Induktion: hvad sker der, når en magnet falder gennem en spole?
Når en magnet bevæger sig gennem en spole, opstår der en spænding i spolen. Det er det princip, som generatorer i vindmøller og kraftværker bygger på. Eleverne slipper en stangmagnet ned gennem et papirrør med en spole om, og en trådløs spændingssensor viser den korte puls som graf. Derefter ændrer de én ting ad gangen: faldhøjden, antallet af vindinger og hvilken pol der vender nedad.
Hvordan afhænger den inducerede spænding af magnetens fart, antallet af vindinger og magnetens retning?
Det skal I bruge
| Vare | Varenr. | Antal og formål |
|---|---|---|
| Spændingssensor, trådløs (PASCO PS-3211A) | PS-3211A | 1 pr. gruppe |
| Elevspole 200 vindinger | 300000 | 1 pr. gruppe (200 vindinger) |
| Elevspole 400 vindinger | 300001 | 1 pr. gruppe (400 vindinger) |
| Elevspole 800 vindinger | 300002 | 1 pr. gruppe (800 vindinger) |
| Stavmagnet, 10 cm (par) | 320000 | 1 par pr. gruppe |
| Sikkerhedsledning, 100 cm, rød | 311100 | 1 pr. gruppe, hvis sensorens ledninger ikke rækker |
| Sikkerhedsledning, 100 cm, sort | 311101 | 1 pr. gruppe, hvis sensorens ledninger ikke rækker |
| Stativfod A-fod med stang | 000110 | 1 pr. gruppe |
| Stativklemme m. muffe | 001032 | 1 pr. gruppe |
| Meterstok, træ | 192610 | 1 pr. gruppe |
| SPARKvue 5 (gratis download) | 900902 | Gratis app til tablet eller computer |
Andet udstyr: et A4-ark rullet til et rør, der passer gennem spolens hul og er bredt nok til magneten; tape; en svamp, et viskestykke eller lidt skumgummi som blødt underlag; tablet eller computer med SPARKvue.
Sikkerhed
Stangmagneter kan klemme fingrene, hvis de smækker sammen, og de kan knække, hvis de falder på et hårdt bord. Læg et blødt underlag under spolen, og grib magneten, inden den rammer gulvet. Hold magneterne væk fra telefoner, betalingskort og computere. Forsøget bruger kun den spænding, spolen selv laver, så der er ingen strømforsyning i spil.
Sådan gør I
- Rul et A4-ark til et rør, der netop kan stikkes gennem spolens hul, og tape det sammen. Magneten skal kunne falde frit gennem røret.
- Sæt røret lodret i stativet med spolen om den nederste del, og læg et blødt underlag under røret.
- Forbind spændingssensoren til spolens to bøsninger. Tænd sensoren, åbn SPARKvue, vælg Graf og sæt målefrekvensen til 500 Hz.
- Start målingen, og slip magneten med nordpolen nedad fra kanten af røret. Stop målingen, lige efter magneten er faldet igennem.
- Aflæs den største positive og den største negative spænding, og skriv dem i skemaet.
- Vend magneten, så sydpolen er nedad, og gentag. Hvad sker der med grafen?
- Slip magneten fra 10, 20 og 30 cm over spolen (forlæng røret), og sammenlign toppene.
- Skift til en spole med flere eller færre vindinger, og gentag fra samme højde.
Med PASCO-sensor
Den trådløse spændingssensor (PS-3211A) kan måle 500 gange i sekundet, og det er nødvendigt, fordi pulsen kun varer en brøkdel af et sekund. I SPARKvue kan eleverne zoome ind på pulsen, aflæse toppunkterne med koordinatværktøjet og finde arealet under grafen med statistikværktøjet. I gymnasiet kan data eksporteres og integreres numerisk i Python.
Hvad sker der?
Rundt om en magnet er der et magnetfelt. Når magneten nærmer sig spolen, bliver der mere og mere magnetfelt gennem vindingerne, og når den fjerner sig igen, bliver der mindre. En ændring i magnetfeltet gennem en spole inducerer en spænding. Det kaldes induktion.
Spændingen er størst, når ændringen sker hurtigt. Derfor giver en magnet, der falder fra en større højde, højere toppe. Hver vinding bidrager med sin egen lille spænding, så dobbelt så mange vindinger giver omtrent dobbelt så stor spænding.
Pulsen har to toppe med modsat fortegn: én når magneten kommer ind, og én når den forlader spolen. Den anden top er størst, fordi magneten har fået mere fart. Vendes magneten, bytter toppene fortegn. I gymnasiet kan sammenhængen beskrives med Faradays induktionslov, ε = −N·dΦ/dt, og arealet under hver top svarer til ændringen i den magnetiske flux gange N.
Spørgsmål til eftertanke
- Hvorfor har grafen både en positiv og en negativ top?
- Hvad skete der med toppene, da I vendte magneten?
- Hvordan ændrede toppene sig med faldhøjden, og hvorfor?
- Hvordan afhang spændingen af antallet af vindinger?
- Hvor i hverdagen bruger vi induktion til at lave elektricitet?
Til læreren
Kontrollér før timen, at stangmagneten kan falde frit gennem papirrøret og spolens hul. Er hullet for smalt, kan en mindre magnet bruges. Papirrøret sikrer, at magneten falder lige og samme vej hver gang.
Eleverne vil ofte se, at den negative top er større end den positive (eller omvendt), og det er en god anledning til at tale om, at magneten accelererer under faldet. Lad eleverne forudsige, hvad der sker, før de vender magneten eller skifter spole.
I gymnasiet kan eleverne bestemme arealet under hver top. De to arealer er omtrent lige store med modsat fortegn, fordi fluxen først stiger og derefter falder til nul igen. Med Python kan data eksporteres som CSV og integreres numerisk med en simpel sum af rektangler eller med trapezmetoden.
Vejledningen er udarbejdet af LabDidakt. Læreren skal altid selv vurdere sikkerheden ved forsøget i sin klasse og følge skolens retningslinjer og sikkerhedsdatabladene for de kemikalier, der bruges.
