Cívka v homogenním magnetickém poli

Pokus číslo: 1730

  • Cíl pokusu

    Pokus ukazuje netradiční způsob vzniku indukovaného napětí - deformaci cívky v homogenním magnetickém poli.


    Experiment vznikl na základě výzkumu, ze kterého vyplynulo, že studenti často nevnímají, že při deformaci cívky poblíž magnetu se v ní indukuje el. napětí. Naopak, pokud cívka rotuje kolem osy kolmé na plochu magnetu, jsou často přesvědčeni, že se el. napětí indukuje.

    Experiment by tak měl sloužit k lepšímu pochopení pojmu magnetický indukční tok a tomu, co je plocha v definici magnetického indukčního toku.

  • Teorie

    Pokud umístíme cívku do magnetického pole, bude se v ní indukovat napětí, jestliže se bude měnit magnetický indukční tok cívkou. Veličina magnetický indukční tok popisuje hustotu magnetických indukčních čar procházejících kolmo danou plochou S (v našem případě plochou cívky):

    \[\Phi=B\cdot S\tag{1}\]

    Jestliže magnetické indukční čáry neprocházejí kolmo na plochu, ale svírají s kolmicí na plochu úhel α, je magnetický indukční tok dán vztahem:

    \[\Phi=B\cdot S\cdot \cos\alpha \tag{2}\]

    Jednotkou magnetického indukčního toku je Weber.

    Velikost napětí, které se indukuje v cívce, je dána Faradayovým zákonem elektromagnetické indukce:

    \[U_\mathrm{i}=-N\frac{\Delta\Phi}{\Delta t},\tag{3}\] kde N je počet závitů cívky.

    Ze vztahu (3) plyne, že čím víc se bude měnit magnetický indukční tok, tím větší se bude indukovat napětí. Změnu magnetického indukčního toku, a tedy vznik indukovaného napětí, lze zařídit několika způsoby, jak je vidět ze vztahu (2):

    1. Změnit velikost magnetického pole
    2. Změnit velikost plochy
    3. Změnit úhel mezi plochou a magnetickým polem

    Ve školní praxi se lze setkat hlavně s 1. způsobem - magnet se zasouvá do cívky a vysouvá z ní, čímž se mění magnetické pole. Při výrobě elektřiny v elektrárnách se (elektro)magnet otáčí v prostoru mezi třemi cívkami, čímž se jednak mění velikost magnetického pole a jednak úhel mezi cívkou a magnetickými indukčními čarami.

    S druhým způsobemn se nelze setkat příliš často, protože běžné školní cívky nelze snadno deformovat.

  • Pomůcky

    • destička s nalepenými magnety
    • cívka cca 20 závitů navinutá z ohebného vodiče
    • voltmetr
    • vodiče, krokosvorky
    • lístkové jádro I
  • Destička s magnety a cívka

    Hlavní pomůckou je destička, na které jsou nalepeny ploché neodymové magnety o rozměrech 2×4 cm a tloušťce 1 mm (viz obr. 1). Magnety jsou na destičce nalepeny stejnými póly směrem nahoru a mezi magnety jsou jen velmi malé mezery. Vzniklé magnetické pole je tak (v blízkosti destičky) téměř homogenní.

    Obr. 1: Destička s magnety

    Druhou nezbytnou pomůckou je cívka s přibližně dvaceti závity (viz obr. 2). Cívka je navinuta z měkkého drátu, takže ji lze deformovat.

    Obr. 2: Cívka
  • Postup

    Cívku připojíme k voltmetru a umístíme na destičku s magnety (viz obr. 3).

    Obr. 3: Uspořádání experimentu

    Postupně vyzkoušíme, že se v cívce indukuje napětí, jestliže:

    • cívku zdeformujeme a změníme tak velikost její plochy
    • cívkou pohybujeme směrem k a od destičky (jestliže jsme dostatečně daleko od destičky, aby pole už nebylo homogenní)
    • cívku vysouváme mimo destičku s magnety (čímž měníme plochu, ve které magnetické indukční čáry prochází cívkou)
    • otáčíme cívkou okolo vodorovné osy a měníme tak úhel mezi plochou cívky a směrem magnetických indukčních čar

    Naopak, napětí se v cívce neindukuje, pokud:

    • cívka je v klidu (cívkou sice teče magnetický indukční tok, ale ten se nemění)
    • cívkou otáčíme okolo svislé osy (vzhledem k tomu, že pole je v podstatě homogenní, opět nedochází ke změně magnetického indukčního toku)
    • do cívky umístíme jádro a poté cívku deformujeme. V tomto případě prochází většina magnetických indukčních čar jádrem, takže důležitá „plocha“ je plocha podstavy jádra; zbytek plochy cívky má spíše zanedbatelný vliv.
  • Vzorový výsledek

    Video ukazující vzorový výsledek je rozděleno do dvou částí:

    1. V cívce se napětí indukuje:


    2. V cívce se žádné napětí neindukuje:

Typ pokusu: kvalitativní
Věková skupina: od 2. stupně základní školy
Potřebné vybavení: vyžaduje specifické pomůcky
Čas přípravy pokusu: do 3 minut
Čas provedení pokusu: 3–10 minut
Pokus je zachycen na videu