Εναλλακτήρας

Ένα πλαίσιο γυρίζει μέσα σε μαγνητικό πεδίο και στα άκρα του εμφανίζεται τάση που αλλάζει συνεχώς πολικότητα. Αυτό ακριβώς κάνει κάθε γεννήτρια ρεύματος. Δύο γραφικές δείχνουν την ίδια στροφή από δύο μεριές, η μαγνητική ροή που περνά από το πλαίσιο και η τάση που παράγεται, με μία χρυσή γραμμή να τις διαπερνά και τις δύο. Μια τρίτη γραφική δείχνει πώς μεγαλώνει η τάση όταν γυρίζεις το πλαίσιο πιο γρήγορα. Ανοίγει σε υπολογιστή και σε κινητό, δωρεάν και χωρίς λογαριασμό.

Τι μπορείς να αλλάξεις

Συχνότητα περιστροφής f. Πόσες πλήρεις στροφές κάνει το πλαίσιο σε ένα δευτερόλεπτο. Είναι το μόνο μέγεθος που αλλάζει ταυτόχρονα και το πλάτος της τάσης και την περίοδο. Αν η άσκησή σου δίνει στροφές ανά λεπτό, διαίρεσε με 60 για να πας σε Hz.

Σπείρες N. Κάθε σπείρα προσθέτει τη δική της τάση, οπότε το N πολλαπλασιάζει το αποτέλεσμα χωρίς να πειράζει το σχήμα της καμπύλης.

Μαγνητικό πεδίο B και εμβαδόν πλαισίου A. Ανεβάζουν και τα δύο τη μέγιστη ροή ΒΑ, άρα και την τάση. Πρόσεξε τις μονάδες του εμβαδού: ένα πλαίσιο 50 cm × 20 cm δεν είναι 1000, είναι 0,1 m².

Τι να προσέξεις

Όταν η ροή μηδενίζεται, η τάση είναι μέγιστη. Αυτή είναι η καρδιά της ενότητας και το πιο συχνό λάθος. Ο νόμος του Faraday δεν μετρά την τιμή της ροής, μετρά τον ρυθμό με τον οποίο αλλάζει. Στη γραφική της ροής, εκεί που η καμπύλη κόβει τον άξονα έχει και τη μεγαλύτερη κλίση της.

Η γωνία θ είναι η γωνία της κάθετης, όχι του επιπέδου. Το θ = ωt μετριέται ανάμεσα στην κάθετη του πλαισίου και τις δυναμικές γραμμές. Γι' αυτό, όταν το επίπεδο του πλαισίου είναι παράλληλο στο πεδίο, το θ είναι 90 μοίρες και η ροή μηδέν.

Το τιρκουάζ βέλος στη σκηνή είναι η ροή. Δεν είναι διακοσμητικό, είναι η προβολή της κάθετης πάνω στις γραμμές του πεδίου. Δες το να κονταίνει καθώς το πλαίσιο γυρίζει και να σβήνει εντελώς τη στιγμή που το πορτοκαλί βέλος της τάσης φτάνει στο μέγιστο.

Η μέση τιμή της τάσης σε ακέραιες περιόδους είναι μηδέν. Η καμπύλη είναι εξίσου πάνω και κάτω από τον άξονα. Γι' αυτό στο εναλλασσόμενο δεν μιλάμε ποτέ για μέση τιμή, μιλάμε για ενεργό τιμή.

Το πλάτος της τάσης είναι ανάλογο της συχνότητας. Στην τρίτη γραφική το βλέπεις ως ευθεία από την αρχή. Διπλασίασε το f και το V διπλασιάζεται, ενώ η μέγιστη ροή ΒΑ δεν αλλάζει καθόλου.

Σύνδεση με τις Πανελλαδικές

Ο εναλλακτήρας είναι μέσα στην εξεταστέα ύλη και τα ερωτήματα που πέφτουν είναι σταθερά: υπολόγισε το πλάτος της τάσης V = ΝωΒΑ, γράψε την εξίσωση της τάσης σε συνάρτηση με τον χρόνο, βρες σε ποια θέση του πλαισίου η τάση μηδενίζεται και σε ποια κορυφώνεται.

Το σενάριο μέσα στη σελίδα είναι η άσκηση 5.47 του σχολικού βιβλίου: πλαίσιο 100 σπειρών, 50 cm × 20 cm, μέσα σε πεδίο 0,02 T, με 900 στροφές το λεπτό. Πάτησέ το και δες το V να βγαίνει 18,85 V, δηλαδή τα 18,84 V της απάντησης του βιβλίου, που δουλεύει με π = 3,14.

Στα θέματα πολλαπλής επιλογής η αγαπημένη παγίδα είναι η θέση όπου το πλαίσιο έχει το επίπεδό του παράλληλο στις δυναμικές γραμμές. Η διαίσθηση λέει μηδενική τάση επειδή η ροή είναι μηδέν. Είναι ακριβώς η αντίθετη απάντηση.

Συχνές ερωτήσεις

Γιατί στο t = 0 η τάση είναι μηδέν και όχι μέγιστη;

Επειδή το βιβλίο ξεκινά τη μέτρηση του χρόνου με το επίπεδο του πλαισίου κάθετο στο B. Εκεί η ροή έχει τη μέγιστη τιμή της, ΒΑ, και μια ποσότητα στο μέγιστό της δεν αλλάζει, οπότε η τάση είναι μηδέν. Ένα τέταρτο της περιόδου αργότερα ισχύει το αντίστροφο.

Η άσκησή μου δίνει στροφές ανά λεπτό. Τι βάζω στον δρομέα;

Διαίρεσε με 60. Οι 900 στροφές το λεπτό είναι 15 στροφές το δευτερόλεπτο, δηλαδή f = 15 Hz, και από εκεί ω = 2πf.

Η άσκησή μου ζητά ενεργό τιμή. Τη δείχνει η προσομοίωση;

Όχι, η προσομοίωση δείχνει το πλάτος V = ΝωΒΑ. Η ενεργός τιμή είναι αυτό διαιρεμένο με τη ρίζα του 2, δηλαδή Vεν = V/√2. Το ίδιο ισχύει και για την ένταση.

Γιατί η ροή δίνεται ανά σπείρα και όχι για όλο το πλαίσιο;

Επειδή έτσι φαίνεται καθαρά ότι το N μπαίνει από τον νόμο του Faraday και όχι από τη γεωμετρία. Με N σπείρες η συνολική ροή είναι ΝΒΑσυνωt και η τάση ΝωΒΑημωt. Η ένδειξη «μέγιστη ροή ΒΑ» αφορά πάντα μία σπείρα.

Το εργαλείο είναι δωρεάν και θα μείνει δωρεάν

Αν θες να δουλέψεις μεθοδικά όλη τη Φυσική Προσανατολισμού, με σειρά και με ασκήσεις: Δες το μάθημα Φυσικής Γ Λυκείου