Levitující kroužek — demonstrace Lenzova zákona
Pokus číslo: 986
Cíl pokusu
Experiment ukazuje jednu z možných demonstrací Lenzova zákona.
Teorie
Pokud do proměnného magnetického pole umístíme vodič, bude se na něm indukovat napětí. Velikost tohoto napětí je dána Faradayovým zákonem elektromagnetické indukce:
\[U_i=-\frac{\Delta\Phi}{\Delta t},\tag{1}\]kde ΔΦ je změna magnetického indukčního toku a t je čas.
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.“
V našem případě bude proměnné magnetické pole vytvářet cívka zapojená do střídavého proudu. Jako vodič poslouží lehký hliníkový kroužek (viz obr. 1 vlevo), který umístíme na jádro cívky. Vzhledem k tomu, že kroužek je uzavřený, poteče jím indukovaný proud. Jeho směr bude dle Lenzova zákona takový, aby magnetické pole, které se okolo kroužku vytvoří, působilo proti změně mag. indukčního toku, která ho vyvolala − tedy, magnetické pole kroužku se bude odpuzovat od magnetického pole cívky. Kroužek je poměrně lehký a přitom z dobře vodivého materiálu, proto bude indukovaný proud natolik velký, že se kroužek díky odpudivé magnetické síle vznese.
Jiný případ nastane, pokud použijeme přeříznutý kroužek (na obr. 1 vpravo) − i v něm se sice bude indukovat napětí, ale už v něm nepoteče indukovaný proud. Proto okolo něj nevznikne žádné magnetické pole a kroužek se nevznese.
Pomůcky
- cívka 300 závitů
- lístkové U jádro
- dlouhé I jádro
- střídavý zdroj 42 V
- dva hliníkové kroužky (uzavřený a přeříznutý)
- spojovací vodiče
Postup
- Cívku nasadíme na jedno rameno U jádra, to prodloužíme I jádrem.
- Cívku připojíme ke zdroji střídavého napětí přibližně 40 V.
- Na prodloužené jádro nasadíme hliníkový kroužek, zapneme zdroj a pozorujeme, že se kroužek zvedne a vznáší se několik centimetrů nad cívkou.
Po provedení a vysvětlení experimentu je vhodné žákům zadat problémový experiment − místo uzavřeného kroužku nasadit na jádro kroužek přeříznutý (tak, aby přeříznutí žáci neviděli) a nechat je tento problém vysvětlit (viz metodické poznámky).
Vzorový výsledek
Vzorový výsledek je vidět na videu:
Problémový experiment
Následující video ukazuje experiment s jiným kroužkem, ten se tentokrát nevznese. Video lze využít jako problémovou úlohu pro studenty (viz metodické poznámky).
Metodické poznámky
Experiment s přeříznutým kroužkem je vhodné zadat žákům jako problémovou úlohu − učitel žákům experiment ukáže tak, aby nebylo vidět přeříznutí, úkolem žáků je, aby navrhli hypotézy, proč se kroužek nezvedne. Je vhodné, aby učitel pokud možno prováděl expedriment se stejnými pomůckami a ve stejném uspořádání jako experiment s nepřeříznutým kroužkem, aby bylo jasné, že problém není např. v přerušených vodičích. Žáci by si měli uvědomit, že podmínkou pro vznik magnetického pole okolo kroužku je, aby v něm tekl proud, nejen, aby se v něm indukovalo napětí.
Komentář - odkazy na podobné pokusy
Jiné demonstrace Lenzova zákona ukazují pokusy:
