs om arean är liten och magnetfältet är väldigt ''koncentrerat''. Men när jag tittar på faradays induktionslag och formeln för magnetiskt flöde blir jag helt förvirrad. Dessa alltså: 𝑒= −𝑁 x 𝑑𝜙/𝑑𝑡 och 𝜙=𝐵𝐴. Arean förblir ju densamma under en mätning. Det betyder att det är B som måste förändras med tiden. Hur gör den det? är det eftersom att en smalare spole har fältlinjer som är mycket tätare? Men då borde ju derivatan bli låg eftersom den inte förändras mycket, och då blir ju e lågt i sin tur.... Förstår inte.
Hur varierar egentligen dB/dt för de olika arenorna? Jag har många olika frågor och hoppas någon kan hjälpa mig med att få det lite mer klart i huvudet.. Tack snälla!
Jag är inte säker på vad du frågar efter, men jag gör ett försök.
Under ett test är A konstant. B ändras eftersom du släpper en magnet genom spolen. Magneten tar med sig sitt magnetfält genom spolen. Först ökar flödet när den åker in i spolen och sedan minskar det när den åker ut.
När A ökar, mellan testerna, så tänker jag mig att en del av flödeslinjerna går tillbaka till magneten inuti spolens area så att nettoflödet genom A minskar och då minskar även derivatan och e. Det kanske är ett luddigt sätt att beskriva saken, men jag tycker det blir tydligt om man ritar upp det.
Det är lite svårt att visa exakt varför då det är inom idealiserade förhållanden som Faradays lag är enklast att förstå. Detta borde du dock ha gått igenom på lektioner eller läst om i din bok. Alltså att det är magnetfältets nettoflöde genom ledarens plan som förändras. Detta sker självklart därför att du för en magnet in och ut ur en spole.
När arean förändras mellan försök kommer en förändring av flödets förändring ske. Du kan se det som att tätheten eller antalet fältlinjer per areaenhet som korsar spolens plan minskar i takt med att arean ökar. Detta är vad du själv försökte beskriva intuitivt som:
"Vi tänkte ju enkelt att om arean är större måste magnetfältet bli svagare vs om arean är liten och magnetfältet är väldigt ''koncentrerat''..."
Därmed minskar också nettoflödet därför att fler fältlinjer åker ut men sedan in igen genom spolens plan. Konsekvensen av detta är naturligtvis att när arean blir väldigt stor kommer flödestätheten vara så låg att förändringen av magnetiska flödet i princip är lika med noll.
Fundera alltså på hur maximala flödet förändras med avseende på arean. Du behöver inte tänka så mycket på förändringen av flödet.
Ebola skrev:Det är lite svårt att visa exakt varför då det är inom idealiserade förhållanden som Faradays lag är enklast att förstå. Detta borde du dock ha gått igenom på lektioner eller läst om i din bok. Alltså att det är magnetfältets nettoflöde genom ledarens plan som förändras. Detta sker självklart därför att du för en magnet in och ut ur en spole.
När arean förändras mellan försök kommer en förändring av flödets förändring ske. Du kan se det som att tätheten eller antalet fältlinjer per areaenhet som korsar spolens plan minskar i takt med att arean ökar. Detta är vad du själv försökte beskriva intuitivt som:
"Vi tänkte ju enkelt att om arean är större måste magnetfältet bli svagare vs om arean är liten och magnetfältet är väldigt ''koncentrerat''..."
Därmed minskar också nettoflödet därför att fler fältlinjer åker ut men sedan in igen genom spolens plan. Konsekvensen av detta är naturligtvis att när arean blir väldigt stor kommer flödestätheten vara så låg att förändringen av magnetiska flödet i princip är lika med noll.
Fundera alltså på hur maximala flödet förändras med avseende på arean. Du behöver inte tänka så mycket på förändringen av flödet.
Tillägg: 11 jan 2022 21:00
Dessa alltså: 𝑒= −𝑁 x 𝑑𝜙/𝑑𝑡 och 𝜙=𝐵𝐴. Arean förblir ju densamma under en mätning.
Alltså: Ovan stämmer inte i alla situationer då det faktiska uttrycket är en flödesintegral:
Där alltså det enbart är om flödestätheten är homogen och konstant över ytan som detta förenklas till:
Okej jag tror jag börjar förstå nu, och jag är med på att om arean ökar så kommer antalet fältlinjer per areaenhet att minska. Däremot förstår jag inte riktigt vad ni menar med att nettoflödet minskar PGA att fler fältlinjer åker ut och går tillbaka till magneten? Varför gör dem det?
Tack förresten för hjälpen, det uppskattas!
Mega7853 skrev:Jag är inte säker på vad du frågar efter, men jag gör ett försök.
Under ett test är A konstant. B ändras eftersom du släpper en magnet genom spolen. Magneten tar med sig sitt magnetfält genom spolen. Först ökar flödet när den åker in i spolen och sedan minskar det när den åker ut.
När A ökar, mellan testerna, så tänker jag mig att en del av flödeslinjerna går tillbaka till magneten inuti spolens area så att nettoflödet genom A minskar och då minskar även derivatan och e. Det kanske är ett luddigt sätt att beskriva saken, men jag tycker det blir tydligt om man ritar upp det.
Menar du (när du beskriver hur du tänker dig att flödeslinjerna går när arean ökar) att vid en större area så har fältlinjerna ''plats'' att gå från sin ena ände till den andra medan den fortfarande befinner sig i spolen ? och då är skillnaden nettoskillnaden mindre?
Jag tror vi kan försöka ta det från början för din skull. Vi definierar experimentet:
- Magneten förs ned genom en spole med area med en konstant hastighet vilket inducerar en mätbar ström .
- Vi varierar arean på spolen vilket ger en mätbar minskning på inducerad ström. Vi ser till att vi inte ändrat hastigheten och noterar det som en viktig felkälla.
- Vi ser till att vi har samma antal lindningar.
- Vi noterar att med ökad diameter på spolen fast med samma antal lindningar och bredd kommer totala resistansen i tråden öka vilket kommer minska storleken på inducerad ström. Vi noterar detta som en felkälla.
När magneten är på väg ned genom spolen kommer den ge ett utslag med ett maximum på spänning (minimum om negativ). Detta extremvärde sker då förändringen av flödet är störst. Kurvorna för spänning och flöde (flux Vs(t) på engelska) kommer se ut ungefär som följer:
Där vi ser en till storlek marginellt större spänning på högersidan i grafen då magneten är på väg ut ur spolen. Detta därför att stavmagneten accelereras av jordens gravitation och därmed har fått högre hastighet. Vi förstår också från grafen ovan eller Faradays lag att stället där vi får störst spänning är där vi har störst förändring hos flödet. Detta är tidigt i magnetens rörelse, när störst koncentration av fältlinjer skär spolens plan.
Om vi studerar nedan bild på en stavmagnet:
Här ser vi att förändringen av flödet är störst precis innan början och precis efter slutet av magneten. Här ser vi också att om vi ritar in spolens plan vinkelrät till magneten nära denna punkt får vi att:
Där alltså spolen är illustrerad i svart. Vi ser att 11 st flödeslinjer (i grönt) åker in i spolen i dess plan men vi ser också att 4 st flödeslinjer (rött) åker tillbaka in igen. Detta ger nu ett mindre nettoflöde (och därmed mindre förändring) på 11 - 4 = 7 st flödeslinjer. Om spolen har en mindre diameter kommer förändringen av nettoflödet vara större därför att flödestätheten är stor vid den punkten och nettoflödet är stort.
Notis: Detta är imprecist beskrivet av mig med mening. Jag saknar de kunskaper som krävs för att förklara detta på gymnasienivå vilket gör att vissa saker inte är helt strikt korrekt. I stora drag är det en förenklad bild som kan hjälpa dig förstå. Men, bäst är om du pratar mer med din lärare om det.
Ebola skrev:Jag tror vi kan försöka ta det från början för din skull. Vi definierar experimentet:
- Magneten förs ned genom en spole med area med en konstant hastighet vilket inducerar en mätbar ström .
- Vi varierar arean på spolen vilket ger en mätbar minskning på inducerad ström. Vi ser till att vi inte ändrat hastigheten och noterar det som en viktig felkälla.
- Vi ser till att vi har samma antal lindningar.
- Vi noterar att med ökad diameter på spolen fast med samma antal lindningar och bredd kommer totala resistansen i tråden öka vilket kommer minska storleken på inducerad ström. Vi noterar detta som en felkälla.
När magneten är på väg ned genom spolen kommer den ge ett utslag med ett maximum på spänning (minimum om negativ). Detta extremvärde sker då förändringen av flödet är störst. Kurvorna för spänning och flöde (flux Vs(t) på engelska) kommer se ut ungefär som följer:
Där vi ser en till storlek marginellt större spänning på högersidan i grafen då magneten är på väg ut ur spolen. Detta därför att stavmagneten accelereras av jordens gravitation och därmed har fått högre hastighet. Vi förstår också från grafen ovan eller Faradays lag att stället där vi får störst spänning är där vi har störst förändring hos flödet. Detta är tidigt i magnetens rörelse, när störst koncentration av fältlinjer skär spolens plan.
Om vi studerar nedan bild på en stavmagnet:
Här ser vi att förändringen av flödet är störst precis innan början och precis efter slutet av magneten. Här ser vi också att om vi ritar in spolens plan vinkelrät till magneten nära denna punkt får vi att:
Där alltså spolen är illustrerad i svart. Vi ser att 11 st flödeslinjer (i grönt) åker in i spolen i dess plan men vi ser också att 4 st flödeslinjer (rött) åker tillbaka in igen. Detta ger nu ett mindre nettoflöde (och därmed mindre förändring) på 11 - 4 = 7 st flödeslinjer. Om spolen har en mindre diameter kommer förändringen av nettoflödet vara större därför att flödestätheten är stor vid den punkten och nettoflödet är stort.
Notis: Detta är imprecist beskrivet av mig med mening. Jag saknar de kunskaper som krävs för att förklara detta på gymnasienivå vilket gör att vissa saker inte är helt strikt korrekt. I stora drag är det en förenklad bild som kan hjälpa dig förstå. Men, bäst är om du pratar mer med din lärare om det.
Wow tack så jättemycket! Det här hjälpte verkligen. Nu förstår jag. Jag ska bara vänta med att skriva klart labbrapporten innan jag trycker att jag inte behöver mer hjälp.
Tack tack tack
Ingen orsak. Använd förslagsvis denna forskningsartikel som källa:
Det är därifrån jag hämtade bilden på grafer över spänning och flöde med avseende på tid.
Ebola skrev:Ingen orsak. Använd förslagsvis denna forskningsartikel som källa:
Det är därifrån jag hämtade bilden på grafer över spänning och flöde med avseende på tid.
Tack igen! :D
Sitter och skriver sista delen av diskussionen nu. Har skrivit de felkällor jag kommit på, alltså att resistansen ökade när vi ökade arean vilket minskade den inducerade strömmen. Men också att vi använde koppartråd som inte var isolerad till att tillverka spolarna (något vi helt glömde bort att tänka på när vi väl gjorde labben). I och med att den inte var isolerad kunde ju strömmen ta en genväg över spolen, och inte genom varje varv. Det var något vi fick problem med på några mätningar då de fick exakt samma inducerade ström på decimalen fast arean var olika. Väldigt frustrerande.
Det här med att hastigheten varierar i de olika testerna löste vi genom att använda jordens gravitation. Jag antar att jag borde skriva att magneten bör släppas från samma höjd vid varje mätning som förslag på förbättring av labben. Skrev även som förbättring att riktiga (inte egengjorda) spolar borde användas eftersom att våra kan vara felräknade när det kommer till varv och bredd/längd. Olika antal varv påverkar ju också inducerad ström.
Jag kommer inte på några fler felkällor eller förbättringar. Mest för att syftet med labben var att kolla hur den inducerade strömmen påverkas dvs inte att ställa upp något matematiskt samband där exakta värden skulle vara nödvändiga. Har jag missat något?
Jag tycker det låter bra.
