WALTENHOFEN; pendul sches LEIFIphysik

Pendulul lui WALTENHOFEN

Scopul experimentului

  • Demonstrarea modului în care funcționează o frână de curenți turbionari
  • Investigarea relației dintre forma corpului pendulului și forța de frânare
  • Discutarea avantajelor și dezavantajelor frânelor de curenți turbionari utilizate

Configurarea experimentală a pendulului lui Waltenhofen

waltenhofen

Fundația Joachim Herz

Un pendul este construit în așa fel încât corpul pendulului să se poată balansa înainte și înapoi între cele două piese polare ale unui electromagnet. Pe pendul pot fi agățate diverse corpuri de pendul, cum ar fi un cerc complet, un disc circular cu fante etc. Corpurile pendulului trebuie să fie din aluminiu, cupru sau alamă (nu feromagnetice).

execuţie

Mai întâi lăsați pendulul să se balanseze cu electromagnetul oprit. Apoi porniți electromagnetul. Repetați acest proces cu diferitele corpuri pendulare.

Implementare și explicație în videoclip

observare

Dacă porniți electromagnetul, pendulul este încetinit. Cât de mult pendulul este încetinit de câmpul magnetic în timpul oscilației depinde foarte mult de forma corpului pendulului. Corpurile închise ca un cerc complet sunt încetinite puternic. Pe de altă parte, un cerc cu fante sau o placă metalică în formă de pieptene sunt frânate foarte puțin.

Explicația efectului de frânare

Faza 1: pendulul se leagănă în câmpul magnetic

  • Dacă inelul oscilează în electromagnet, câmpul magnetic care pătrunde inelul se schimbă. Câmpul magnetic crește.
  • Aceasta induce o tensiune în inel care provoacă un curent de inducție.
  • Conform regulii lui Lenz, acest curent este direcționat în așa fel încât să inhibe cauza creării sale. Curentul de inducție curge în așa fel încât provoacă un câmp magnetic care este opus celui electromagnetului (curentul de inducție „încearcă” să restabilească starea originală, fără câmp).
  • Inelul reprezintă acum un conductor care transportă curent, care este parțial în câmpul electromagnetului. Conform regulii UVW, o forță acționează asupra ei împotriva direcției de mișcare. Inelul este frânat.

Faza 2: Pendulul este complet în câmpul magnetic

  • Dacă inelul este complet în câmpul magnetic, nu există nicio forță care acționează asupra acestuia, deoarece câmpul magnetic care pătrunde inelul nu se schimbă.

Faza 3: pendulul se leagănă din câmpul magnetic

  • Când inelul se leagănă din electromagnet, câmpul magnetic care pătrunde inelul se schimbă. Câmpul magnetic scade.
  • La rândul său, aceasta induce o tensiune în inel, ceea ce determină un curent de inducție.
  • Conform regulii lui Lenz, acest curent este dirijat în așa fel încât să inhibe cauza creării sale. Curentul de inducție curge în așa fel încât provoacă un câmp magnetic care este opus celui electromagnetului (curentul de inducție „încearcă” să restabilească starea anterioară: „Câmp magnetic prin inel”).
  • Inelul reprezintă acum un conductor care transportă curent, care se află parțial în câmpul electromagnetului. Conform regulii UVW, o forță acționează asupra ei împotriva direcției de mișcare. Inelul este frânat.

Frână de curent turbionar a unui disc circular rotativ

Fundația Joachim Herz

Ca alternativă la pendulul Waltenhofen, un disc circular ușor de rotit poate fi poziționat între polii electromagnetului astfel încât o parte a discului circular să poată fi pătrunsă de câmpul magnetic (vezi Fig. 4).

Implementare și observare

Și aici setați discul circular în rotație cu electromagnetul oprit. Scrierea se rotește aproape neamortizată. Acum porniți electromagnetul și puteți observa că rotația discului circular este puternic frânată. Se observă că efectul de frânare este inițial foarte puternic, dar scade pe măsură ce viteza de rotație scade.

evaluare

Când câmpul magnetic este pornit, curenții turbionari sunt generați pe discul circular rotativ prin inducție. Discul circular devine un conductor care transportă curent. Acest conductor care transportă curent experimentează o forță de frânare din câmpul magnetic extern.

Forța de frânare scade odată cu scăderea vitezei de rotație, deoarece cu rotația mai lentă tensiunea indusă este mai mică și curenții turbionari care apar sunt mai slabi.

Notă: Animația din Fig. 5 arată fluxul tehnic.

Avantajele și dezavantajele în comparație cu frânele convenționale

Cu ajutorul frânelor de curenți turbionari, se pot genera forțe de frânare foarte mari în timpul mișcărilor rapide. În consecință, frânele cu curenți turbionari vin de ex. pentru frânarea ICE-urilor, pentru turnuri de cădere liberă sau montane cu role. Un alt avantaj este că frânele cu curenți turbionari funcționează fără frecare și, prin urmare, practic fără uzură. Frânele cu curenți turbionari nu trebuie să fie înlocuite în mod constant. Frânele cu curent turbionar funcționează, de asemenea, în mod corespunzător, liniștite.

Cu toate acestea, frânele cu curenți turbionari generează doar forțe de frânare mari corespunzătoare, cu mișcări relativ rapide și câmpuri magnetice puternice. Frânele cu curenți turbionari nu sunt, prin urmare, nepotrivite ca frâne de parcare la parcare. În practică, frânele cu curenți turbionari sunt de obicei combinate cu frânele mecanice clasice.

Notă: Puteți găsi, de asemenea, poze și videoclipuri frumoase despre încercarea pendulului Walthenhofen pe serverul de educație din Baden-Württemberg.