СПОСОБ ДЕМОНСТРАЦИИ ЯВЛЕНИЯ УНИПОЛЯРНОЙ ИНДУКЦИИ
METHOD OF DEMONSTRATING UNIPOLAR INDUCTION PHENOMENON

Изобретение относится к способам демонстрации явлений, изучаемых физикой, в частности явления электромагнитной индукции и конкретно ее частного случая - униполярной индукции в учебном процессе.
Явление электромагнитной индукции состоит в возникновении электродвижущей силы (ЭДС) в замкнутом проводящем контуре, помещенном в магнитное поле, при относительном движении замкнутого проводящего контура и магнитного поля. Проявлением возникновения этой ЭДС является появление индукционного тока в замкнутом проводящем контуре.
Явление униполярной индукции применяется в технике, например в генераторах постоянного тока, и, в частности, при создании вооружения. Явление униполярной индукции используют для получения постоянной ЭДС индукции. Указанное явление используют для разъяснения смысла закона электромагнитной индукции. При его демонстрации невозможно достоверно указать все элементы, составляющие замкнутый проводящий контур.
Известен способ демонстрации явления униполярной индукции, заключающийся в приведении во вращение вокруг своей продольной оси симметрии с постоянной скоростью цилиндрического постоянного магнита с полюсами на торцах, имеющего проводящий стержень, закрепленный на одном из его торцов и размещенный на продольной оси симметрии магнита, и регистрации наличия индукционного тока измерительным прибором, соединенным соответствующими проводниками со скользящими контактами с проводящим стержнем и боковой поверхностью магнита (см. Тамм И.Е. Основы теории электричества. - М.: Наука, 1976, С 541). В указанном способе демонстрации явления униполярной индукции измерительный прибор и два проводника со скользящими контактами являются неподвижными частями замкнутого проводящего контура. Недостатком предложенного способа является отсутствие возможности указания места наведения ЭДС униполярной индукции в замкнутом проводящем контуре.
Известен способ демонстрации явления униполярной индукции, заключающийся в приведении во вращение с постоянной скоростью вокруг своей продольной оси симметрии цилиндрического постоянного магнита с полюсами на торцах, регистрации наличия индукционного тока в неподвижных элементах замкнутого проводящего контура измерительным прибором, соединенным с боковой поверхностью магнита проводниками со скользящими контактами, разнесенными вдоль боковой поверхности магнита (см. Поль Р.В. Учение об электричестве. - М.: Физматгиз, 1962, С.114). В указанной демонстрации измерительный прибор и два проводника со скользящими контактами являются неподвижными частями замкнутого проводящего контура.
Недостатком предложенного способа является отсутствие возможности установления места наведения ЭДС индукции в замкнутом проводящем контуре.
Целью предлагаемого изобретения является способ демонстрации явления униполярной индукции, позволяющий установить место наведения ЭДС униполярной индукции.
В предлагаемом способе демонстрации для достижения указанной цели постоянный цилиндрический магнит со сквозным осевым отверстием приводят сначала во вращение с постоянной скоростью вокруг его продольной оси симметрии, регистрируют наличие индукционного тока в неподвижной части замкнутого проводящего контура, затем прекращают вращение цилиндрического постоянного магнита и замыкают его полюса внутри магнита замыкающим элементом из ферромагнитного материала, и приводят магнит с замыкающим элементом во вращение с постоянной скоростью.
На чертеже представлена схема элементов для демонстрации явления униполярной индукции на этапе установления места возникновения ЭДС униполярной индукции, где 1 - постоянный цилиндрический магнит; 2 - части замыкающего элемента; 3 - монтажные провода; 4 - микроамперметр (регистратор наличия индукционного тока); 5 - скользящие контакты.
Для демонстрации явления униполярной индукции предлагаемым способом в качестве источника магнитного поля использован постоянный цилиндрический магнит 1 с полюсами на торцах и со сквозным осевым отверстием для размещения частей замыкающего элемента для замыкания полюсов магнита. Постоянный цилиндрический магнит 1 в представленном описании демонстрации собран из кольцевых ферритовых магнитов с токопроводящим покрытием из медной фольги, закрепленной на боковой поверхности магнита.
Замыкающий элемент в представленном описании демонстрации содержит две одинаковые части 2, выполненные из магнитомягкого материала, например стали 3. Каждая часть 2 выполнена в виде цилиндра с диском на одном торце. У цилиндра наружный диаметр меньше внутреннего диаметра осевого отверстия цилиндрического постоянного магнита, высота равна половине высоты цилиндрического постоянного магнита, а внешний диаметр диска равен наружному диаметру постоянного цилиндрического магнита. Высота диска зависит от выбранного материала для изготовления частей 2. Диски указанных цилиндров в сборке примыкают к полюсам постоянного цилиндрического магнита 1 снаружи, а другие их торцы соединены между собой внутри его сквозного осевого отверстия.
В представленном способе демонстрации неподвижными элементами замкнутого контура являются микроамперметр (регистратор наличия индукционного тока) 4 и два обычных монтажных провода 3 со скользящими контактами 5, соединяющими микроамперметр 4 с боковой поверхностью постоянного цилиндрического магнита 1. Один скользящий контакт 5 проводника 3 размещен на боковой поверхности магнита вблизи его торца, а другой - вблизи середины боковой поверхности магнита для получения максимального индукционного тока. Скользящие контакты в представленной в описании демонстрации представляют собой пластины, выполненные из пружинистой стали с нанесенным слоем меди в местах контакта с боковой поверхностью магнита для предотвращения возникновения термоЭДС от нагрева за счет трения скользящего контакта о боковую поверхность магнита. Скользящие контакты установлены друг над другом в плоскости, перпендикулярной горизонтальной поверхности демонстрационного стола, закреплены на диэлектрическом основании, которое закреплено на лабораторной стойке.
Постоянный цилиндрический магнит 1 и описанные неподвижные элементы 3, 4, 5 замкнутого проводящего контура представляют собой элементы модели униполярной машины.
-7
-7
Перед демонстрацией постоянный магнит 1 помещают в зажимной патрон, установленный на оси двигателя, закрепленного на демонстрационном столе. Зажимной патрон выполнен в виде цилиндрического стакана из немагнитного материала с тремя зажимными винтами для центрирования магнита 1. Ось двигателя перпендикулярна горизонтальной поверхности демонстрационного стола. На демонстрационном столе установлен микроамперметр 4 с проводниками 3 со скользящими контактами 5 в виде пластин, один конец которых закреплен на лабораторной стойке, а другой размещен на боковой поверхности постоянного цилиндрического магнита 1. Двигатель приводит в равномерное вращательное движение вокруг своей оси постоянный цилиндрический магнит 1. Микроамперметр 4 показывает наличие индукционного тока. Чувствительность микроамперметра 4 зависит от геометрических размеров магнита, его индукции и скорости вращения. Например, при выполнении цилиндрического магнита из 5 колец из феррита с размерами: наружный диаметр - 60 мм, внутренний диаметр - 25 мм, высота колец - 9 мм, и вращении магнита со скоростью 1100 оборотов в минуту был использован микроамперметр М 122 с ценой деления 1×10 А, который показал ток 15×10 А (стрелка микроамперметра отклонилась на 15 делений). На этом этапе демонстрации обнаруживают индукционный ток в неподвижных проводниках 3, соединенных с боковой поверхностью цилиндрического магнита 1 при его вращении. Далее вращение магнита 1 прекращают, вынимают из зажимного патрона магнит 1, затем замыкают его полюса с помощью частей 2 замыкающего элемента, тем самым уменьшая внешнее поле магнита 1, и устанавливают магнит 1 с замыкающим элементом в зажимной патрон, снова приводят магнит 1 во вращение. Стрелка микроамперметра 4 не отклоняется от нуля. При замыкании магнитных полюсов внешнее магнитное поле постоянного цилиндрического магнита 1 полностью не устраняется, поэтому при использовании более чувствительного микроамперметра 4 можно обнаружить индукционный ток. Отсутствие индукционного тока на этапе демонстрации с применением постоянного цилиндрического магнита 1 с замкнутыми полюсами доказывает, что ЭДС униполярной индукции при вращении постоянного цилиндрического магнита 1 возникает в неподвижных элементах замкнутого проводящего контура: в проводах 3 со скользящими контактами 5, соединяющих микроамперметр 4 с боковой поверхностью постоянного цилиндрического магнита 1. Таким образом, в представленном способе демонстрации явления униполярной индукции на модели униполярной машины в выбранной системе отсчета вначале регистрируют появление индукционного тока в неподвижных элементах замкнутого проводящего контура, вызванного электрическим полем, появившимся из-за вращения (движения) магнитного поля постоянного цилиндрического магнита 1 вследствие вращения магнита 1 вокруг своей продольной оси симметрии. А затем после замыкания полюсов магнита 1 с помощью частей 2 замыкающего элемента регистрируют отсутствие индукционного тока из-за ослабления внешнего магнитного поля постоянного цилиндрического магнита 1, и отсутствие индукционного тока в этом случае указывает на то, что местом возникновения ЭДС униполярной индукции являются неподвижные элементы замкнутого проводящего контура.