Sbírka fyzikálních pokusů

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.

  

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

  

• Postup

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

  

  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: