WALTENHOFEN; sches kyvadlo LEIFIphysik

WALTENHOFENOVO kyvadlo

Cieľ experimentu

  • Ukážka toho, ako funguje brzda na vírivý prúd
  • Skúmanie vzťahu medzi tvarom tela kyvadla a brzdnou silou
  • Diskusia o výhodách a nevýhodách používaných bŕzd na vírivý prúd

Experimentálne nastavenie Waltenhofenovho kyvadla

leifiphysik

Nadácia Joachima Herza

Kyvadlo je skonštruované takým spôsobom, aby sa teleso kyvadla mohlo hojdať tam a späť medzi dvoma pólmi elektromagnetu. Na kyvadlo je možné zavesiť rôzne telesá kyvadiel, ako napríklad plný kruh, štrbinový kruhový disk atď. Telesá kyvadla by mali byť vyrobené z hliníka, medi alebo mosadze (nie feromagnetické).

exekúcia

Najskôr necháte kyvadlo kyvať s vypnutým elektromagnetom. Potom zapnete elektromagnet. Tento postup opakujete s rôznymi telami kyvadla.

Implementácia a vysvetlenie vo videu

pozorovanie

Ak zapnete elektromagnet, kyvadlo sa spomalí. To, ako veľmi je kyvadlo brzdené magnetickým poľom počas pretáčania, veľmi závisí od tvaru tela kyvadla. Uzavreté telá ako celý kruh sú silne spomalené. Na druhej strane štrbinový kruh alebo kovová platňa v tvare hrebeňa sú brzdené len veľmi mierne.

Vysvetlenie brzdného účinku

Fáza 1: Kyvadlo sa pohybuje v magnetickom poli

  • Ak krúžok kmitá v elektromagnetu, mení sa magnetické pole, ktoré krúžkom preniká. Zvyšuje sa magnetické pole.
  • To indukuje v krúžku napätie, ktoré spôsobuje indukčný prúd.
  • Podľa Lenzovho pravidla je tento prúd smerovaný takým spôsobom, že brzdí príčinu jeho vzniku. Indukčný prúd tečie tak, že spôsobuje magnetické pole, ktoré je opačné ako elektromagnetické pole (indukčný prúd sa „pokúša“ obnoviť pôvodný stav bez poľa).
  • Krúžok teraz predstavuje vodič prenášajúci prúd, ktorý je čiastočne v poli elektromagnetu. Podľa pravidla UVW na ňu pôsobí sila proti smeru pohybu. Krúžok je zabrzdený.

Fáza 2: Kyvadlo je úplne v magnetickom poli

  • Ak je krúžok úplne v magnetickom poli, nepôsobí na neho žiadna sila, pretože magnetické pole, ktoré preniká krúžkom, sa nemení.

Fáza 3: Kyvadlo sa vychyľuje z magnetického poľa

  • Keď sa krúžok vyklopí z elektromagnetu, zmení sa magnetické pole, ktoré krúžkom preniká. Magnetické pole klesá.
  • To zase indukuje napätie v krúžku, ktoré spôsobuje indukčný prúd.
  • Podľa Lenzovho pravidla je tento prúd smerovaný takým spôsobom, že brzdí príčinu jeho vzniku. Indukčný prúd prúdi takým spôsobom, že spôsobuje magnetické pole, ktoré je opačné ako elektromagnetické pole (indukčný prúd sa „pokúša“ obnoviť predchádzajúci stav: „Magnetické pole cez krúžok“).
  • Krúžok teraz predstavuje vodič prenášajúci prúd, ktorý je čiastočne v poli elektromagnetu. Podľa pravidla UVW na ňu pôsobí sila proti smeru pohybu. Krúžok je zabrzdený.

Brzda na vírivý prúd rotujúceho kruhového kotúča

Nadácia Joachima Herza

Ako alternatívu k Waltenhofenovmu kyvadlu možno medzi póly elektromagnetu umiestniť ľahko otočný kruhový disk, aby bolo možné do kruhového disku preniknúť magnetickým poľom (pozri obr. 4).

Implementácia a pozorovanie

Aj tu nastavíte kruhový disk do rotácie s vypnutým elektromagnetom. Písanie sa otáča takmer bez tlmenia. Teraz zapnete elektromagnet a môžete pozorovať, že rotácia kruhového disku je silne brzdená. Je zrejmé, že brzdný účinok je spočiatku veľmi silný, ale klesá s klesajúcou rýchlosťou otáčania.

hodnotenie

Po zapnutí magnetického poľa sa v rotujúcom kruhovom disku indukciou vytvárajú vírivé prúdy. Kruhový disk sa stáva vodičom prenášajúcim prúd. Tento vodič prenášajúci prúd zažíva brzdnú silu z vonkajšieho magnetického poľa.

Brzdná sila klesá so znižujúcou sa rýchlosťou rotácie, pretože pri pomalšej rotácii je indukované napätie nižšie a tým pádom sú aj slabé vírivé prúdy slabšie.

Poznámka: Animácia na obr. 5 zobrazuje technický tok.

Výhody a nevýhody v porovnaní s bežnými brzdami

Pomocou bŕzd s vírivými prúdmi možno pri rýchlych pohyboch vytvárať veľmi veľké brzdné sily. Podľa toho sa používajú brzdy na vírivý prúd, napríklad na brzdenie ICE, vo voľných pádoch alebo na horských dráhach. Ďalšou výhodou je, že brzdy na vírivý prúd pracujú bez trenia a teda prakticky bez opotrebenia. Brzdy na vírivý prúd nemusia byť neustále vymieňané. Zodpovedajúcim spôsobom ticho fungujú aj brzdy na vírivý prúd.

Brzdy na vírivý prúd však vytvárajú iba zodpovedajúco veľké brzdné sily s relatívne rýchlymi pohybmi a silnými magnetickými poľami. Brzdy na vírivý prúd preto nie sú vhodné ako parkovacie brzdy pri parkovaní. V praxi sa brzdy na vírivý prúd zvyčajne kombinujú s klasickými mechanickými brzdami.

Poznámka: Na školskom serveri v Bádensku-Württembersku nájdete tiež krásne obrázky a videá so skúšaním kyvadla Walthenhofen.