ΠΥΚΝΩΤΕΣ

ΠΥΚΝΩΤΕΣ

ΠΥΚΝΩΤΕΣ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

 Σε πολλές από τις συσκευές που χρησιμοποιούμε στην καθημερινή ζωή,όπως τα στερεοφωνικά συγκροτήματα,οι τηλεοράσεις,οι τηλεφωνικές συσκευές,οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές, υπάρχει η ανάγκη να αποθηκεύεται κάποια ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου για ορισμένο χρονικό διάστημα και να χρησιμοποιείται την κατάλληλη χρονική στιγμή.

Ο πρώτος πυκνωτής κατασκευάστηκε στο Πανεπιστήμιο του Leyden της Ολλανδίας το 1745

 Η διάταξη με την οποία επιτυγχάνεται η αποθήκευση του ηλεκτρικού φορτίου είναι ο πυκνωτής.Ο πυκνωτής είναι μία συσκευή που χρησιμεύει ως αποθήκη ηλεκτρικού φορτίου και επομένως ηλεκτρικής ενέργειας.Αποτελείται από δύο αγωγούς που διαχωρίζονται από ένα μονωτικό υλικό. 

 Ο πρώτος πυκνωτής κατασκευάστηκε στο Πανεπιστήμιο του Leyden της Ολλανδίας το 1745.Αποτελείται από ένα γυάλινο δοχείο το οποίο έχει καλυφθεί εσωτερικά και εξωτερικά με λεπτά φύλλα μετάλλου.Ένα κατακόρυφο μεταλλικό στέλεχος που περνά από το στόμιο του δοχείου,έχει στο επάνω μέρος του ένα μεταλλικό σφαιρίδιο και είναι μονωμένο με κατάλληλο πώμα.Το κάτω άκρο του στελέχους μέσω μιας μεταλλικής αλυσίδας έρχεται σε επαφή με το εσωτερικό φύλλο του μετάλλου-αγωγού.

 Οι δυο αγωγοί (φύλλα μετάλλου) εσωτερικός και εξωτερικός αποτελούν τον πυκνωτή.Αν με μια φορτισμένη ράβδο φορτίσουμε τον εσωτερικό αγωγό αρνητικά,τότε τα ηλεκτρόνια του εξωτερικού αγωγού απωθούμενα διαφεύγουν μέσω της γείωσης και ο αγωγός φορτίζεται θετικά.Διακόπτοντας την επαφή με την ράβδο και τη γείωση έχουμε ένα φορτισμένο πυκνωτή.

ΕΠΙΠΕΔΟΣ ΠΥΚΝΩΤΗΣ-ΦΟΡΤΙΣΗ

 Τυπική μορφή πυκνωτή είναι ο επίπεδος πυκνωτής.Αποτελείται από δυο όμοια λεπτά και επίπεδα μεταλλικά φύλλα (πλάκες),που βρίσκονται σε πολύ μικρή απόσταση σε σχέση με τις διαστάσεις τους.

Ο επίπεδος πυκνωτής αποτελείται από δύο όμοια λεπτά και επίπεδα μεταλλικά φύλλα (πλάκες), που βρίσκονται σε πολύ μικρή απόσταση σε σχέση με τις διαστάσεις τους

 Τα δύο μεταλλικά φύλλα ονομάζονται οπλισμοί του πυκνωτή.Ο επίπεδος πυκνωτής είναι η μόνη διάταξη με την οποία μπορούμε να παράγουμε ομογενές ηλεκτρικό πεδίο φορτίζοντάς τον,με τη παρακάτω διαδικασία.

Πυκνωτής εμπορίου

 Έστω μια επίπεδη μεταλλική πλάκα (Α) η οποία έχει συνδεθεί με ένα ηλεκτροσκόπιο, την οποία φορτίζουμε με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο.Μία δεύτερη όμοια μεταλλική πλάκα (Β),που είναι γειωμένη,τοποθετείται κοντά στην (Α).

Συμβολισμός του επίπεδου πυκνωτή

 Η πλάκα (Β) αποκτά θετικό ηλεκτρικό φορτίο καθώς πλησιάζει την (Α),γιατί ελεύθερα ηλεκτρόνιά της, απωθούμενα από τα ηλεκτρόνια της φορτισμένης πλάκας (Α),φεύγουν προς τη Γη.

Η αύξηση του ηλεκτρικού φορτίου της πλάκας (Α) αποδεικνύεται από το πλησίασμα των φύλλων του ηλεκτροσκοπίου

 Ταυτοχρόνως, καθώς η πλάκα (Β) πλησιάζει την πλάκα (Α),διαπιστώνουμε ότι η πλάκα (Α) αποκτά όλο και μεγαλύτερο αρνητικό φορτίο.Η αύξηση του ηλεκτρικού φορτίου της πλάκας (Α) αποδεικνύεται από το πλησίασμα των φύλλων του ηλεκτροσκοπίου.Αυτό οφείλεται στη μετακίνηση ελεύθερων ηλεκτρονίων από τα φύλλα του ηλεκτροσκοπίου και του στελέχους προς τη πλάκα (Α),λόγω των ελκτικών δυνάμεων Coulomb,οι οποίες μεγαλώνουν,καθώς πλησιάζει η πλάκα (Β).

Φάσμα ηλεκτρικών δυναμικών γραμμών ομογενούς ηλεκτρικού πεδίου

  Τελικά,οι δυο οπλισμοί αλληλεπιδρώντας αποκτούν αντίθετα ηλεκτρικά φορτία +Q και -Q.Τότε λέμε ότι ο πυκνωτής είναι φορτισμένος.Η απόλυτη τιμή |Q| του φορτίου ενός από τους δύο οπλισμούς του,λέγεται φορτίο του πυκνωτή.Λόγω της ανάπτυξης ηλεκτρικού φορτίου στους αγωγούς (Α) και (Β),εμφανίζεται σε κάθε έναν από αυτούς,δυναμικό VA και VB αντίστοιχα.Η διαφορά VA-VB ή VAB ή V ονομάζεται διαφορά δυναμικού ή τάση του πυκνωτή.

ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑ ΠΥΚΝΩΤΗ

 Αν φορτίσουμε διαδοχικά έναν πυκνωτή,με φορτία Q,2Q,3Q κ.λπ. αποδεικνύεται,ότι η τάση του γίνεται αντίστοιχα V,2V,3V κ.λπ.Επομένως,το φορτίο και η τάση ενός πυκνωτή είναι μεγέθη ανάλογα.Το πηλίκο τους είναι χαρακτηριστικό μέγεθος του πυκνωτή,ονομάζεται,χωρητικότητα του πυκνωτή και συμβολίζεται με το γράμμα C.

 Χωρητικότητα C ενός πυκνωτή ονομάζεται το μονόμετρο φυσικό μέγεθος που είναι ίσο με το πηλίκο του ηλεκτρικού φορτίου Q του πυκνωτή, προς την τάση V του πυκνωτή.

                                                                                 C=Q/V                                              

 Μονάδα χωρητικότητας στο S.I. είναι το 1 F.

                                                                                 1 Farad=1 Coulomb/1 Volt

 Η χωρητικότητα ενός πυκνωτή είναι ένα πολύ χρήσιμο μέγεθος,γιατί μας πληροφορεί για το φορτίο που μπορεί να αποθηκευτεί ανά μονάδα τάσης μεταξύ των οπλισμών του.

 Η χωρητικότητα C ενός πυκνωτή δεν εξαρτάται από το φορτίο και την τάση του,αλλά εξαρτάται από το σχήμα, τις διαστάσεις και την απόσταση των οπλισμών του,καθώς και από το μονωτή (διηλεκτρικό) που παρεμβάλλεται μεταξύ των οπλισμών του.

Πίνακας 1

Υλικό	Διηλεκτρική σταθερά
κενό	1
αέρας	1,0005
νερό	80
χαρτί	3,5
μίκα	5,4
κεχριμπάρι	2,7
γυαλί	4,5
πορσελάνη	6,5
πολυαιθυλένιο	2,3

  Ο ορισμός της χωρητικότητας όπως δόθηκε από τη σχέση C=Q/V,ισχύει για κάθε μορφής πυκνωτή.Ειδικά όμως για ένα επίπεδο πυκνωτή,όταν μεταξύ των οπλισμών του υπάρχει κενό ή αέρας,αποδεικνύεται ότι η χωρητικότητά του δίνεται από τη σχέση:

                                                                                 C=ε0·S/l                                    

όπου: 
ε0 η απόλυτη διηλεκτρικά σταθερά του κενού:

                                                                                 ε0=8,85·10^-12 C²/N·m²

S το εμβαδόν οπλισμού και  
ℓ η απόσταση των οπλισμών του.

Πειραματικός έλεγχος της εξάρτησης της χωρητικότητας πυκνωτή από την απόσταση των οπλισμών του

 Αν μεταξύ των οπλισμών του πυκνωτή υπάρχει κάποιο μονωτικό υλικό (διηλεκτρικό) η χωρητικότητά του δίνεται από τη σχέση:

                                                                                 C = ε·ε0·S/l 

όπου: 

ε η σχετική διηλεκτρική σταθερά του μονωτικού υλικού που είναι καθαρός αριθμός και εξαρτάται από το μονωτικό υλικό (πίνακας I) ειδικά για το κενό ή τον αέρα είναι: 

                                                                                 ε=1

ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΦΟΡΤΙΣΜΕΝΟΥ ΠΥΚΝΩΤΗ

 Στο εργαστήριο εκτελούμε την παρακάτω διαδικασία.Φορτίζουμε ένα πυκνωτή C=25.000 μF με συνεχή τάση V= 12 V.Ο πυκνωτής συνδέεται μέσω διακόπτη με αντιστάτη αντίστασης R=100 Ω και με λαμπτήρα (με χαρακτηριστικά 6 V και 60 mA).

Ένας πυκνωτής μπορεί να φορτιστεί μέσω μιας πηγής.Ηλεκτρόνια μεταφέρονται από τον οπλισμό Α στον οπλισμό Β.Όταν η τάση γίνει ίση με τη τάση της πηγής,ο πυκνωτής φορτίστηκε

  Κλείνουμε το διακόπτη και παρατηρούμε ότι ο λαμπτήρας αρχικά φωτοβολεί και γρήγορα σβήνει.Τη διαδικασία αυτή ονομάζουμε εκφόρτιση του πυκνωτή.Από που προέρχεται η ενέργεια φωτοβολίας του λαμπτήρα;Επειδή δεν υπάρχει άλλο στοιχείο στο κύκλωμα εκτός από τον πυκνωτή,τον αντιστάτη και τον λαμπτήρα, η ενέργεια αυτή προέρχεται από το φορτισμένο πυκνωτή.

Κίνηση ηλεκτρονίων κατά τη φόρτιση πυκνωτή,μέσω ηλεκτρικής πηγής

  Πως ο πυκνωτής απέκτησε αυτή την ενέργεια;Ο πυκνωτής απέκτησε αυτή την ενέργεια κατά τη διαδικασία φόρτισης του.Αυτό συμβαίνει γιατί απαιτείται προσφορά ενέργειας για τη μεταφορά ηλεκτρικού φορτίου στους οπλισμούς του.Τα αντίθετα φορτία των δύο οπλισμών παρουσιάζουν αναλογία με ένα τεντωμένο ελατήριο.Για τη παραμόρφωση ελατηρίου απαιτείται ενέργεια,η οποία αποθηκεύεται σ' αυτό με μορφή ελαστικής δυναμικής ενέργειας.Το ελατήριο κατά την επαναφορά του στην αρχική του κατάσταση προσφέρει την αποθηκευμένη ενέργεια.

Εκφόρτιση του πυκνωτή

 Αντίστοιχα,για τη φόρτιση του πυκνωτή απαιτείται ενέργεια,η οποία αποθηκεύεται σ' αυτόν με μορφή ηλεκτρικής δυναμικήςενέργειας.Ο πυκνωτής κατά την εκφόρτισή του προσφέρει την αποθηκευμένη σ' αυτόν ενέργεια.

 Η ηλεκτρική δυναμική ενέργεια του πυκνωτή δίνεται από τη σχέση:

                                                                                 U=Q·V/2

εάν χρησιμοποιήσουμε τη σχέση ορισμού C=Q/V,έχουμε και τις ισοδύναμες:

                                                                                 U=C·V²/2                        

                                                                                 U=Q²/2C

ΣΧΕΣΗ ΜΕΤΡΟΥ ΕΝΤΑΣΗΣ ΚΑΙ ΔΙΑΦΟΡΑ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ ΣΕ ΟΜΟΓΕΝΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΣΤΑΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ

 Διαθέτουμε ένα φορτισμένο πυκνωτή του οποίου η τάση είναι V και η απόσταση των οπλισμών του.

Διαθέτουμε ένα φορτισμένο πυκνωτή του οποίου η τάση είναι V και η απόσταση των οπλισμών του

 Έστω ότι δοκιμαστικό φορτίο +q,αφήνεται αρχικά πολύ κοντά στον οπλισμό (Α).Λόγω του ομογενούς ηλεκτρικού πεδίου,το φορτίο δέχεται δύναμη F=E·q, και μετακινείται μέχρι τον οπλισμό (Β).Κατά τη μετακίνηση,η δύναμη του πεδίου παράγει έργο:

WAB=F·l                    ή   

WAB=E·q·l

 Το έργο αυτό μπορεί να υπολογισθεί από τη γνωστή μας σχέση:

 WΣ→Ρ=q·VΣΡ 

 Επομένως,από τις WAB=E·q·l και WAB=q·V έχουμε: 

E·q·l=q·V ή

                                                                                 E=V/l

 Από τη σχέση αυτή προκύπτει μια άλλη μονάδα μέτρησης της έντασης Ε του πεδίου:

                                                                                 1 V/m

  Η μονάδα 1 V/m είναι ίση με την γνωστή μονάδα 1 N/C.

ΤYΠΟΙ ΠΥΚΝΩΤΩΝ

 Οι συνηθέστερες μορφές πυκνωτών που χρησιμοποιούνται σε πρακτικές εφαρμογές είναι:

α) Πυκνωτές αέρα

 Οι πυκνωτές αυτοί αποτελούνται από δύο συστήματα μεταλλικών πλακών,που αντιστοιχούν στους δύο οπλισμούς του πυκνωτή.Οι πλάκες κάθε συστήματος είναι σε αγώγιμη σύνδεση και βρίσκονται η μία μέσα στην άλλη χωρίς να ακουμπούν μεταξύ τους.Αν το ένα σύστημα των μεταλλικών πλακών είναι ακίνητο,ενώ το άλλο μπορεί να στρέφεται,τότε έχουμε ένα μεταβλητό πυκνωτή.Η μεταβολή της χωρητικότητάς του γίνεται με τη στροφή του κινητού οπλισμού,οπότε τα ελάσματά του μπαίνουν ή βγαίνουν μέσα στα ελάσματα του ακίνητου οπλισμού.

Μεταβλητός πυκνωτής

 Οι χωρητικότητες τέτοιων πυκνωτών φθάνουν από 10-400 pF και χρησιμοποιούνται σε ραδιοφωνικούς δέκτες.(1 pF=10^-12 F)

β) Πυκνωτές με στερεά διηλεκτρικά

 Οι οπλισμοί τους αποτελούνται από πολύ λεπτά μεταλλικά φύλλα,και μεταξύ τους παρεμβάλλονται λεπτά φύλλα διηλεκτρικού (όπως χαρτί,μίκα).Τα λεπτά φύλλα του μετάλλου με το διηλεκτρικό τυλίγονται με τέτοιο τρόπο ώστε ο όγκος του πυκνωτή να είναι μικρός.

Τύλιγμα πυκνωτή με στερεό διηλεκτρικό

 Οι χωρητικότητες των πυκνωτών αυτών φθάνουν από 100 pF έως 1 μF(1 μF=10^-6 F).Χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρονικές και ηλεκτρικές συσκευές

γ) Ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές

 Αποτελούνται από δυο μεταλλικά φύλλα που χωρίζονται με χαρτί που έχει εμπλουτιστεί με διάλυμα ηλεκτρολύτη.Οι πυκνωτές αυτοί έχουν πολύ μεγαλύτερες χωρητικότητες από τους προηγούμενους.

Ηλεκτρολυτικός πυκνωτής

 Οι χωρητικότητες των πυκνωτών αυτών φθάνουν από 10-2000 μF.Χρησιμοποιούνται στο κύκλωμα εκκίνησης ηλεκτρικών κινητήρων.

ΗΛΕΚΤΡΟΣΤΑΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΗ WIMSHURST

 Όταν χρειαζόμαστε μεγάλες ποσότητες ηλεκτρικού φορτίου χρησιμοποιούμε τις ηλεκτροστατικές μηχανές.Μια γνωστή ηλεκτροστατική μηχανή είναι και η μηχανή Wimshurst.Κατασκευάστηκε από τον Άγγλο μηχανικό James Wimshurst το 1883.

Μηχανή Wimshurst

 Η μηχανή αυτή χρησιμοποιείται στα περισσότερα σχολικά εργαστήρια φυσικής.Η μηχανήμε την περιστροφή των δύο δίσκων,αναπτύσσει αντίθετα ηλεκτρικά φορτία,τα οποία αποθηκεύονται σε δύο φιάλες-πυκνωτές (τύπου Leyden).Οι δυο πυκνωτές είναι συνδεδεμένοι με δύο μεταλλικά στελέχη,που καταλήγουν σε δύο αγώγιμα σφαιρίδια.Τα σφαιρίδια καθώς λειτουργεί η μηχανή φορτίζονται με αντίθετα φορτία,όπως και οι πυκνωτές.

 Αν πλησιάσουμε τα δύο σφαιρίδια,για κατάλληλη τιμή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου μεταξύ τους (από 15000-30000 V/cm),ξεσπά ηλεκτρικός σπινθήρας.Αυτό συμβαίνει γιατί ηλεκτρόνια του αρνητικά φορτισμένου σφαιριδίου οδηγούνται μέσω του αέρα προς το θετικά φορτισμένο, με αποτέλεσμα την εκφόρτιση του συστήματος.Η εμφάνιση του σπινθήρα σημαίνει ότι κατά τη διάρκεια του φαινομένου,καταστράφηκε η «μονωτική συμπεριφορά» του ατμοσφαιρικού αέρα μεταξύ των δύο σφαιριδίων.

ΔΥΝΑΜΗ ΣΕ ΡΕΥΜΑΤΟΦΟΡΟ ΑΓΩΓΟ ΑΠΟ ΟΜΟΓΕΝΕΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ

ΔΥΝΑΜΗ ΣΕ ΡΕΥΜΑΤΟΦΟΡΟ ΑΓΩΓΟ ΑΠΟ ΟΜΟΓΕΝΕΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ

ΔΥΝΑΜΗ ΣΕ ΡΕΥΜΑΤΟΦΟΡΟ ΑΓΩΓΟ ΑΠΟ ΟΜΟΓΕΝΕΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

 Μελετήσαμε ένα ηλεκτρικό φορτίο που κινείται μέσα σε μαγνητικό πεδίο το οποίο δέχεται δύναμη από το πεδίο.Έτσι λοιπόν πρέπει και ένας ρευματοφόρος αγωγός που βρίσκεται μέσα σε μαγνητικό πεδίο θα δέχεται δύναμη από το πεδίο.Το ηλεκτρικό ρεύμα είναι το αποτέλεσμα της κίνησης πολλών φορτισμένων σωματιδίων μέσα στο αγωγό.Σε καθένα από αυτά τα σωματίδια το μαγνητικό πεδίο ασκεί δύναμη.

Ο Πιέρ Σιμόν Λαπλάς (Pierre-Simon Laplace 23 Μαρτίου 1749-5 Μαρτίου 1827) ήταν Γάλλος μαθηματικός,αστρονόμος και φιλόσοφος.Οι μελέτες του πάνω στη μηχανική του αστρονομικού συστήματος έδωσαν τεράστια ώθηση στην έρευνα του διαστήματος

 Η συνολική δύναμη που δρα πάνω σε ένα αγωγό,είναι το μακροσκοπικό αποτέλεσμα των δυνάμεων που ασκεί το μαγνητικό πεδίο σε κάθε φορτισμένο σωματίδιο που κινείται μέσα στον αγωγό.Έτσι,μπορούμε,από τη δύναμη που δέχεται ένα σωματίδιο να υπολογίσουμε τη δύναμη που δέχεται ο ρευματοφόρος αγωγός. 

Όταν ο αγωγός που βρίσκεται ανάμεσα στους πόλους του μαγνήτη διαρρέεται από ρεύμα εκτρέπεται από τη θέση ισορροπίας του.Η εκτροπή του είναι αποτέλεσμα της δύναμης που δέχεται από το μαγνητικό πεδίο

 Το ότι το μαγνητικό πεδίο ασκεί δύναμη σε έναν αγωγό που διαρρέεται από ρεύμα,μπορούμε να το διαπιστώσουμε με τη διάταξη του παραπάνω σχήματος.Ένας οριζόντιος αγωγός ισορροπεί ανάμεσα στους πόλους ενός πεταλοειδούς μαγνήτη.Όταν ο αγωγός διαρρέεται από ρεύμα μετακινείται.Αν αντιστρέψουμε τη φορά του μαγνητικού πεδίου,ο αγωγός θα μετακινηθεί  στην αντίθετη κατεύθυνση.

ΔΥΝΑΜΗ ΣΕ ΡΕΥΜΑΤΟΦΟΡΟ ΑΓΩΓΟ ΑΠΟ ΟΜΟΓΕΝΕΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ

 Θεωρούμε έναν αγωγό μήκους l μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο.Τα άκρα  του αγωγού συνδέονται μέσω διακόπτη Δ με ηλεκτρική πηγή.Προσανατολίζουμε τον αγωγό κάθετα στις δυναμικές γραμμές και τον κρεμάμε σε ένα δυναμόμετρο ακριβείας και διαβάζουμε την ένδειξή του που είναι ίση με το βάρος του αγωγού.Παρατηρούμε ότι η  ένδειξη του δυναμόμετρου  είναι ίδια  είτε ο αγωγός είναι μέσα είτε έξω από το πεδίο.

Θεωρούμε έναν αγωγό μήκους l μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο.Τα άκρα  του αγωγού συνδέονται μέσω διακόπτη Δ με ηλεκτρική πηγή.Με τη βοήθεια του δυναμόμετρου υπολογίζουμε τη δύναμη Laplace

 Στη συνέχεια,κλείνουμε το διακόπτη Δ οπότε ο αγωγός διαρρέεται από ρεύμα έντασης I μέσα στο κύκλωμα.Παρατηρούμε,τότε,ότι το δυναμόμετρο θα  δείξει μια νέα μεγαλύτερη ένδειξη.Βγάζοντας τον αγωγό από το πεδίο το δυναμόμετρο δείχνει  την αρχική ένδειξη,αν και ο αγωγός  διαρρέεται από ρεύμα.
 Καταλήγουμε στο συμπέρασμα  ότι το μαγνητικό πεδίο ασκεί στο ρευματοφόρο αγωγό μια δύναμη F ομόρροπη του βάρους του,το μέτρο της οποίας υπολογίζουμε  εύκολα από  τη διαφορά των ενδείξεων  του δυναμομέτρου.

Το μαγνητικό πεδίο ασκεί στο ρευματοφόρο αγωγό μια δύναμη F ομόρροπη του βάρους  του,το μέτρο της οποίας υπολογίζουμε  εύκολα από  τη διαφορά των ενδείξεων  του δυναμομέτρου

  Τη δύναμη αυτή ονομάζουμε δύναμη Laplace.

α) Στη συνέχεια μέσα από τον αγωγό διαβιβάσουμε ρεύμα διπλάσιας έντασης.Παρατηρούμε με  τη βοήθεια  του δυναμόμετρου,ότι διπλασιάζεται η δύναμη που  ενεργεί στον αγωγό από  το μαγνητικό πεδίο. 

β) Διπλασιάσουμε το μήκος l του αγωγού που βρίσκεται μέσα στο μαγνητικό πεδίο κρατώντας την ένταση I του ρεύματος σταθερή.Παρατηρούμε πάλι,με  τη βοήθεια  του δυναμόμετρου,ότι διπλασιάζεται η δύναμη που  ενεργεί στον αγωγό από  το μαγνητικό πεδίο.

γ) Συνεχίζοντας να πειραματιζόμαστε με τη διάταξή μας αλλάζουμε τη  φορά του ρεύματος.Διαβάζοντας την ένδειξη του δυναμόμετρου παρατηρούμε  ότι είναι μικρότερη από  το βάρος  του αγωγού.Για να συμβεί αυτό πρέπει στο ρευματοφόρο αγωγό να ασκηθεί μια δύναμη από κάτω προς  τα πάνω,να  έχει δηλαδή αντίθετη φορά προς  την αρχική. 

δ) Στη συνέχεια αρχίζουμε να στρίβουμε τον αγωγό,έτσι ώστε να είναι συνεχώς οριζόντιος σχηματίζοντας με τις δυναμικές γραμμές γωνία φ,παρατηρούμε  ότι η δύναμη Laplace ελαττώνεται και τελικά αυτή μηδενίζεται όταν ο ρευματοφόρος αγωγός γίνει παράλληλος με  τις δυναμικές γραμμές. 

ε) Κρεμάμε  το ρευματοφόρο αγωγό κάθετα στις δυναμικές γραμμές ενός σωληνοειδούς.Αν διπλασιάσουμε  την  ένταση  του ρεύματος που  διαρρέει  το σωληνοειδές, γνωρίζουμε σύμφωνα με τη σχέση Β=Κμ·4π·n·Ι  ότι διπλασιάζεται και η ένταση  του μαγνητικού πεδίου  στο  εσωτερικό  του  σωληνοειδούς.

Με τη βοήθεια του σωληνοειδούς μετράμε την ένταση του μαγνητικού πεδίου

 Με τη βοήθεια του δυναμόμετρου βλέπουμε ότι διπλασιάζεται και η δύναμη που δέχεται αυτός από το μαγνητικό πεδίο.Διαπιστώνουμε επίσης ότι το γινόμενο Β·Ι·l αριθμητικά είναι ίσο με τη δύναμη που δέχεται ο αγωγός από το μαγνητικό πεδίο. 

ΝΟΜΟΣ ΤΟΥ LAPLACE

 Με βάση όλες τις παραπάνω παρατηρήσεις μπορούμε να εξάγουμε τον ακόλουθο νόμο  του Laplace:

Όταν  ένας  ευθύγραμμος  ρευματοφόρος  αγωγός  μήκους l  βρεθεί  μέσα  σε  ομογενές μαγνητικό πεδίο,τότε αναπτύσσεται στον αγωγό μια ηλεκτρομαγνητική δύναμη

 Όταν  ένας  ευθύγραμμος  ρευματοφόρος αγωγός  μήκους l  βρεθεί μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο,τότε αναπτύσσεται στον αγωγό μια ηλεκτρομαγνητική δύναμη. 

 Το μέτρο της δύναμης  F  είναι ανάλογο:
α) με το μήκος l του ρευματοφόρου αγωγού που βρίσκεται μέσα στο μαγνητικό πεδίο,
β) με την ένταση Ι του ρεύματος που διαρρέει τον αγωγό,
γ) με  την  ένταση Β  του  μαγνητικού  πεδίου,
 Επίσης το μέτρο της δύναμης F εξαρτάται από τη γωνία φ που σχηματίζει ο  αγωγός  με  τη  διεύθυνση  των  δυναμικών  γραμμών. 

ΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΔΥΝΑΜΗΣ LAPLACE

 Η δύναμη που ασκεί το μαγνητικό πεδίο σε έναν αγωγό,ονομάζεται δύναμη Laplace.

Η δύναμη Laplace όταν η ένταση του μαγνητικού πεδίου,σχηματίζει γωνία με τον αγωγό

 Το μαγνητικό πεδίο ασκεί σε ευθύγραμμο ρευματοφόρο αγωγό που βρίσκεται μέσα σ΄ αυτό δύναμη:

                                                           F=B·I·l·ημφ

όπου:

φ η γωνία που σχηματίζει ο αγωγός με τη  διεύθυνση των  δυναμικών γραμμών.

l το μήκος του ρευματοφόρου αγωγού που βρίσκεται μέσα στο μαγνητικό πεδίο, 

Ι η ένταση του ρεύματος που διαρρέει τον αγωγό. 

Η δύναμη Laplace που ασκεί το μαγνητικό πεδίο στον αγωγό είναι κάθετη στο επίπεδο που ορίζεται από τον αγωγό και τις δυναμικές γραμμές.Η φορά της δίνεται από τον κανόνα των τριών δακτύλων του δεξιού χεριού

 Η δύναμη είναι κάθετη στο επίπεδο που ορίζεται από τον αγωγό και τις δυναμικές γραμμές,σημείο εφαρμογής το μέσον του τμήματος του αγωγού που βρίσκεται μέσα στο μαγνητικό πεδίο και η φορά της δίνεται από τον κανόνα των τριών δακτύλων του δεξιού χεριού:

 Σχηματίζουμε τρισορθογώνιο σύστημα με τα τρία δάκτυλα (αντίχειρας,δείκτης,μέσος) του δεξιού χεριού.Αν ο αντίχειρας δείχνει τη φορά του ρεύματος και ο δείκτης τη φορά του πεδίου,ο μέσος θα δείχνει τη φορά της δύναμης.

Επεξήγηση του κανόνα των τριών δακτύλων του δεξιού χεριού για τη δύναμη Laplace

 Ένας άλλος τρόπος εύρεσης της φοράς της δύναμης Laplace είναι η τεχνική της δεξιάς παλάμης.

Ένας άλλος τρόπος εύρεσης της φοράς της δύναμης Laplace είναι η τεχνική της δεξιάς παλάμης.Η διεύθυνση της δύναμης είναι κάθετη στο επίπεδο της παλάμης

 Η διεύθυνση της δύναμης είναι κάθετη στο επίπεδο της παλάμης.

ΠΕΡΙΠΤΩΣΕΙΣ ΤΗΣ ΔΥΝΑΜΗΣ LAPLACE

α) Στην περίπτωση που ο ρευματοφόρος αγωγός είναι παράλληλος στο μαγνητικό πεδίο,δηλαδή φ=0^ο ή φ=180^ο,δε δέχεται δύναμη από αυτό γιατί από τη σχέση F=B·I·l·ημφ προκύπτει:

F=B·I·l·ημφ         ή 

F=B·I·l·ημ0^ο        ή  

F=B·I·l·0             ή    

                                                                                  F=0  

και

F=B·I·l·ημφ        ή 

F=B·I·l·ημ180^ο   ή  

F=B·I·l·0             ή    

                                                                                  F=0  

β) Στην περίπτωση που ο ρευματοφόρος αγωγός είναι παράλληλος στο μαγνητικό πεδίο,δηλαδή φ=90^ο,η δύναμη που δέχεται από το πεδίο παίρνει τη μέγιστη τιμή της γιατί από τη σχέση F=B·I·l·ημφ προκύπτει:

F=B·I·l·ημφ        ή  

F=B·I·l·ημ90^ο     ή  

F=B·I·l                ή 

                                                                                  Fmax=B·I·l

γ) Στην περίπτωση που ο ρευματοφόρος αγωγός δεν είναι ευθύγραμμος,τον χωρίζουμε σε μικρά τμήματα,μήκους Δl,τόσο μικρά ώστε το καθένα από αυτά να μπορεί να θεωρηθεί ευθύγραμμο και υπολογίζουμε τη δύναμη που ασκείται σε κάθε ένα από αυτά.Η δύναμη που δέχεται ο αγωγός είναι η συνισταμένη αυτών των δυνάμεων.

ΑΠΟΔΕΙΞΗ ΤΗΣ ΣΧΕΣΗΣ F=B·I·l·ημφ

 Το κάθε φορτίο που κινείται μέσα στον αγωγό δέχεται δύναμη B·q·υ·ημφ.
 Για να βρούμε τη δύναμη που δέχεται ο αγωγός θα πολλαπλασιάσουμε τη δύναμη που δέχεται κάθε φορτίο με το συνολικό αριθμό των φορέων φορτίου μέσα στον αγωγό.Αν n είναι οι φορείς φορτίου ανά μονάδα όγκου, επειδή ο όγκος του σύρματος είναι A·l (A:η διατομή του σύρματος),ο ολικός αριθμός φορέων φορτίου είναι n·A·l.

Ένα στοιχειώδες τμήμα ρευματοφόρου αγωγού μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο.Τα ηλεκτρόνια που κινούνται στον αγωγό δέχονται δύναμη από το μαγνητικό πεδίο.H δύναμη σημειώνεται ενδεικτικά πάνω σε ένα φορτίο

 H ολική δύναμη που δέχεται ο αγωγός είναι:

                                                                             F=n·A·l·B·q·υ·ημφ

 Όμως το γινόμενο n·A·q·υ δίνει το ρεύμα που διαρρέει τον αγωγό.Πράγματι, η ταχύτητα των φορέων γράφεται υ=Δx/Δt οπότε n·A·q·υ=n·A·q·Δx/Δt.

 Το γινόμενο A·Δx δίνει τον όγκο του τμήματος του αγωγού μήκους Δx,οπότε το γινόμενο n·A·Δx είναι ο ολικός αριθμός φορέων σ΄ αυτό το τμήμα του αγωγού και το q·n·A·Δx είναι το ολικό φορτίο ΔQ που μετακινείται στο τμήμα Δx του αγωγού:

                                                              n·Α·q·υ=n·A·q·Δx/Δt=ΔQ/Δt=Ι 

και η σχέση F=n·A·l·B·q·υ·ημφ γίνεται F=B·I·l·ημφ.

ΟΡΙΣΜΟΣ ΕΝΤΑΣΗΣ ΟΜΟΓΕΝΟΥΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ

ΟΡΙΣΜΟΣ ΕΝΤΑΣΗΣ ΟΜΟΓΕΝΟΥΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

 Στη φυσική για να ορίσουμε την ένταση  του βαρυτικού πεδίου,σαν υπόθεμα θεωρούμε  τη μάζα ενώ για να ορίσουμε την ένταση  του ηλεκτρικού πεδίου,σαν υπόθεμα θεωρούμε  το ηλεκτρικό φορτίο.

Για να ορίσουμε την ένταση  του ηλεκτρικού πεδίου,σαν υπόθεμα θεωρούμε  το ηλεκτρικό φορτίο

 Όμως στο μαγνητισμό,για να ορίσουμε την ένταση,σαν υπόθεμα θεωρούμε το κινούμενο ηλεκτρικό φορτίο αφού αρκετά χρόνια,έχει εγκαταλειφθεί η έννοια της ποσότητας μαγνητισμού.

ΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΕΝΤΑΣΗΣ ΟΜΟΓΕΝΟΥΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ

 Ο ορισμός του μέτρου της έντασης Β του μαγνητικού πεδίου ορίζεται από τον τύπο του νόμου  του Laplace F=B·I·l·ημφ στην περίπτωση που ο αγωγός είναι κάθετος στις δυναμικές γραμμές του πεδίου.

Το μέτρο της έντασης μαγνητικού πεδίον  είναι ίσο με το πηλίκο της δύναμης Laplace που ασκείται σε ευθύγραμμο ρευματοφόρο αγωγό προς το γινόμενο της έντασης I του ρεύματος επί το μήκος l του αγωγού που βρίσκεται μέσα σε μαγνητικό πεδίο,όταν αυτός τοποθετηθεί κάθετα στις δυναμικές γραμμές

  Τότε ημφ=ημ90^ο=1 και B=FL/Ι·l.
 Το μέτρο της έντασης μαγνητικού πεδίου είναι ίσο με το πηλίκο της δύναμης Laplace που ασκείται σε ευθύγραμμο ρευματοφόρο αγωγό προς το γινόμενο της έντασης I του ρεύματος επί το μήκος l του αγωγού που βρίσκεται μέσα σε μαγνητικό πεδίο,όταν αυτός τοποθετηθεί κάθετα στις δυναμικές γραμμές,δηλαδή:

                                 B=FL/Ι·l

 Με τη βοήθεια μίας μαγνητικής βελόνας μπορούμε να προσδιορίσουμε την κατεύθυνση  της έντασης  του μαγνητικού πεδίου.

ΜΟΝΑΔΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΤΑΣΗΣ ΟΜΟΓΕΝΟΥΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ

 Το Tesla (1 Τ) είναι μονάδα μέτρησης της έντασης μαγνητικού πεδίου,στο διεθνές σύστημα μονάδων (SI).

Το Tesla (1 Τ) είναι μονάδα μέτρησης της έντασης μαγνητικού πεδίου,στο διεθνές σύστημα μονάδων (SI)

 Η μονάδα ορίστηκε το 1960 προς  τιμή του Κροάτη φυσικού και εφευρέτη Nicola Tesla (1856-1943),ο οποίος πραγματοποίησε πολύ σημαντικές εργασίες πάνω στον ηλεκτρισμό και τον μαγνητισμό στις αρχές του 20ου αιώνα. 

Ο Νίκολα Τέσλα (σερβ. Никола Тесла),10 Ιουλίου 1856-7 Ιανουαρίου 1943) ήταν Κροάτης φυσικός,εφευρέτης,μηχανολόγος και ηλεκτρολόγος μηχανικός,ένας από τους σημαντικότερους φυσικούς στην ιστορία της επιστήμης.

 Ένα Tesla είναι η ένταση του ομογενούς μαγνητικού πεδίου το οποίο ασκεί δύναμη 1 Ν σε ευθύγραμμο αγωγό,που έχει μήκος 1 m,όταν διαρρέεται από ρεύμα έντασης 1 Α και βρίσκεται μέσα στο πεδίο τέμνοντας κάθετα τις δυναμικές γραμμές του.

  Ένα Τέσλα ισοδυναμεί με ένα Νιούτον ανά μέτρο ανά Αμπέρ (N/A·m) ή με ένα Βέμπερ ανά τετραγωνικό μέτρο (Wb/m²).
 Η μονάδα Τέσλα μπορεί να εκφραστεί με τους παρακάτω τρόπους: