Ένα συνδυαστικό τέταρτο θέμα

Το ορθογώνιο πλαίσιο Π του σχήματος είναι τοποθετημένο παράλληλα προς τις δυναμικές γραμμές ομογενούς μαγνητικού πεδίου έντασης 0,2 Τ, ανάμεσα σε δύο ισχυρούς μαγνήτες. Αποτελείται από n = 60 σπείρες συνολικής ωμικής αντίστασης R = 0,5 Ω και με διαστάσεις α = 6 cm μήκος και β = 4 cm πλάτος. Οι ακροδέκτες του, συνδέονται με ηλεκτρική πηγή τάσης 10 V και διαρρέεται από ρεύμα έντασης i.

Το πλαίσιο μπορεί να περιστρέφεται γύρω από ακλόνητο άξονα από μονωτικό υλικό στον οποίο είναι στερεωμένη μια τροχαλία ακτίνας r = √3 cm. Γύρω από αυτήν είναι τυλιγμένο ένα αβαρές νήμα, που είναι δεμένο στο ένα άκρο οριζόντιας ομογενούς ράβδου Ρ μάζας m και μήκους L = 9 cm. Η ράβδος Ρ είναι αρθρωμένη στο αριστερό της άκρο Α και στη θέση Β με δύο παράλληλες, αμελητέας μάζας, ράβδους μήκους ℓ = 0,1 m, οι οποίες, στην κατάσταση ισορροπίας που περιγράφεται στο σχήμα, έχουν εκτραπεί κατά 60^ο από την κατακόρυφο.

Α. Δεδομένου ότι το σύστημα πλαίσιο – ράβδος ισορροπεί:

α. Να χαρακτηρίσετε τους πόλους των δύο μαγνητών.

β. Να βρείτε τη ροπή των δυνάμεων πάνω στο πλαίσιο.

γ. Να υπολογίσετε τη μάζα m της ράβδου Ρ.

Β. Κάποια στιγμή κόβουμε το νήμα.

α. Να βρείτε τη μέγιστη γωνιακή ταχύτητα των παράλληλων ράβδων και της ράβδου Ρ. Τριβές αμελητέες.

β. Δείξτε ότι ο λόγος F₁/F₂ των μέτρων των δυνάμεων που ασκούν οι παράλληλοι ράβδοι στη ράβδο Ρ, είναι ανεξάρτητος από τη θέση της και υπολογίστε τον.

Γ. Στην έναρξη της κίνησης της ράβδου Ρ να βρείτε:

α. Τα μέτρα των δυνάμεων F₁ και F₂.

β. Τη γωνιακή επιτάχυνση των παράλληλων ράβδων.

     Δίνεται g = 10 m/s². 

Η απάντηση σε pdf  
Η απάντηση σε word

Ζεύγος δυνάμεων σε τριγωνικό πλαίσιο και μεταβολή τάσης

Ένα αγώγιμο ομογενές και ισοπαχές πλαίσιο σε σχήμα ισόπλευρου τριγώνου πλευράς α = 0,02 m αναρτάται από ακλόνητο στήριγμα με τη βοήθεια ενός αβαρούς σχοινιού, έτσι ώστε να κρέμεται σε κατακόρυφο επίπεδο μεταξύ των πόλων ενός ισχυρού πεταλοειδούς μαγνήτη, που παράγει ένα οριζόντιο ομογενές μαγνητικό πεδίο 0,1 Τ με διεύθυνση παράλληλη προς το επίπεδο του πλαισίου. Τα άκρα της βάσης του τριγώνου συνδέονται με ηλεκτρική πηγή και διακόπτη. Κάποια στιγμή κλείνουμε τον διακόπτη και το πλαίσιο τροφοδοτείται με ρεύμα έντασης i = 3 A, όπως στο σχήμα.

α) Να δείξετε ότι στην αρχική αυτή θέση το πλαίσιο δέχεται ζεύγος δυνάμεων.

β) Να υπολογίσετε τη ροπή του παραπάνω ζεύγους.

γ) Εξαιτίας της ροπής των δυνάμεων που ενεργούν πάνω του, το τρίγωνο αρχίζει να περιστρέφεται, Πόσο μεταβάλλεται η τάση του σχοινιού στη διάρκεια που το πλαίσιο περιστρέφεται από την αρχική του θέση ως τη θέση όπου γίνεται κάθετο στις δυναμικές γραμμές του μαγνητικού πεδίου;

(Τα σύρματα σύνδεσης του πλαίσιου με την πηγή είναι αρκετά χαλαρά και αμελητέου βάρους ώστε να μην ασκούν δυνάμεις πάνω στο πλαίσιο). 

Απάντηση σε pdf: 

Απάντηση σε word:

Πτώση μαγνήτη μέσα από πηνίο

Ένας κυλινδρικός μαγνήτης αφήνεται ελεύθερος από κάποιο ύψος. Όπως φαίνεται στο σχήμα, ο βόρειος πόλος του μαγνήτη βρίσκεται στο κάτω άκρο του και ο νότιος πόλος στην κορυφή. Ο μαγνήτης κινείται προς τα κάτω κατά μήκος του κατακόρυφου άξονα ενός ακλόνητα στερεωμένου πηνίου. Τα άκρα του πηνίου  συνδέονται με ένα αμπερόμετρο. Υποθέστε ότι ο μαγνήτης ξεκινάει από μεγάλη απόσταση από το πηνίο, διέρχεται μέσα από αυτό και συνεχίζει την πτώση του μέχρι να απομακρυνθεί σε μεγάλη απόσταση από το πηνίο. Σε όλη τη διάρκεια της πτώσης του διατηρείται κατακόρυφα προσανατολισμένος, όπως ακριβώς τον αφήσαμε, με τον νότιο πόλο στην κορυφή του και τον βόρειο πόλο στο κάτω μέρος.

α) Αν θεωρήσουμε θετική την προς τα πάνω ροή των μαγνητικών γραμμών, και θετικό το ρεύμα στις σπείρες αν είναι αντίθετο προς τη φορά των δεικτών του ρολογιού, (όπως το βλέπουμε από πάνω), ποιο από τα παρακάτω γραφήματα, 

 αντιπροσωπεύει καλύτερα:

i. Τη γραφική παράσταση της μαγνητικής ροής μέσα από το πηνίο σε συνάρτηση με το χρόνο;

ii. Τη γραφική παράσταση της έντασης του ρεύματος στο πηνίο σε συνάρτηση με το χρόνο;

β) Υποθέστε ότι στη συνέχεια ανεβάζουμε με σταθερή ταχύτητα τον μαγνήτη, μετατοπίζοντάς τον πάνω στην ίδια, με αυτήν της πτώσης του, κατακόρυφο, από μια θέση πολύ πιο κάτω από το πηνίο ως μια θέση πολύ πιο πάνω από αυτό, χωρίς να του αλλάξουμε προσανατολισμό. Ποιο από τα προηγούμενα γραφήματα αντιπροσωπεύει καλύτερα:

i. Τη γραφική παράσταση της μαγνητικής ροής μέσα από το πηνίο σε συνάρτηση με το χρόνο;

ii. Τη γραφική παράσταση της έντασης του ρεύματος στο πηνίο σε συνάρτηση με το χρόνο;

γ) Αν διπλασιάσουμε τον αριθμό των σπειρών του πηνίου, χωρίς να αλλάξουμε την ταχύτητα, πώς θα αλλάξει το γράφημα της έντασης του ρεύματος με το χρόνο στην πιο πάνω περίπτωση;

Βλήμα διέρχεται μέσα από δύο παράλληλα μεταξύ τους πηνία

[Μια ευρεσιτεχνία από το 1949 για τη μέτρηση ταχύτητας βλήματος μέχρι 6 km/s]

Ένας μηχανισμός, βασισμένος στην επαγόμενη ΗΕΔ, έχει χρησιμοποιηθεί για να μετρήσει ταχύτητες βλήματος μέχρι 6 km /s. Ένας μικρός μαγνήτης είναι ενσωματωμένος στο βλήμα όπως φαίνεται στο σχήμα. Το βλήμα διέρχεται από δύο παράλληλα μεταξύ τους πηνία, που χωρίζονται από απόσταση d. Καθώς το βλήμα διέρχεται από κάθε πηνίο, προκαλείται εξ’ επαγωγής ένας παλμός ρεύματος. Το χρονικό διάστημα μεταξύ των παλμών αυτών μπορεί να μετρηθεί με ακρίβεια με ένα παλμογράφο και έτσι η ταχύτητα μπορεί να προσδιοριστεί.

α) Να δικαιολογήσετε την εμφάνιση των παλμών ρεύματος και να σχεδιάσετε σε κοινό διάγραμμα, με ελεύθερη εκτίμηση, την ένδειξη των αμπερομέτρων σε σχέση με το χρόνο t.  Θεωρείστε ένα ρεύμα που ρέει αριστερόστροφα, όπως φαίνεται από το σημείο εκκίνησης του βλήματος, ως θετικό. Στο γράφημά σας, υποδείξτε ποιος παλμός είναι από το πηνίο 1 και ποιος είναι από το πηνίο 2.

β) Εάν η χρονική διαφορά εμφάνισης των παλμών είναι Δt = 2 ms και η απόσταση των πηνίων είναι d = 2 m, να υπολογίσετε την ταχύτητα του βλήματος; 

Μαγνήτης κινούμενος επί του άξονα ενός κυκλικού πλαισίου 1ο.

[Πώς μεταβάλλονται η μαγνητική ροή και η ΗΕΔ από επαγωγή αν ένας μεγάλου μήκους μαγνήτης πλησιάζει με σταθερή ταχύτητα προς ένα κυκλικό βρόχο, διέρχεται και απομακρύνεται από αυτόν;]

 Ένας μακρύς κυλινδρικός μαγνήτης μήκους L και ακτίνας α φέρει στο εσωτερικό του ομογενές μαγνητικό πεδίο Β παράλληλο προς τον άξονά του. Πλησιάζει με σταθερή ταχύτητα υ, από σχετικά μεγάλη απόσταση, προς ένα κυκλικό αγώγιμο πλαίσιο ελαφρώς μεγαλύτερης διαμέτρου, κινούμενος διαρκώς κάθετα προς αυτό, με τον άξονά του να ταυτίζεται με τον άξονα του πλαισίου.  Διέρχεται μέσα από το πλαίσιο και συνεχίζει απομακρυνόμενος σε μεγάλη απόσταση.

α) Ποιο από τα πλαϊνά  διαγράμματα μπορεί να παριστάνει τη μεταβολή της μαγνητικής ροής με το χρόνο;

β) Να παραστήσετε γραφικά, με ελεύθερη εκτίμηση, την ΗΕΔ που επάγεται στο πλαίσιο σε συνάρτηση με το χρόνο. Θεωρείστε θετική τη μαγνητική ροή, η οποία οφείλεται στις δυναμικές γραμμές που διέρχονται μέσα από το πλαίσιο με φορά από δεξιά προς αριστερά. (Το διάνυσμα Α είναι το χαρακτηριστικό διάνυσμα της επιφάνειας του πλαισίου)

Ισορροπία πλαίσιου σε μαγνητικό πεδίο

[Ένα πλαίσιο, που διαρρέεται από ρεύμα και δεν είναι κάθετο σε ομογενές μαγνητικό πεδίο, δέχεται ροπή]

Ένα ορθογώνιο επίπεδο πλαίσιο, με διαστάσεις d = 10 cm και ℓ = 20 cm, βρίσκεται σε οριζόντιο επίπεδο, όπως φαίνεται στο σχήμα. Ο άξονας περιστροφής του πηνίου είναι ευθυγραμμισμένος στη διεύθυνση βορρά - νότου. Διαρρέεται από ρεύμα i = 1 A και βρίσκεται σε ένα ομογενές μαγνητικό πεδίο με φορά από δυτικά προς ανατολικά. Μάζα m = 50 g κρέμεται από τη μία πλευρά του πλαίσιου. Προσδιορίστε την ένταση που πρέπει να έχει το μαγνητικό πεδίο για να κρατήσει το πλαίσιο  στον οριζόντιο προσανατολισμό. Δίνεται g = 10 m/s².

Απάντηση:

Μια δύναμη Laplace ιδιαίτερη

 Ένας ισχυρός ραβδόμορφος μαγνήτης τοποθετείται κάτω από έναν οριζόντιο αγώγιμο δακτύλιο ακτίνας r, που διαρρέεται από ρεύμα έντασης Ι, όπως φαίνεται στο σχήμα. Ο άξονας του μαγνήτη συμπίπτει με τον άξονα συμμετρίας του δακτυλίου. Αν η ένταση του μαγνητικού πεδίου του μαγνήτη, στην περιοχή της περιφέρειας του δακτυλίου, έχει μέτρο Β και η κατεύθυνσή της σχηματίζει γωνία θ με την κατακόρυφο, (α) ποιο είναι το μέτρο και (β) ποια είναι η κατεύθυνση της προκύπτουσας μαγνητικής δύναμης στον δακτύλιο;  

Πηγή: Serway/Jewett

Πώς θα συμπεριφερθούν δύο κατακόρυφοι κυκλικοί αγωγοί

Δύο κατακόρυφοι κυκλικοί αγωγοί με περίπου ίσες διαμέτρους είναι τοποθετημένοι σε κάθετα μεταξύ τους επίπεδα όπως φαίνεται στο σχήμα.

α) Πώς θα συμπεριφερθούν οι αγωγοί εάν διαβιβάσουμε σε καθένα από αυτούς ρεύμα με φορά που υποδεικνύεται από τα βέλη; 

β) Ν απαντήσετε στο ίδιο ερώτημα αν το ένα από τα δύο ρεύματα, έστω το Ι2,  έχει αντίστροφη φορά από αυτήν του σχήματος.

Απάντηση:

Πηνίο, ρεύμα και ακίνητος μαγνήτης

 Ένα πηνίο πολλών σπειρών από λεπτό σύρμα, διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα και κρέμεται όπως φαίνεται στο σχήμα. Ένας λεπτός οριζόντιος μαγνήτης έρχεται κοντά στο πηνίο.

Τι θα συμβεί στο πηνίο σε αυτή την περίπτωση αν η φορά του ρεύματος που διαρρέει τις σπείρες του είναι αυτή που φαίνεται στο σχήμα;

Απάντηση:

Με ποια δύναμη αλληλεπιδρούν τα ρεύματα ενός ευθύγραμμου κι ενός κυκλικού αγωγού;

Ένας ευθύγραμμος αγωγός διαρρέεται από ρεύμα έντασης I₂ και είναι τοποθετημένος κατά μήκος του άξονα ενός κυκλικού αγωγού που διαρρέεται από ρεύμα έντασης Ι₁ .

Με ποια δύναμη αλληλεπιδρούν τα ρεύματα; 

Απάντηση:

Ελάττωση του μήκους ενός μαλακού ελατηρίου εξαιτίας του Μ.Π του ρεύματος

Ένα μαλακό σπειροειδές ελατήριο κρέμεται ελεύθερα. Το κάτω άκρο του ελατηρίου βυθίζεται σε ένα κύπελλο με υδράργυρο. Το ελατήριο και το κύπελλο συνδέονται με μία πηγή συνεχούς ρεύματος όπως φαίνεται στο σχήμα.

Τι θα συμβεί στο ελατήριο μετά το κλείσιμο του κυκλώματος από έναν διακόπτη δ;

Απάντηση:

Η περίεργη συμπεριφορά ενός ελεύθερου ρευματοφόρου αγωγού πάνω από ένα μαγνήτη

Ένας ευθύγραμμος ρευματοφόρος αγωγός είναι τοποθετημένος πάνω από τους πόλους ενός πεταλοειδούς μαγνήτη όπως φαίνεται στο σχήμα. Ο αγωγός μπορεί να κινηθεί ελεύθερα προς όλες τις κατευθύνσεις.

Τι θα συμβεί στον αγωγό κάτω από τη δράση του πεδίου του μαγνήτη εάν το ρεύμα έχει την κατεύθυνση που δείχνει το βέλος; 

 Απάντηση:

Ρεύμα σε πηνίο και μαγνήτης με κοινό άξονα

Τι θα συμβεί στον μόνιμο ευθύγραμμο μαγνήτη αν τα άκρα του σωληνοειδούς συνδεθούν με τους πόλους μια πηγής όπως στο σχήμα;

Απάντηση: 

Μαγνήτες και πηνία σε σχετική κίνηση πάνω σε κοινό άξονα

Να σχεδιάσετε τη φορά του επαγόμενου ρεύματος

α) στο πηνίο και

β) στον κυκλικό αγωγό

Να αιτιολογήσετε σε κάθε περίπτωση τη φορά του ρεύματος που επιλέξατε. 

Απάντηση:

Προς τα πού θα περιστραφεί η μαγνητική βελόνα (1ο)

Σε ένα επίπεδο κυκλικό  δίσκο τοποθετούμε μια ποσότητα αρνητικού ηλεκτρικού φορτίου και στη συνέχεια τον θέτουμε σε ταχεία περιστροφή γύρω από οριζόντιο άξονα που έχει την κατεύθυνση ανατολής – δύσης. Το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από το φορτίο στο δίσκο μπορούμε να το ανιχνεύσουμε με τη βοήθεια μίας μαγνητικής βελόνας  που τοποθετείται πάνω από το δίσκο όπως φαίνεται στο σχήμα.

 Η βελόνα αρχικά, πριν την περιστροφή του δίσκου, ισορροπεί  κατά τη διεύθυνση βορρά – νότου (υπό τη επίδραση του γήινου μαγνητικού πεδίου). Προσδιορίστε την κατεύθυνση προς την οποία εκτρέπεται η βελόνα αν ο δίσκος περιστρέφεται κατά τη φορά που φαίνεται στο σχήμα. 

Απάντηση:

Προς τα πού θα περιστραφεί η μαγνητική βελόνα (2ο)

. Μερικές φορές τα ρεύματα μετρούνται με τη βοήθεια του λεγόμενου «εφαπτόμενου γαλβανόμετρου». Αυτό αποτελείται από μια μικρή μαγνητική βελόνα αιωρούμενη από ένα ελαφρύ νήμα που είναι τοποθετημένη στο κέντρο ενός κυκλικού αγωγού. Το επίπεδο του κυκλικού αγωγού είναι κατακόρυφο με προσανατολισμό βορρά - νότου. Έτσι αρχικά ο άξονας της μαγνητικής βελόνας ταυτίζεται με την οριζόντια διάμετρο του κυκλικού αγωγού. Προσδιορίστε τη γωνία κατά την οποία θα περιστραφεί και θα ισορροπήσει η μαγνητική βελόνα του γαλβανόμετρου αν περάσει ένα ρεύμα I = 10 A κατά μήκος του κυκλικού αγωγού. Δίνεται η ακτίνα του κυκλικού αγωγού R = 10 cm και η οριζόντια συνιστώσα του γήινου μαγνητικού πεδίου Β_h = 2π· 10^-5 T,  k_μ­= 10^-7 . Δίνεται k_μ = 10^-7 Ν/Α². 

Απάντηση:

Προς τα πού θα περιστραφεί η μαγνητική βελόνα (3ο)

 Ένα ρεύμα Ι διαβιβάζεται κατά μήκος του δακτυλίου του εφαπτόμενου γαλβανόμετρου στο προηγούμενο πρόβλημα, το οποίο δημιουργεί ένα πεδίο έντασης 10^-5 Τesla στο κέντρο του δακτυλίου. Περιστρέφουμε σιγά – σιγά τον δακτύλιο και παρατηρούμε ότι το ίδιο κάνει και η μαγνητική βελόνα. Προσδιορίστε τη γωνία κατά την οποία πρέπει να περιστραφεί ο δακτύλιος έτσι ώστε η βελόνα να ισορροπήσει  στο επίπεδο αυτού του δακτυλίου. 

Απάντηση:

Προς τα πού θα περιστραφεί η μαγνητική βελόνα (4ο)

Το σχήμα απεικονίζει έναν αγωγό με μια μαγνητική βελόνα που αρχικά ισορροπεί παράλληλα προς αυτόν ακριβώς από κάτω. Κάποια στιγμή διαβιβάζουμε ρεύμα στον αγωγό.

Α. Ποια θα είναι η κατεύθυνση του ρεύματος αν ο νότιος πόλος της βελόνας εκτραπεί προς τον αναγνώστη;

Β. Τι θα συμβεί στην εκτροπή της βελόνας, εάν η τελευταία τοποθετηθεί πάνω στον αγωγό; 

Απάντηση:

Ρεύμα και μαγνητικό πεδίο σε ευθύγραμμους και πεταλοειδείς ηλεκτρομαγνήτες

  Προσδιορίστε την πολικότητα των ηλεκτρομαγνητών στο σχήμα (α) και τη φορά του ρεύματος στα σύρματα του σχήματος (β).

(Προσέξτε την περιέλιξη στους δύο βραχίονες του πεταλοειδούς ηλεκτρομαγνήτη)

Απάντηση: