2.1 Doświadczenie z pierścieniami.
pierścień otwarty nałożony na stronę wtórną. Cewka po stronie pierwotnej - 100 zwoi.
Przy zasileniu cewki napięciem przemiennym na pierścieniu otwartym pojawiło się napięcie niższe niż po stronie pierwotnej. Miało ono taką samą wartość niezależnie od miejsca pomiaru.
Podczas pracy transformator wytwarzał charakterystyczny dźwięk - „buczenie”. Po zaniku zasilania zwora przez pewien czas była przytrzymywana przez rdzeń transformatora.
pierścień zamknięty nałożony na stronę wtórną.
Po przyłożeniu napięcia na zaciski cewki pierścień zaczął się nagrzewać
Prąd przepływając przez cewkę wytwarzał przepływ proporcjonalny do iloczynu natężenia prądu i liczby zwoi cewki. Pod wpływem przepływu w rdzeniu powstaje przemienny strumień magnetyczny główny, który z kolei indukuje siłę elektromotoryczną czyli napięcie w pierścieniu zmieniające się sinusoidalnie tak jak strumień.
W tym doświadczeniu zachodzi zjawisko indukcji wzajemnej. Aby zjawisko to mogło wystąpić strumień magnetyczny musi zmieniać się w czasie.
Pierścień zamknięty nagrzewał się pod wpływem wystąpienia w nim przepływu prądu.
Wytwarzany dźwięk związany jest z wpływem sił spowodowanych polem magnetycznym przemiennym. Dodatkową przyczyną powstawania „buczenia” jest zjawisko magnetostrykcji - zmiany kształtu ferromagnetyka w polu magnetycznym - zmiana ta następuje jednoczenie ze zmianą wartości natężenia pola.
Podczas zasilania układu a także po zaniku zasilania rdzeń przytrzymywał zworę - zwierającą obwód magnetyczny transformatora. Przepływ prądu w cewce wywołał namagnesowane się rdzenia i zwory - układ zachowywał się jak elektromagnes. W rdzeniu po zaniku zasilania nadal utrzymywał się stan namagnesowania co związane jest z właściwościami materiału ferromagnetycznego - pętlą histerezy. Z charakterystyki magnesowania (pętli histerezy) wynika, że gdy natężenie pola magnesującego osiągnie wartość 0 - zanik magnesowania zewnętrznego wytwarzanego przez cewkę, indukcja nie zanika i nosi nazwę pozostałości magnetycznej. Ferromagnetyki zachowują częściowe namagnesowanie po zaniku pola zewnętrznego.
zwora otwarta (ustawiona pionowo) , pierścień otwarty.
W wyniku otwarcia zwory nastąpiło zamkniecie się obwodu magnetycznego przez szczelinę powietrzną co spowodowało spadek wartości strumienia (W przypadku gdy zwora jest zamknięta strumień główny zamyka się w rdzeniu). Strumień zmniejszył się na skutek spadku przenikalności magnetycznej (przenikalność magnetyczna powietrza jest dużo mniejsza niż materiałów ferromagnetycznych z których wykonany jest rdzeń). Spadek wartości strumienia zaobserwowaliśmy jako zmniejszenie się wartości indukowanego napięcia w pierścieniu.
Transformator także przestał wytwarzać dźwięk na skutek zmniejszenia się pola magnetycznego.
zwora ustawiona pionowo po stronie pierwotnej na niej nałożony pierścień zamknięty
Gdy do zacisków cewki doprowadziliśmy napięcie pierścień zaczynał drgać, podczas nagłego załączania układu do zasilania pierścień „wyskakiwał” z rdzenia.
Przepływ prądu w cewce wytwarzał strumień magnetyczny który spowodował indukowanie się napięcia i przepływ prądu w pierścieniu. Na skutek oddziaływania pola magnetycznego na przewodniki z prądem powstaje moment elektromagnetyczny czyli powstaje siła powodująca drgania pierścienia. Przy gwałtownych zmianach powstająca siła jest na tyle duża, że zdolna jest wyrzucić pierścień z rdzenia. Kierunek działania sił możemy wyznaczyć na podstawie reguły lewej dłoni.
zwora ustawiona pionowo - nałożony na nią pierścień otwarty.
Pierścień nie wykonuje żadnych ruchów.
Brak ruchu pierścienia spowodowany jest tym, że w pierścieniu indukuje się napięcie ale nie przepływa prąd (przerwa w pierścieniu). Przypływ prądu przez przewodnik umieszczony w polu magnetycznym jest warunkiem koniecznym wystąpienia siły poruszającej pierścień.
2.2 Doświadczenie z Wahadłem Waltenhofena.
płytka aluminiowa pełna
Przy wprawieniu w ruch wahadła i zasileniu cewki - wahadło zaczęło zwalniać szybciej niż przy braku zasilania cewki.
Silne hamowanie płytki aluminiowej wahadła związane jest z oddziaływaniem pola elektromagnesu z polem prądu wirowego powstającego w płytce zgodnie z regułą Lenza.
W płytce powstają prądy wirowe których pola przeciwdziałają polu magnetycznemu wywołującemu prądy wirowe.
płytka aluminiowa z nacięciami.
Hamowanie płytki jest zmniejszone na skutek nacięć wykonanych w płytce - nacięcia zwiększają opór elektryczny co powoduje zmniejszenie prądów wirowych.
2.3 Doświadczenie z żarówką
zwora ustawiono pionowo po stronie z cewką .
Gdy cewka z żarówką przybliża się do cewki zasilanej - żarówka zaczyna świecić , przy oddalaniu świecenie zanika.
zwora ustawiona pionowo po stronie przeciwnej do cewki zasilanej.
Żarówka nie świeci.
Świecenie żarówki spowodowane jest przepływem prądu w cewce. Przepływ tego prądu wywołany jest indukowanym napięciem w cewce. Indukowane napięcie maleje (zanikanie świecenia) gdy strumień przenikający przez cewkę z żarówką staje się mniejszy - strumień
rozprasza się przy końcu rdzenia . W pobliżu cewki z prądem sumaryczny strumień przenikający cewkę z żarówką jest powiększony o strumień rozproszenia.
Wnioski.
Podczas ćwiczenia zapoznaliśmy się z zjawiskiem indukcji elektromagnetycznej. Na podstawie indukcji elektromagnetycznej zbudowano silniki elektryczne, prądnice, transformatory oraz wiele innych maszyn elektrycznych.
Zjawiskiem indukcji elektromagnetycznej nazywamy powstanie napięcia w uzwojeniu przy jakiejkolwiek zmianie strumienia magnetycznego skojarzonego z tym uzwojeniem.
Jeżeli obwód uzwojenia w którym indukuje się siła elektromotoryczna zostanie zamknięty to w obwodzie tym popłynie prąd elektryczny co mogliśmy zaobserwować jako nagrzewanie się pierścienia zamkniętego. Kierunek prądu indukcyjnego określamy zgodnie z regułą Lenza - prąd indukcyjny ma zawsze taki kierunek, że jego własne pole magnetyczne przeciwdziała przyczynie, która ten prąd wywołuje.
Z zjawiskiem indukcji elektromagnetycznej związane jest zjawisko indukcji wzajemnej wykorzystywane min. w transformatorach. Zjawisko indukcji wzajemnej polega na indukowaniu się SEM w cewce pod wpływem zmian prądu w innej cewce z nią sprzężonej.
W ćwiczeniu zauważyliśmy także zjawisko prądów wirowych. Prądy wirowe płyną pod wpływem napięć, które indukują się we wszystkich materiałach przewodzących objętych zmianą strumienia. W masywnym elemencie prądy wirowe mogą zamykać się w objętości materiału a więc przybierać stosunkowo duże wartości. Zwroty prądów wirowych wynikają z reguły Lenza. W budowie transformatorów, rdzeniach maszyn elektrycznych prądy wirowe są zjawiskiem niepożądanym ze względu na wywoływane straty mocy i powodowanie nagrzewania się materiału. W celu ich zmniejszenia rdzenie buduje się jako pakiety cieńkich blach izolowanych. Zjawisko prądów wirowych wykorzystuje się natomiast w budowie mierników elektrycznych np. liczników energii elektrycznej.
W celu ograniczenia charakterystycznego hałasu wytwarzanego przez transformatory pakiety blach rdzenia skręca się ze sobą - co przyczynia się do zmniejszenia drgań blach a więc i hałasu.