Γραφικές Παραστάσεις Τάσης από Αμοιβαία Επαγωγή με το MultiLog

Γουρζής Στάθης – Φυσικός, Συνεργάτης ΕΚΦΕ Λευκάδος 2008 – 2012 Εργαστήριο Φυσικών Επιστημών Νυδριού Λευκάδος

Από το σχολικό βιβλίο της Φυσικής Β΄ Λυκείου

Κατεύθυνσης …

Στο εργαστήριο Φυσικών Επιστημών του σχολείου μας, για να μελετήσουμε το φαινόμενο της αμοιβαίας επαγωγής, θα χρησιμοποιήσουμε …

Τον Η/Υ του εργαστηρίου …

… το MultiLog …

… και το πρόγραμμα DB-Lab 3.2 …

… με τους δύο αισθητήρες της τάσης και του μαγνητικού πεδίου …

Τάση - 25 έως + 25 Volt

Τάση - 2,5 έως + 2,5 Volt

… πηγή συνεχούς ρεύματος, πολύμετρο και αυτόματο διακόπτη …

Πηνία, των 300, 600, 1200 και 24.000 σπειρών …

Ν = 300

Ν = 300

Ν = 600

Ν = 1200

Ν = 24.000

… καθώς και μερικά όργανα, όπως τα δύο αυτά ξύλινα κουτιά και μια διάταξη στήριξης, για την καλύτερη τοποθέτηση

των αισθητήρων του MultiLog …

Ξεκινάμε το MultiLog …

… και συνδέουμε τον πρώτο αισθητήρα της τάσης …

… επαληθεύω την αναγνώρισή του

από το MultiLog …

« Port » « Range »

… και συνδέω τον δεύτερο αισθητήρα της τάσης …

… επαληθεύω και αυτό τον αισθητήρα

από το MultiLog …

« Port » « Range »

… τέλος, συνδέω τον τρίτο αισθητήρα

του μαγνητικού πεδίου …

… και επαληθεύω και αυτό τον αισθητήρα …

« Port » « Range »

… κατασκευάζουμε μια διάταξη για την σταθερή τοποθέτηση

του αισθητήρα του μαγνητικού πεδίου …

… με την βάση στήριξης, την μικρή μεταλλική ράβδο,

το σύνδεσμο και την λαβίδα …

Τοποθετούμε τα δύο πηνία, των Ν = 300 σπειρών, στα ξύλινα κουτιά, ώστε να βρίσκονται σε κάποιο ύψος …

πηνίο 2

Πηνίο 1 Πηνίο 2

… και τον αισθητήρα του μαγνητικού πεδίου, ανάμεσα από τα δύο πηνία …

2

1

Συνδέουμε τον πρώτο αισθητήρα της τάσης με το πηνίο 2, αυτό στο οποίο

θα μετρήσουμε την επαγωγική τάση …

2

1

Τάση -2,5 έως + 2,5 Volt

… και τον δεύτερο αισθητήρα της τάσης , με το πηνίο 1, αυτό στο οποίο

θα αλλάζουμε την τιμή του ρεύματος, για να δημιουργήσουμε την επαγωγική τάση …

1

2

Τάση -25 έως + 25 Volt

Συνδέουμε το πολύμετρο με την πηγή του συνεχούς ρεύματος, για να επαληθεύουμε την παροχή της τάσης,

σε περίπτωση σφάλματος του οργάνου που έχει η πηγή …

Ανοίγουμε το πολύμετρο και ρυθμίζουμε την ένδειξη να μετρά μέχρι 20 Volt, όσα και η πηγή του συνεχούς ρεύματος …

Ανοίγουμε την πηγή του συνεχούς ρεύματος, και ελέγχουμε για τυχόν μεγάλες διαρροές …

Εδώ δεν διαπιστώνουμε τίποτε αξιοσημείωτο …

Συνδέουμε με την πηγή και το πηνίο 1, τον αυτόματο διακόπτη,

ώστε να δίνουμε ρεύμα στο κύκλωμα ελεγχόμενα, ενώ αυξομειώνουμε την τάση,

άλλως, έπρεπε να ανοιγοκλείνουμε τον διακόπτη της πηγής …

2

1

Ξεκινάμε το πρόγραμμα DB-Lab 3.2 …

… και από το Μενού « Καταγραφέας », επιλέγουμε « Πίνακας Ελέγχου » …

… ενώ από το Μενού « Σημεία » επιλέγουμε « 500 », και από το « Ρυθμός » επιλέγουμε « 100 / sec » …

Συνδέουμε πρώτα τα δύο πηνία των Ν = 300 σπειρών, σε επαγωγική σύζευξη …

Ν = 300

Ν = 300

Έχουμε πραγματοποιήσει την πειραματική μας διάταξη και είμαστε έτοιμοι να πάρουμε μετρήσεις …

Πρέπει, όμως, να σιγουρευτούμε ότι όλα πάνε καλά, δηλαδή ότι όλα λειτουργούν όπως πρέπει και οι μετρήσεις μας

είναι διακριτές, δηλαδή αναγνώσιμες και επεξεργάσιμες. Για αυτό και κάνουμε μια μικρή δοκιμή, θέτοντας την τάση της πηγής στα 2 Volt,

και πατώντας πρώτα την εκκίνηση του MultiLog και μετά τον διακόπτη, στιγμιαία, τέσσερεις φορές …

MultiLog

Το πρόγραμμα DB-Lab 3.2 καταγράφει σωστά τις αλλαγές, στις δύο τάσεις που μετράμε και στο μαγνητικό πεδίο …

… και μεγαλώνοντας τα αποτελέσματα σε όλη την οθόνη …

Επαγωγική Τάση Κόκκινη Γραμμή

Τάση πηγής

Μπλε Γραμμή

Μαγνητικό Πεδίο Πράσινη Γραμμή

… είμαστε έτοιμοι να ξεκινήσουμε …

Επαγωγική Τάση Κόκκινη Γραμμή

Τάση πηγής

Μπλε Γραμμή

Μαγνητικό Πεδίο Πράσινη Γραμμή

Για καλύτερη αντίληψη των μεταβολών που θα παρατηρήσουμε, προβάλουμε με τον projector στον πίνακα του εργαστηρίου …

Επαγωγική Τάση Κόκκινη Γραμμή

Τάση πηγής

Μπλε Γραμμή

Μαγνητικό Πεδίο Πράσινη Γραμμή

Θα χρησιμοποιήσουμε τα ζεύγη των πηνίων σε επαγωγική σύζευξη και θα παρατηρήσουμε τις μεταβολές στα μεγέθη που μετράμε,

σε τέσσερεις τιμές της τάσης, στα 5, 10, 15 και 20 Volt, ( DC ), συνεχούς ρεύματος, που παίρνουμε από την πηγή …

Ξεκινάμε το MultiLog και πατάμε τον διακόπτη τρεις φορές,

ενώ έχουμε ρυθμίσει την τάση στα 5 Volt …

… και από το Μενού « Προβολή », επιλέγουμε « Κύλιση Γραφήματος » …

… και τοποθετούμε, με τον δείκτη του ποντικιού,

τους δείκτες του προγράμματος …

… πάλι από το Μενού « Προβολή », επιλέγουμε « Μεγέθυνση » …

Έτσι παρατηρούμε καλύτερα τις μεταβολές :

Τάση πηγής Μπλε Γραμμή

Επαγωγική Τάση Κόκκινη Γραμμή

Μαγνητικό Πεδίο Πράσινη Γραμμή

Συνεχίζουμε τις μετρήσεις μας, ενώ τώρα έχουμε ρυθμίσει την τάση στα 10 Volt …

Παρατηρούμε, σε μεγέθυνση, την επαγόμενη τάση, που διαρκεί όσο και η μεταβολή της τάσης στο πηνίο 1 …

Τάση πηγής

Μαγνητικό Πεδίο

Ρυθμίζουμε την τάση στα 15 Volt και …

Χρησιμοποιούμε, πάλι, την μεγέθυνση …

… και πάλι με την μεγέθυνση, παίρνουμε αυτή την εικόνα,

που δείχνει, με μεγάλη ακρίβεια, την δημιουργία και την διάρκεια

της επαγόμενης τάσης, όσο δηλαδή μεταβάλλεται και η τάση στο πηνίο 1 …

Βάζουμε, τώρα, την τάση στα 20 Volt και …

Κάνουμε μεγέθυνση …

… και με την τρίτη μεγέθυνση …

… όπου, με μεγάλη ακρίβεια, παρατηρούμε την δημιουργία

και την διάρκεια της επαγόμενης τάσης,

όσο δηλαδή μεταβάλλεται και η τάση στο πηνίο 1 …

Επαγωγική Τάση Κόκκινη Γραμμή

Τάση πηγής

Μπλε Γραμμή

Μαγνητικό Πεδίο Πράσινη Γραμμή

Μπορούμε, βέβαια, να έχουμε και μια εποπτική εικόνα των αποτελεσμάτων μας …

Τάση στο πηνίο 1

( σε Volt )

Μέγιστη τιμή επαγόμενης τάσης

στο πηνίο 2 ( σε mVolt )

( κατά απόλυτη τιμή )

0 0

5 90

10 70

15 70

20 130

Τάση στο πηνίο 1 ( σε Volt )

Μεταβολή μαγνητικού πεδίου

(σε mTesla ) ( κατά απόλυτη τιμή )

0 0

5 600

10 350

15 250

20 325

Αρχική τιμή μαγνητικού πεδίου

( σε mTesla )

Τελική τιμή μαγνητικού

πεδίου ( σε mTesla )

475 -125

475 125

475 225

475 150

0, 0

5, 90

10, 70 15, 70

20, 130

0

20

40

60

80

100

120

140

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Μέγ

ιστη

τιμ

ή

επ

αγό

μεν

ης

τάσ

ης

(

σε

mV

olt

)

Τάση στο πηνίο 1 ( σε Volt )

Μεταβολή της επαγόμενης τάσης ( κατά απόλυτη τιμή )

0, 0

5, 600

10, 350

15, 250

20, 325

0

100

200

300

400

500

600

700

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Μετ

αβ

ολή

μ

αγν

ητι

κού

πεδ

ίου

(

σε

mTe

sla

)

Τάση στο πηνίο 1 ( σε Volt )

Μεταβολή του μαγνητικού πεδίου ( κατά απόλυτη τιμή )

Συνδέουμε, τώρα, τα δύο πηνία, των Ν = 300 σπειρών και των Ν = 600 σπειρών,

σε επαγωγική σύζευξη …

Ν = 300

Ν = 600 2 1

Ξεκινάμε, πάλι, το MultiLog και πατάμε τον διακόπτη τέσσερεις φορές, ενώ έχουμε ρυθμίσει την τάση στα 5 Volt …

… με την τρίτη μεγέθυνση …

…παρατηρούμε με μεγάλη ακρίβεια,

την δημιουργία και την διάρκεια της επαγόμενης τάσης,

όσο δηλαδή μεταβάλλεται και η τάση στο πηνίο 1 …

Επαγωγική Τάση Κόκκινη Γραμμή

Τάση πηγής

Μπλε Γραμμή

Μαγνητικό Πεδίο Πράσινη Γραμμή

Ρυθμίζουμε την τάση στα 10 Volt …

… και χρησιμοποιώντας τρεις φορές την μεγέθυνση …

…παρατηρούμε την δημιουργία και την διάρκεια

της επαγόμενης τάσης, όσο δηλαδή μεταβάλλεται

και η τάση στο πηνίο 1, και στο κλείσιμο και στο άνοιγμα του διακόπτη …

Επαγωγική Τάση Κόκκινη Γραμμή

Τάση πηγής

Μπλε Γραμμή

Μαγνητικό Πεδίο Πράσινη Γραμμή

Συνεχίζουμε, με την τάση στα 15 Volt …

… και χρησιμοποιώντας πάλι τρεις φορές την μεγέθυνση …

Επαγωγική Τάση Κόκκινη Γραμμή

Τάση πηγής

Μπλε Γραμμή

Μαγνητικό Πεδίο Πράσινη Γραμμή

Η διάρκεια της επαγόμενης τάσης, είναι ίση

με την μεταβολή της τάσης στο πηνίο 1 …

Βάζουμε την τάση στα 20 Volt …

… πατάμε δύο φορές μεγέθυνση …

… και με την τρίτη μεγέθυνση …

Η διάρκεια της επαγόμενης τάσης, είναι ίση

με την μεταβολή της τάσης στο πηνίο 1 …

Επαγωγική Τάση Κόκκινη Γραμμή

Τάση πηγής

Μπλε Γραμμή

Μαγνητικό Πεδίο Πράσινη Γραμμή

… και εδώ, όλες οι γραφικές παραστάσεις, για τυχόν συγκρίσεις και περαιτέρω μελέτη …

Τάση στο πηνίο 1 ( σε Volt )

Μέγιστη τιμή της επαγόμενης τάσης

στο πηνίο 2 ( σε mVolt )

( κατά απόλυτη τιμή )

0 0

5 40

10 60

15 90

20 110

Τάση στο πηνίο 1 ( σε Volt )

Μεταβολή μαγνητικού πεδίου

( σε mTesla ) κατά απόλυτη τιμή

0 0

5 725

10 1325

15 975

20 1450

Αρχική τιμή μαγνητικού

πεδίου ( σε mTesla )

Τελική τιμή μαγνητικού πεδίου

( σε mTesla )

475 -250

475 -850

475 -500

475 -750

0, 0 5, 40

10, 60 15, 90

20, 110

0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Μέγ

ιστη

τιμ

ή

επ

αγό

μεν

ης

τάσ

ης

(

σε

mV

olt

)

Τάση στο πηνίο 1 ( σε V )

Μεταβολή της επαγόμενης τάσης ( κατά απόλυτη τιμή )

0, 0

5, 725

10, 1325

15, 975

20, 1450

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Μετ

αβ

ολή

μ

αγν

ητι

κού

πεδ

ίου

(

σε

mTe

sla

)

Τάση στο πηνίο 1 ( σε Volt )

Μεταβολή μαγνητικού πεδίου ( κατά απόλυτη τιμή )

Συνδέουμε, τώρα, τα δύο πηνία, των Ν = 300 σπειρών και των Ν = 1200 σπειρών,

σε επαγωγική σύζευξη …

2

1

Ν = 300

Ν = 1200

Ξεκινάμε, πάλι, το MultiLog και πατάμε τον διακόπτη τέσσερεις φορές, ενώ έχουμε ρυθμίσει την τάση στα 5 Volt …

… πατάμε δύο φορές μεγέθυνση …

… και με την τρίτη μεγέθυνση …

Επαγωγική Τάση Κόκκινη Γραμμή

Τάση πηγής

Μπλε Γραμμή

Μαγνητικό Πεδίο Πράσινη Γραμμή

Η διάρκεια της επαγόμενης τάσης, είναι ίση

με την μεταβολή της τάσης στο πηνίο 1,

και στο άνοιγμα και στο κλείσιμο του διακόπτη …

Βάζουμε την τάση στα 10 Volt …

… πατάμε δύο φορές μεγέθυνση …

Μεταβολή της τάσης στο πηνίο 1, και στο άνοιγμα και στο κλείσιμο του διακόπτη …

… και με την τρίτη μεγέθυνση … Η διάρκεια της επαγόμενης τάσης, είναι ίση

με την μεταβολή της τάσης στο πηνίο 1,

και στο άνοιγμα και στο κλείσιμο του διακόπτη …

Επαγωγική Τάση Κόκκινη Γραμμή

Τάση πηγής

Μπλε Γραμμή

Μαγνητικό Πεδίο Πράσινη Γραμμή

Συνεχίζουμε, με την τάση στα 15 Volt …

… πατάμε δύο φορές μεγέθυνση …

… και με την τρίτη μεγέθυνση … Παρατηρούμε την διάρκεια της επαγόμενης τάσης,

που είναι ίση με την μεταβολή

της τάσης στο πηνίο 1 …

Επαγωγική Τάση Κόκκινη Γραμμή

Τάση πηγής

Μπλε Γραμμή

Μαγνητικό Πεδίο Πράσινη Γραμμή

Βάζουμε την τάση στα 20 Volt …

… πατάμε δύο φορές μεγέθυνση …

… και με την τρίτη μεγέθυνση …

Επαγωγική Τάση Κόκκινη Γραμμή

Τάση πηγής

Μπλε Γραμμή

Μαγνητικό Πεδίο Πράσινη Γραμμή

Παρατηρούμε, πάλι, την διάρκεια της επαγόμενης τάσης,

που είναι ίση με την μεταβολή

της τάσης στο πηνίο 1 …

… και εδώ, όλες οι γραφικές παραστάσεις, πάλι μαζί …

Τάση στο πηνίο 1 ( σε Volt )

Μέγιστη τιμή της επαγόμενης τάσης στο

πηνίο 2 ( σε mVolt )

( κατά απόλυτη τιμή )

0 0

5 2,2

10 2,3

15 2,5

20 2,5

Τάση στο πηνίο 1

( σε Volt )

Μεταβολή μαγνητικού πεδίου

( σε mTesla ) (κατά απόλυτη τιμή)

0 0

5 225

10 200

15 250

20 275

Αρχική τιμή μαγνητικού

πεδίου ( σε mTesla )

Τελική τιμή μαγνητικού

πεδίου ( σε mTesla )

475 250 475 675

475 725 475 750

0, 0

5, 50 10, 100

15, 150 20, 250

0

50

100

150

200

250

300

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Μετ

αβ

ολή

μ

αγν

ητι

κού

πεδ

ίου

(

σε

mTe

sla

)

Τάση στο πηνίο 1 ( σε Volt )

Μεταβολή του μαγνητικού πεδίου ( κατά απόλυτη τιμή )

0, 0 5, 65

10, 240

15, 240

20, 60

0

50

100

150

200

250

300

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Μέγ

ιστη

τιμ

ή

επα

γόμ

ενη

ς τά

ση

ς

( m

Vo

lt )

Τάση στο πηνίο 1 ( σε Volt )

Μεταβολή της επαγωγικής τάσης ( κατά απόλυτη τιμή )

Επειδή η σύνδεση των δύο πηνίων, των Ν = 300 σπειρών και των Ν = 24.000 σπειρών,

σε επαγωγική σύζευξη, δεν έδωσε διακριτά αποτελέσματα …

Ν = 300

2

1

Τα συνδέουμε, λοιπόν, με αυτόν τον τρόπο, όπου το πηνίο 2 είναι των Ν = 24.000 σπειρών

και το πηνίο 1 είναι των Ν = 300 σπειρών …

2 1

Ν = 300

Ξεκινάμε το MultiLog και πατάμε τον διακόπτη τέσσερεις φορές, ενώ έχουμε ρυθμίσει την τάση στα 5 Volt …

… πατάμε μεγέθυνση …

… και με την τρίτη μεγέθυνση … Παρατηρούμε την διάρκεια της επαγόμενης τάσης,

που είναι ίση με την μεταβολή

της τάσης στο πηνίο 1 …

Επαγωγική Τάση Κόκκινη Γραμμή

Τάση πηγής

Μπλε Γραμμή

Μαγνητικό Πεδίο Πράσινη Γραμμή

Βάζουμε την τάση στα 10 Volt …

… πατάμε μεγέθυνση …

Επαγωγική Τάση Κόκκινη Γραμμή

Τάση πηγής

Μπλε Γραμμή

Μαγνητικό Πεδίο Πράσινη Γραμμή

… και με την τρίτη μεγέθυνση … Η διάρκεια της επαγόμενης τάσης, είναι ίση

με την μεταβολή της τάσης στο πηνίο 1 …

Επαγωγική Τάση Κόκκινη Γραμμή

Τάση πηγής

Μπλε Γραμμή

Μαγνητικό Πεδίο Πράσινη Γραμμή

Βάζουμε την τάση στα 15 Volt …

… πατάμε μεγέθυνση …

Επαγωγική Τάση Κόκκινη Γραμμή

Τάση πηγής

Μπλε Γραμμή

Μαγνητικό Πεδίο Πράσινη Γραμμή

… και με την τρίτη μεγέθυνση …

Επαγωγική Τάση Κόκκινη Γραμμή

Τάση πηγής

Μπλε Γραμμή

Μαγνητικό Πεδίο Πράσινη Γραμμή

Η διάρκεια της επαγόμενης τάσης, είναι ίση

με την μεταβολή της τάσης στο πηνίο 1 …

Βάζουμε την τάση στα 20 Volt …

Επαγωγική Τάση Κόκκινη Γραμμή

Τάση πηγής

Μπλε Γραμμή

Μαγνητικό Πεδίο Πράσινη Γραμμή

… πατάμε μεγέθυνση …

… με την δεύτερη μεγέθυνση … Παρατηρούμε με ακρίβεια,

την διάρκεια της επαγόμενης τάσης που είναι ίση

με την μεταβολή της τάσης στο πηνίο 1 …

Επαγωγική Τάση Κόκκινη Γραμμή

Τάση πηγής

Μπλε Γραμμή

Μαγνητικό Πεδίο Πράσινη Γραμμή

… και με την τρίτη μεγέθυνση …

Παρατηρούμε με ακόμα μεγαλύτερη ακρίβεια, την διάρκεια της επαγόμενης τάσης

που είναι ίση με την μεταβολή της τάσης στο πηνίο 1 …

Επαγωγική Τάση Κόκκινη Γραμμή

Τάση πηγής

Μπλε Γραμμή

Μαγνητικό Πεδίο Πράσινη Γραμμή

… και εδώ, όλες οι γραφικές παραστάσεις …

Τάση στο πηνίο 1 ( σε Volt )

Μέγιστη τιμή της επαγόμενης τάσης

στο πηνίο 2 ( σε mVolt )

0 0

5 2,2

10 2,3

15 2,5

20 2,5

Τάση στο πηνίο 1 ( σε Volt )

Μεταβολή μαγνητικού πεδίου

( σε mTesla ) κατά απόλυτη τιμή

0 0

5 225

10 200

15 250

20 275

Αρχική τιμή μαγνητικού

πεδίου ( σε mTesla )

Τελική τιμή μαγνητικού

πεδίου ( σε mTesla )

475 250

475 675

475 725

475 750

0, 0

5, 2,2

10, 2,3

15, 2,5

20, 2,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Μέγ

ιστη

τιμ

ή

επα

γόμ

ενη

ς τά

ση

ς

( σ

ε m

Vo

lt )

Τάση στο πηνίο 1 ( σε Volt )

Μεταβολή της επαγωγικής τάσης ( κατά απόλυτη τιμή )

0, 0

5, 225

10, 200

15, 250 20, 275

0

50

100

150

200

250

300

350

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Μετ

αβ

ολή

μ

αγν

ητι

κού

πεδ

ίου

(

σε

mTe

sla

)

Τάση στο πηνίο 1 ( σε Volt )

Μεταβολή του μαγνητικού πεδίου ( κατά απόλυτη τιμή )

… ενώ εδώ, μπορούμε να έχουμε όλες τις γραφικές παραστάσεις , από όλα τα ζεύγη των πηνίων που χρησιμοποιήσαμε,

στην οθόνη του PC …

… και στον προβολέα του εργαστηρίου …

Τέλος πειράματος …