Investeşte în oameni! Proiect cofinanţat din Fondul Social European prin Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 – 2013 Axa prioritară: 1 „Educaţia şi formarea profesională în sprijinul creşterii economice şi socieţătii bazate pe cunoaştere” Domeniul major de intervenţie: 1.1 „Acces la educaţie şi formare profesională iniţială de calitate Titlul proiectului: „Şcoala viitorului!” – Împreună pentru o societate bazată pe cunoaştere ” Cod Contract: POSDRU/17/1.1/G/20765 Beneficiar: Inspectoratul Şcolar al Judeţului Vâlcea

FENOMENUL DE

INDUCŢIE

ELECTROMAGNETICǍ

Profesor Cătălina STANCA

Colegiul Naţional „Alexandru Ioan Cuza”, Galaţi

Prezenta lucrare experimentală urmăreşte evidenţierea calitativă a fenomenului de inducţie

electromagnetică, accentul căzând pe prezentarea cauzelor care generează acest fenomen.

Activităţile experimentale propuse „invită” elevul la generarea curentului electric indus

folosindu-se de materiale simple şi uşor de procurat.

Obiective urmărite

Recapitularea noţiunilor generale de magnetism şi evidenţierea forţelor magnetice

Evidenţierea faptului că putem „induce” curent electric într-un fir conductor, dacă un

câmp magnetic şi un fir se află în mişcare relativă unul faţă de altul

„Inducerea” unui curent electric cu ajutorul câmpului magnetic terestru

Evidenţierea fenomenului de inducţie electromagnetică prin experimente simple

Evidenţierea legii lui Lenz

Noţiuni teoretice

Unul dintre principalii fondatori ai electromagnetismului a fost André-Marie Ampère.

Studiile sale s-au focalizat pe interacțiunea reciprocă a curenților electrici și magneților, pe forța

electrodinamică, în anul 1820 stabilind formula acestei forțe. Relația dintre electricitate și magnetism este pusă în evidență, în aceeași perioadă, și de Hans Christian Oersted. Pentru a

realiza experimentele de electricitate, Ampère a realizat solenoidul, care nu reprezintă altceva

decât forma simplificată a bobinei de mai târziu.

Continuând cercetările lui Ampère referitoare la forțele electromagnetice, Michael Faraday

descoperă în 1831 fenomenul de inducție electromagnetică. Legea inducției electromagnetice

pune bazele teoretice ale conversiei diferitelor forme de energie în energie electrică,

demonstrând că un câmp magnetic variabil poate genera un curent electric. Cercetările lui

Faraday au condus la o interpretare științifică riguroasă a fenomenelor electromagnetice, ale

căror legi au fost enunțate ulterior de către Maxwell.

Faraday s-a remarcat prin sârguinţă şi muniţiozitate în realizarea experimentelor, fiind

recunoscut ca unul dintre cei mai creativi fizicieni experimentalişti. In imaginile următoare sunt

prezentate câteva din dispozitivele construite de el pentru a evidenţia fenomenul de inducţie

electromagnetică.

Figura 1 Discul lui Faraday, desen al primului generator

electric, conceput de Faraday în 1831

Figura 2 Dispozitivul construit de Faraday pentru

a evidenţia inducţia electromagnetică între 2

bobine

Studiile lui Faraday au demonstrat aşadar, că un curent electric poate fi indus într-un fir și fără

conectarea acestuia la o baterie, fie prin mișcarea unui magnet, fie prin plasarea altui conductor

cu un curent variabil în vecinătatea conductorului în care se dorește generat curentul.

Regula lui Heinrich Lenz explică modalitatea în care circuitele electromagnetice trebuie să

respecte principiul III al lui Newton şi teorema de conservare a energiei. Ea afirmă că: tensiunea

electromotoare indusă şi curentul indus au un astfel de sens, încît fluxul magnetic produs de

curentul indus să se opună fluxului magnetic inductor .

Activitatea 1: Din nou despre magnetism

Această primă activitate îşi propune reactualizarea cunoştinţelor elevilor legate de câmpul

magnetic.

Materiale necesare (pentru fiecare elev în parte)

doi magneţi permanenţi;

10 agrafe de birou;

2-3 bucăţi de sfoară (de cel puţin 30cm);

o bucată de stofă, o bucată de plastic, o coală de hârtie

Fişa de lucru numărul 1

Din nou despre câmpul magnetic

Aveţi la dispoziţie câteva materiale: magneţi, agrafe de birou, o bucată de stofă, o bucată de

plastic, o coală de hârtie, două bucăţi de sfoară.

Construiţi un prim pendul dintr-o bucată de sfoară şi o agrafă de birou;

Construiţi un al doilea pendul folosind cealaltă bucată de sfoară şi magnetul permanet;

Aşezaţi pendulele faţă în faţă, astfel încât magnetul să se afle în dreptul agrafei de birou,

dar fără să o atingă;

Cum explicaţi faptul că agrafa de birou este atrasă de magnet fără ca acesta să o fi atins?

...........................................................................................................................................................

Cu materialele pe care le aveţi la dispoziţie încercaţi să blocaţi câmpul magnetic al magnetului.

Ce materiale credeţi că pot bloca acest câmp?

............................................................................................................................................................

Cu materialele pe care le aveţi la dispoziţie evidenţiaţi faptul că forţele magnetice variază cu

distanţa. Descrieţi cum aţi procedat.

...........................................................................................................................................................

Aduceţi-vă aminte de experienţele din orele trecute şi răspundeţi la următoarele întrebări:

Cum explicaţi faptul că pilitura de fier este atrasă de magnet. „Trage” ceva de pilitura de

fier pentru a fi atrasă de magnet?

Cum explicăm fatul că doi magneţi se pot atrage sau se pot respinge. „Trage” un magnet

de celălalt?

Definiţi următorii termeni:

Polaritate =

Atracţie magnetică =

Repulsie magnetică =

Câmp magnetic =

Activitatea 2: Electricitatea „indusa” de un

camp magnetic

Activitatea îşi propune evidenţierea faptului că putem „induce” curent electric într-un fir

conductor, dacă un câmp magnetic şi firul se află în mişcare relativă unul faţă de altul.

Materiale necesare (pentru o grupă formată din 4-5 elevi:

2-3 magneţi bară;

2 miezi de fier în formă de U;

2-3 fire izolate de cupru, suficient de lungi pentru a construi din el o bobină;

o bobină;

un galvanometru;

o baterie de 1,5V;

6 cleme de prindere.

Fişa de lucru numărul 2

Cum putem „induce” curent electric?

Un dinam sau un generator este un dispozitiv al cărui scop este acela de a „produce” curent

electric. Pentru a funcţiona sunt necesare două elemente: o bobină şi un câmp magnetic. Ca să

înţelegem principiul de funcţionare al dinamului vom începe cu un experiment simplu: o bobină

şi un magnet aflate în mişcare unul faţă de celălalt.

Aveţi la dispoziţie un magnet bară, un fir de cupru şi un galvanometru.

Construiţi o bobină suficient de mare pentru a permite

magnetului să treacă prin ea;

Legaţi firul la galvanometru cu ajutorul clemelor; Introduceţi magnetul prin bobină, mai întâi mai încet, apoi din ce

în ce mai rapid, observând de fiecare dată devierea acului

galvanometrului;

Scoate-ţi magnetul din bobină, mai întâi mai încet, apoi din ce în ce mai rapid, observând

şi de această dată devierea acului galvanometrului. Pe baza observaţiilor experimentale, răspundeţi la următoarele întrebări:

Ce condiţie a fost necesar să fie îndeplinită pentru a apare curentul electric?

.....................................................................................................................................................................

Care a fost sensul curentului electric atunci când aţi scos magnetul din bobină comparativ

cu situaţia în care aţi introdus magnetul în bobină? .....................................................................................................................................................................

Viteza cu care aţi mişcat magnetul în interiorul bobinei a influenţat deviaţia acului

galvanometrului?

......................................................................................................................................................................

De această dată aveţi la dispoziţie un miez de fier în formă de U, 2 magneţi bară de mici

dimensiuni, un fir de cupru, o bobină şi galvanometrul.

Conectaţi firul de cupru la galvanometru prin intermediul

clemelor;

Ataşaţi fiecărei ramuri a miezului de fier, în interiorul acestora,

câte un magnet. Aţi creat în acest fel un magnet în formă de U;

Introduceţi firul de cupru între ramurile magnetului şi începeţi să

deplasaţi firul între cele două ramuri, mai întâi mai încet şi apoi

din ce în ce mai rapid; Observaţi indicaţia acului

galvanometrului.

Schimbaţi sensul de deplasare al firului între cele două ramuri ale magnetului, respectând

şi de această dată acelaşi mod de lucru;

Introduceţi acum bobina în interiorul ramurilor magnetului şi repetaţi paşii de lucru de

mai sus. Urmăriţi cu atenţie deviaţia acului galvanometrului.

Pe baza observaţiilor experimentale, răspundeţi la următoarele întrebări:

Ce condiţie a fost îndeplinită pentru a apare curentul electric? ......................................................................................................................................................................

Care a fost sensul curentului electric atunci când aţi mişcat firul într-un sens, comparativ

cu situaţia în care aţi mişcat firul în sens invers? .....................................................................................................................................................................

In ce situaţie din cele descrise mai sus, valoarea curentului electric produs a fost mai

mare? .......................................................................................................................................................................

Aveţi la dispoziţie aceleaşi elemente.

Infăsuraţi pe o ramură a miezului de fier un fir de cupru (de

aproximativ 20 de ori);

Legaţi apoi capetele firului la bornele galvanometrului;

Apropiaţi magnetul bară de ramurile miezului de fier, mai întâi

mai încet şi apoi din ce în ce mai rapid. Observaţi indicaţiile

acului galvanometrului;

Indepărtaţi magnetul de miezul de fier, urmând aceeaşi paşi de

lucru. Observaţi şi de această dată indicaţiile galvanometrului.

Răspundeţi la întrebări după ce aţi terminat experimentul:

Ce condiţie a fost îndeplinită pentru a apare curentul electric? ......................................................................................................................................................................

Viteza cu care aţi mişcat magnetul deasupra miezului de fier a influenţat deviaţia acului

galvanometrului?

......................................................................................................................................................................

Când aţi observat un curent electric mai mare, când aţi deplasat acelaşi magnet printre

sprirele bobinei construite de voi în prima experienţă sau în acest caz? …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

Aveţi la dispoziţie cei doi miezi de fier, 2 fire izolate de cupru, galvanometrul şi o baterie de

1,5 V.

Infăsuraţi pe o ramură a miezului de fier un fir de cupru

(de aproximativ 20 de ori). Aţi construit în acest fel

prima bobină;

Conectaţi-o la galvanometru;

Infăşuraţi pe ramura celuilalt miez de fier cel de-al

doilea fir de cupru (de aproximativ 10 ori). Aţi construit

cea de-a doua bobină;

Conectaţi-o la bornele bateriei. Acum puteţi spune că

aveţi un electromagnet;

Apropiaţi şi apoi depărtaţi a doua bobină de prima,

urmărind evoluţia curentului electric indicat de

galvanometru;

Schimbaţi sensul curentului electric care trece prin cea de-a doua bobină;

Analizaţi şi de această dată indicaţiile acului galvanometrului.

Răspundeţi la întrebări după ce aţi terminat experimentul:

Ce condiţie a fost îndeplinită pentru a apare curentul electric? ......................................................................................................................................................................

Viteza cu care aţi mişcat electromagnetul deasupra primei bobine a influenţat deviaţia acului

galvanometrului?

......................................................................................................................................................................

Ce observaţie puteţi face legată de schimbarea sensului curentului electric prin

elecromagnet? …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. Realizaţi un scurt eseu care să cuprindă viziunea voastră privind următoarea întrebare:

Dacă o centrală electrică ar funcţiona la capacitate maximă ce credeţi că s-ar întâmpla dacă s-ar produce o

furtună magnetică? (Furtunile magnetice produc schimbări rapide ale câmpului magnetic terestru de la

suprafaţa pământului)

Activitatea 3: Din nou campul magnetic

terestru

Activitatea îşi propune utilizarea câmpului magnetic terestru pentru a induce curent electric

într-un fir conductor. Fac precizarea că locul de desfăşurare poate fi curtea şcolii.

Materiale necesare (experiment demonstrativ):

un prelungitor cu împământare;

2 fire foarte lungi;

un galvanometru;

2-3 cleme de prindere;

o busolă.

Fişa de lucru numărul 3

Cum putem induce curent electric cu ajutorul câmpului magnetic terestru?

Aţi văzut că deplasarea unui magnet în interiorul unei bobine are ca efect apariţia unui curent

electric. Vom vedea acum ce se întâmplă dacă deplasăm un fir conductor în câmp magnetic

terestru. Ce aveţi de făcut?

Legaţi un capăt al primul fir la prelungitor cu ajutorul unei cleme (la borna de

împământare) şi celălalt capăt la borna galvanometrului;

Procedaţi şi cu cel de-al doilea fir în acelaşi mod;

Circuitul pe care l-aţi obţinut este ilustrat în schema următoare:

Aşezaţi busola pe pământ pentru a determina nordul câmpului magnetic terestru;

Aşezaţi circuitul vostru mai întâi pe direcţia est-vest şi începeţi să rotiţi încet firele,

făcând o buclă foarte mare. Urmăriţi indicaţia galvanometrului;

Rotiţi firele păstrând aceeaşi direcţie, dar cu viteză mult mai mare. Urmăriţi şi de această

dată indicaţia galvanometrului;

Aşezaţi –vă acum cu firele pe direcţia nord-sud şi repetaţi operaţiile, urmărind de fiecare

dată acul galvanometrului;

Completaţi foaia de observaţii

Ce efect are mişcarea de rotaţie a prelungitorului asupra acului galvanometrului?

In ce situaţie curentul indicat de galvanometru a fost maxim?

In ce situaţie curentul indicat de galvanometru a fost minim?

Explicaţi din ce cauză se mişcă acul galvanometrului când rotim prelungitorul?

Explicaţi din ce cauză orientarea planului de rotaţie al prelungitorului faţă de

direcţia câmpului magnetic terestru afectează deviaţia acului galvanometrului?

Activitatea 4: Inductia electromagnetica

într-o cana de aluminiu

Această activitate îşi propune evidenţierea faptului că se poate induce curent electric în

metalele non-magnetice.

Materiale necesare (pentru o grupă de lucru):

un magnet bară;

o cană de aluminiu;

un vas lat cu apă;

o bucată de sfoară;

un ac magnetic.

Fişa de lucru numărul 4

Cum putem induce curent electric într-o cană de aluminiu

Experienţa pe care o veţi efectua este extrem de interesantă şi distractivă. Pentru o bună

realizare trebuie să respectaţi paşii de lucru propuşi mai jos.

Prindeţi mijlocul magnetului bară de capătul unui fir. Rotiţi firul şi încercaţi să observaţi

deviaţia unui ac magnetic situat în imediata apropiere.

Completaţi propoziţia următoare cu observaţiile experimentale:

Câmpul magnetic al unui magnet aflat în rotaţie este ..................

Realizaţi dispozitivul experimental din imagine:

Incepeţi să rotiţi magnetul în interiorul cănii şi observaţi ce se întâmplă.

Completaţi frazele cu observaţiile voastre experimentale:

Deşi cana de aluminiu nu este un …………………., curentul electric produs de

……………………..va trece prin cană.

Un curent electric care trece prin cană produce …………………………..ceea ce face ca

ea să capete proprietăţi …………………

Pentru a vă putea explica fenomenul pe care l-aţi observat răspundeţi la întrebările următoare:

Pare a avea cana de aluminiu proprietăţi magnetice dacă magnetul din interiorul său nu se

roteşte?

Cum ne putem da seama dacă se modifică câmpul magnetic în interiorul cănii?

Desenaţi cum se mişcă cana atunci când magnetul se roteşte în interiorul său.

Activitatea 5: Cum demonstram regula lui

Lenz Activitatea îşi propune evidenţierea regulii lui Lenz. Elevii vor observa mişcarea unui

magnet printr-o tijă de cupru şi vor compara timpii necesari pentru a străbate tija în cazul

magnetului şi ai alor corpuri din materiale neferoase (timpul necesar magnetului să străbată tija

este de aproximativ 2 ori mai mare datorită apariţiei câmpului magnetic indus care va încetini

mişcarea sa) .

Materiale necesare (pentru o grupă de elevi)

o bară de cupru lungă de 2m (Ǿ = 22mm);

un magnet (suficient de îngust pentru a pătrunde prin bară);

diverse corpuri din materiale neferoase având aproximativ aceeaşi formă şi aceeaşi

dimensiune cu magnetul);

un vas cu nisip;

un cronometru;

un sistem de prindere al tijei.

Fişă de lucru numărul 5

In ce constă regula lui Lenz

Regula lui Lenz ne spune că tensiunea electromotoare indusă şi curentul indus au un astfel de

sens, încît fluxul magnetic produs de curentul indus să se opună fluxului magnetic inductor .

Putem să evidenţiem această regulă foarte simplu

Mai întâi fixăm tija în sistemul de prindere, astfel încât să o poziţionăm vertical, la

aproximativ 25cm de suprafaţa solului;

Aşezăm vasul cu nisip sub tijă;

Pentru început dăm drumul pe rând corpurilor din materiale neferoase prin tijă,

cronometrând de fiecare dată timpul necesar pentru a ajunge în vasul cu nisip;

Dăm drumul apoi magnetului, urmărind şi de această dată timpul necesar pentru a junge

în nisip. Notaţi observaţiile voastre experimentale:

......................................................................................................................................................................

Cum puteţi explica ceea ce aţi observat?

Pentru a putea să înţelegeţi fenomenul observat, folosiţi-vă de desen.

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

............................................................................................................................................