Kaj se dogaja pri poskusu?

Ikona poučevalne enote

V prejšnjem poglavju smo na kratko predstavili tista poglavja iz fizike, ki so nam pomagala pri razmišljanju ob našem poskusu. Navedimo najprej dve opazki pri poteku poskusa:

- Ko v cev spustimo dovolj majhen magnet (torej tak magnet, da se ne glede na to, kako bi se v cevi obrnil, ne bi dotikal sten cevi), se magnet obrne v določeni smeri.

- Kot smo že omenili na začetku, gibanje magneta je približno enakomerno.

Za začetek navajamo našo predpostavko o vzrokih za počasno padanje magneta pri našem poskusu. Z nekaj poskusi jo bomo poskušali utemeljiti v nadaljevanju.


Ikona poučevalne enote

Razlaga poskusa

Ko magnet pada skozi cev, se v njegovi okolici spreminja gostota magnetnega polja. To pomeni, da se magnetni pretok spreminja skozi različne (namišljene) sklenjene zanke aluminijaste cevi: to so lahko bodisi kar obseg cevi (A), ali pa zanke različnih oblik na površini cevi (recimo B, C). Zaradi tega po takih zankah tečejo zaključeni inducirani tokovi. Napetost oziroma tok v neki zanki je v splošnem večji takrat, ko je magnet blizu le-te, saj se magnetni učinki z razdaljo hitro zmanjšujejo. Zanka, po kateri steče tok, se zaradi bližine magneta nahaja v magnetnem polju, torej deluje nanjo magnetna sila. Takih zank je seveda več. Zaradi tega na cev deluje sila, ki je enaka vsoti sil na vse take zanke. Smer sile na cev lahko ugotovimo z naslednjim razmislekom. Po 3. Newtonovem zakonu namreč obstaja tudi sila, ki je nasprotno usmerjena in enako velika kot sila na cev. To je lahko samo sila na magnet, ki padaj skozi cev. Sila na magnet je usmerjena navzgor, saj nasprotuje teži magneta (zato se magnet pada tako počasi). Torej mora vsota vseh sil na cev kazati navdol.

Taka razlaga je hkrati v soglasju z Lorenzevim pravilom: sila zaradi indukcije, ki deluje na magnet, nasprotuje vzroku svojega nastanka – teži magneta.

Pojav je odvisen tudi od materiala, iz katerega je palica narejena. Ker je gibanja magneta pri padanju enakomerno, se mora v vsakem primeru vzpostaviti sila, ki je po velikosti enaka teži magneta. Da se gibanje magneta ustali (postane enakomerno), je pri ceveh iz materiala z manjšo specifično upornosjo potrebna manjša inducirana napetost v namišljenih zankah, da se vzpostavi potreben tok. Inducirana napetost je povezana s spremembo magnetenega pretoka na časovno enoto, ta pa s hitrostjo padanja magneta. Skratka, pri palicah z manjšo specifično upornostjo se gibanje ustali že pri manjši hitrosti (magnet pada počasneje).

 

Pri poskusu nismo prišli do natančne rešitve problema (tj. da bi lahko povedali, kako ti tokovi tečejo oz. do kakšne natančnejše odvisnosti), smo pa poskušali vseeno čim več dejavnikov raziskati: kako vpliva na padanje debelina cevi, kako njena dolžina, kako magnetni moment magneta …

 

Za začetek si poglejmo zanimiv poskus, pri katerem se da razložiti kar nekaj zanimivih dejstev o našem poskusu.

 


Ikona poučevalne enote

Poskus s silomerom

Med meritvami smo pomislili na to, da bi lahko prišli do zanimivih rezultatov, če bi cev obesili na elektronski silomer in med izvajanjem poskusa merili silo, ki bi jo prikazovali s pomočjo programa LoggerPro. Najprej smo hoteli pokazati, da je padanje magneta enakomerno in ne pospešeno. Do še posebej zanimivih ugotovitev smo prišli, ko smo silo merili na cevi, ki je imela tanko režo.

 

Podatki o cevi: zunanji premer: 27 cm, notranji premer: 24 cm.

Na silomer, ki je bil pritrjen na stojalu na mizi, smo obesili aluminijasto cev. Ko smo vključili meritev, smo z vrha cevi previdno spustili magnet. Na zaslonu se je prikazovala časovna odvisnost sile, ki jo je meril silomer. Kot rečeno, je pomembno še to, da za razliko od večine ostalih poskusov, ki smo jih izvajali, je imela cev pri tem poskusu vzdolžno zarezo, gl. sliko.

Preden smo spustili magnet, je silomer kazal težo cevi (4,25 N). Nato smo opazili hiter porast sile pri vstopu magneta v cevi na vrednost vsote sil teže cevi in magneta (1 – približno 4,55 N). Ta vrednost se je ohranjala vse do zareze. Tu se je ponovno pokazala kratkotrajno zmanjšanje sile (2), saj je očitno na prehodu med delom cevi brez reže in delom z njo pospešil. Kmalu pa je spet dosegel enakomerno hitrost padanja, saj se je vrednost sile zopet umirila in je bila enaka kot v prvem delu padanja (približno 4,55 N).  Ko je magnet prišel do konca reže, pa je sila zopet kratkotrajno nekoliko narasla, saj se je magnet očitno upočasnil (3). Takoj zatem se je sila ponovno ustalila na isti vrednosti kot v prvem delu cevi, kar je kazalo na enakomerno padanje. Ko pa je magnet dosegel konec cevi, se je sila pričakovano zmanjšala na težo cevi same (4).

Preden smo spustili magnet, je silomer kazal težo cevi (4,25 N). Nato smo opazili hiter porast sile pri vstopu magneta v cevi na vrednost vsote sil teže cevi in magneta (1 – približno 4,55 N). Ta vrednost se je ohranjala vse do zareze. Tu se je ponovno pokazala kratkotrajno zmanjšanje sile (2), saj je očitno na prehodu med delom cevi brez reže in delom z njo pospešil. Kmalu pa je spet dosegel enakomerno hitrost padanja, saj se je vrednost sile zopet

Mimogrede naj povemo še, da smo pri opazovanju poskusa videli tudi, da se je magnet pri prehodu skozi cev vedno postavil tako, da se je s plaščem »dotikal« reže.

Iz tega poskusa sklepamo dvoje. Gibanje skozi cev je bilo v območju brez reže enakomerno, saj je vsota vseh sil na silomer takrat enaka vsoti teže cevi in magneta. Na prehodu v območje cevi z režo magnet pospeši, nato pa se njegova hitrost spet ustali (to trdimo z enakim argumentom kot prej). Očitno pa je hitrost padanja v srednjem delu cevi večja. To se sicer vidi že pri poskusu samem, lahko pa to sklepamo tudi iz zgornjega grafa: magnet pospeši (2) in se nato giba enakomerno do (3). Nova hitrost mora torej biti večja od stare. Če bi bila naša meritev še bolj točna, bi se to videlo tudi iz časov padanja v posameznih delih cevi. Vsi trije deli cevi (brez zareze, z zarezo, brez zareze) so namreč približno enako dolgi (razlika je morda za nekaj odstotkov celotne dolžine), čas padanja v srednjem delu bi tako moral biti nekoliko krajši od ostalih dveh časov padanja skozi polni cevi.

Na videoposnetku poskus zgleda takole (brez merjenja sil):

Še pogled od zgoraj:

Druga pomembna ugotovitev je, da očitno krožna smer električnih tokov, ki se vzpostavijo zaradi indukcije, ni dominantna pri našem poskusu. Ko smo začeli izvajati poskus, smo bili prepričani, da (zaradi geometrije našega problema), tokovi zagotovo tečejo (zgolj ali pa predvsem) v krožni smeri. Ta poskus pa kaže na to, da krožni tokovi niso zelo pomembni za naš poskus, saj bi v nasprotnem primeru v srednjem delu cevi magnet moral padati prosto ali pa vsaj pospeškom blizu g = 9,81 m/s2. Poskus pa seveda ne zagotavlja, da teh tokov ni med poskusom. To, da magnet na prehodu v del z režo nekoliko pospeši, se da razumeti: površina aluminijaste cevi je nekoliko manjša, zato uspe nastati manj krožnih tokov, ki povzročajo silo na cev in posledično na magnet. Pa tudi sicer bi bilo čudno, če bi v delu cevi, kjer je manj aluminija (zaradi reže), bil rezultat našega poskusa bolj izrazit.