Směr indukovaného proudu v hliníkovém kroužku
Pokus číslo: 984
Cíl pokusu
Experiment ukazuje Lenzův zákon pomocí hliníkového kroužku zavěšeného na jádře cívky, do které střídavě pouštíme a vypínáme proud.
Teorie
Pokud do proměnného magnetického pole umístíme vodič, bude se na něm indukovat napětí. Velikost tohoto napětí je dána Faradayovým zákonem elektromagnetické indukce:
\[U_\mathrm{i}=-\frac{\Delta\Phi}{\Delta t},\]kde ΔΦ je změna magnetického indukčního toku a Δt je čas, jak dlouho tato změna trvá.
Pokud je vodič uzavřený, teče v něm indukovaný proud. Směr tohoto indukovaného proudu je popsán Lenzovým zákonem:
„Indukovaný proud v uzavřeném obvodu má takový směr, že svým magnetickým polem působí proti změně magnetického indukčního toku, která ho vyvolala.“
Jinými slovy, vodič, kterým teče tento indukovaný proud, se brání situaci, díky které tento proud vznikl.
V našem případě je vodičem lehký hliníkový kroužek, který je zavěšen na jádře cívky, do které budeme střídavě pouštět a vypínat proud. Při zapnutí proudu magnetický indukční tok kroužkem roste a kroužek se brání − odpuzuje se od cívky, která tento magnetický tok vyvolala. Naopak, při vypnutí proudu magnetický tok koužkem klesá a kroužek se této změně brání − přitahuje se zpět k cívce.
Jiný, přesnější pohled na směr pohybu kroužku plyne z chování dvou rovnoběžných vodičů s proudem (viz experiment Vzájemné působení vodičů s proudem):
- Má-li proud v obou vodičích stejný směr, vodiče se přitahují.
- Jsou-li směry proudu ve vodičích opačné, vodiče se odpuzují.
Na kroužek se lze dívat jako na jeden vodič, cívka představuje druhý vodič. Při zapnutí proudu magnetický indukční tok kroužkem roste, indukovaný proud má proto takový směr, aby magnetické pole, které díky němu vznikne, zeslabovalo původní magnetické pole − proud v kroužku má opačný směr než proud v cívce (a proto se od cívky odpuzuje). Naopak, při vypínání proudu do cívky má indukovaný proud takový směr, aby díky němu vzniklé magnetické pole zesilovalo původní magnetické pole cívky − indukovaný proud má stejný směr jako původní proud v cívce, díky čemuž se k cívce přitahuje.
Pomůcky
- cívka 600 závitů
- dlouhé jádro I
- hliníkový kroužek na provázku
- akumulátor
- stojan
- spojovací vodiče
Postup
Uspořádání experimentu je vidět na obrázku 2: Cívku položíme na bok a vsuneme do ní dlouhé jádro. Hliníkový kroužek pověsíme tak, aby se mohl na jádře volně pohybovat. Cívku připojíme k akumulátoru a postupně zapínáme a vypínáme proud do cívky.
Při zapnutí proudu do cívky pozorujeme, že se kroužek odpudí a poté se vrátí zpět do rovnovážné polohy. Při vypnutí proudu se kroužek naopak přitáhne a pak se zase vrátí zpět do rovnovážné polohy. Vhodnou frekvencí zapínání a vypínání proudu lze dosáhnout rezonance kmitů kroužku.
Vzorový výsledek
Experiment je vidět na následujícím videu:
Technické poznámky
- Aby se kroužek neotáčel okolo svislé osy, je vhodné ho zavěsit na bifilární závěs.
- Ideální poloha kroužku je přibližně 1-2 cm od cívky − tak, aby mohl kmitat na obě strany, ale přitom byl ještě dostatečně blízko k cívce.
- Je vhodné nechat obvod několik okamžiků zapnutý, aby byl vidět i návrat kroužku do rovnovážné polohy.
Komentář - odkazy na podobné pokusy
- Přitahování resp. odpuzování souhlasných (resp. nesouhlasných) proudů je ukázáno v experimentu Vzájemné působení vodičů s proudem.
- Jinou demonstraci Lenzova zákona ukazuje experiment Levitující kroužek — demonstrace Lenzova zákona.
