Laboratorium elektromagnetyczne Faradaya

Zagadnienia

• Prawo Faradaya
• Prawo Lenza
• Siła elektromotoryczna
• Indukcja

Opis

Symulacja Laboratorium elektromagnetyczne Faradaya umożliwia uczniom eksperymentowanie z magnesami i cewkami w celu poznania prawa Faradaya.

PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, https://phet.colorado.edu Na licencji CC BY 4.0

W opracowaniu niniejszego poradnika wykorzystano materiały PhET: Strona źródłowa symulacji, Teacher Tips (Rouinfar, lipiec 2024)

W szablonie strony wykorzystano kod html/css: phydemo.app.

Poziom

Szkoła podstawowa, szkoła średnia

Przykładowe cele nauczania

• Przewiduj kierunek pola magnetycznego w różnych miejscach wokół magnesu sztabkowego i elektromagnesu.
• Porównaj i zestaw magnesy sztabkowe i elektromagnesy.
• Identyfikuj cechy elektromagnesów, które są zmienne i wpływ każdej z tych zmiennych na wielkość i kierunek pola magnetycznego.
• Ilościowo i jakościowo powiąż indukcję pola magnetycznego z odległością.
• Określ warunki powodujące indukcję elektromagnetyczną.
• Porównaj i skontrastuj sposób, w jaki żarówka i woltomierz pokazują charakterystykę indukowanego prądu.
• Przewiduj, jak zmieni się indukowany prąd, gdy zmienią się warunki eksperymentu.

Przykładowe materiały teoretyczne

• Cechy linii pola magnetycznego (ZPE)
• Prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya (ZPE)
• Podsumowanie wiadomości o magnetyzmie i elektromagnetyzmie (ZPE)
• Istota zjawiska indukcji elektromagnetycznej (ZPE)
• Zjawisko indukcji elektromagnetycznej i jego związek ze względnym ruchem magnesu i zwojnicy oraz ze zmianą natężenia prądu w elektromagnesie (ZPE)
• Prąd indukcyjny (ZPE)
• Siła elektromotoryczna indukcji (ZPE)
• Wzbudzanie przepływu prądu elektrycznego (ZPE)
• Powstawanie prądu indukcyjnego - doświadczenia (ZPE)
• Indukcja elektromagnetyczna (OpenStax)
• Co to jest prawo Faradaya? (Khan Academy)
• Prawo indukcji Faradaya (Open AGH)
• Czym jest pole magnetyczne? (OpenStax)
• Magnetyzm, pole magnetyczne i prawo Faradaya (Khan Academy)

Sterowanie symulacją

Eksperymentuj z magnesami i cewkami, aby poznać prawo Faradaya. Zmierz kierunek i wielkość pola magnetycznego. Indukuj prąd w cewce odbiorczej, aby zapalić żarówkę i zmieniaj siłę magnesu, liczbę zwojów i powierzchnię zwoju. Poznaj zastosowania prawa Faradaya w elektromagnesach, transformatorach i generatorach.

Ekran Magnes sztabkowy (link bezpośredni)

Poznaj oddziaływania między kompasem a magnesem sztabkowym. Zmieniaj siłę magnesu i zobacz, jak zmienia się sytuacja wewnątrz i na zewnątrz. Użyj miernika pola, aby zmierzyć zmiany pola magnetycznego.

Ekran Cewka (link bezpośredni)

Poruszaj magnesem, aby indukować prąd w cewce odbiorczej. Zmieniaj parametry magnesu i cewki i mierz SEM indukcji za pomocą woltomierza lub żarówki.

Ekran Elektromagnes (link bezpośredni)

Użyj baterii do wytworzenia pola magnetycznego i znajdź sposoby na wzmocnienie tego pola. Eksperymentuj ze źródłem prądu przemiennego, aby wytworzyć oscylujące pole magnetyczne.

Ekran Transformator (link bezpośredni)

Przekształć napięcie z elektromagnesu na inne napięcie w cewce odbiorczej. Zbadaj wiele parametrów, które powodują zmianę strumienia w celu wytworzenia sygnału w cewce odbiorczej.

Ekran Generator (link bezpośredni)

Poznaj zasady działania generatora prądu. Określ, jak zmaksymalizować jasność świecenia żarówki.

Złożone sterowanie

• Funkcja blokady do osi ustawi (elektro)magnes i cewkę odbiorczą na tej samej osi i zapobiegnie ich przemieszczaniu się w pionie.
• Użyj klawiatury, aby poruszać magnesem/cewkami ze stałą prędkością. Więcej informacji znajdziesz w Skrótach klawiaturowych.

Opcje dostosowywania

Poniższe parametry query umożliwiają dostosowanie symulacji i można je dodać, dołączając znak '?' do adresu URL symulacji i oddzielając każdy parametr query znakiem '&'. Ogólny wzorzec adresu URL to: …html?queryParameter1&queryParameter2&queryParameter3

Na przykład, jeśli w symulacji Laboratorium elektromagnetyczne Faradaya chcesz uwzględnić tylko pierwszy i drugi ekran (screens=1,2), z domyślnie otwartym drugim ekranem (initialScreen=2), użyj: https://www.edukator.pl/simulations/faradays-electromagnetic-lab_all.html?screens=1,2&initialScreen=2

Aby uruchomić to w języku polskim (locale=pl), adres URL będzie wyglądał następująco: https://www.edukator.pl/simulations/faradays-electromagnetic-lab_all.html?locale=pl&screens=1,2&initialScreen=2

Wskazuje, że dostęp do tego dostosowania można uzyskać też z menu Preferencje, Opcje... lub w samej symulacji.

Parametr query i opis	Przykładowe linki
magneticUnits - określa jednostki indukcji magnetycznej, T dla Tesli lub G dla gausów (domyślnie).	magneticUnits=T
currentFlow - określa reprezentację prądu, umowną conventional lub elektronową electron (domyślnie).	currentFlow=conventional
addEarthCheckbox - gdy true, dodaje pole wyboru do ekranu magnesu sztabkowego, aby wyświetlić Ziemię nad magnesem. Wartość domyślna to false.	addEarthCheckbox=true
earthHemisphere - gdy zaznaczona jest opcja Ziemia, wyświetla półkulę wschodnią eastern lub zachodnią western (domyślnie).	addEarthCheckbox=true&earthHemisphere=eastern
screens - określa, które ekrany są włączone do symulacji i jaka jest ich kolejność. Każdy ekran powinien być oddzielony przecinkiem. Więcej informacji można znaleźć w Centrum pomocy.	screens=2,1 screens=1
initialScreen - otwiera kartę SIM bezpośrednio na określonym ekranie, z pominięciem ekranu głównego.	initialScreen=1 initialScreen=2
locale - określa język symulacji przy użyciu kodów ISO 639-1. Dostępne wersje językowe można znaleźć na stronie symulacji w zakładce Tłumaczenia. Uwaga: działa to tylko wtedy, gdy adres URL symulacji kończy się na “_all.html”.	locale=pl (polski) locale=fr (francuski)
audio - jeśli muted, dźwięk jest domyślnie wyciszony. Jeśli disabled, cały dźwięk jest trwale wyłączony.	audio=muted audio=disabled
colorProfile - zmienia kolory symulacji dla łatwiejszej projekcji. Pole wyboru dostępne także w menu PhET w obszarze Preferencje > Tryb projektora.	colorProfile=projector
allowLinks - jeśli false, wyłącza linki, które prowadzą uczniów do zewnętrznego adresu URL. Domyślnie jest true.	allowLinks=false
supportsPanAndZoom - gdy false, uniemożliwia przesuwanie i powiększanie symulacji za pomocą pinch-to-zoom lub elementów sterujących zoomem przeglądarki. Domyślnie jest true.	supportsPanAndZoom=false

Menu Preferencje

Po kliknięciu ikony menu Preferencje otworzy się okno, w którym w odpowiednich sekcjach możemy zaznaczyć żądane opcje:

W sekcji Symulacja możemy dokonać wyboru jednostek indukcji magnetycznej, wskaźników prądu i dodać opcję wyboru Ziemi.

Jeżeli zaznaczymy Tryb projektora, ułatwiający projekcję, nastąpi wtedy odwrócenie kolorów, tak jak na zrzucie ekranu poniżej

Gdy adres URL symulacji kończy się na "_all.html", dodatkowo pojawia się sekcja Lokalizacja, w której możemy dokonać wyboru języka:

Ułatwienia dostępu

Sterowanie za pomocą klawiatury - skróty klawiszowe

Generalnie sterujemy symulacją za pomocą myszy lub dotyku. Alternatywnie uczniowie mogą też nawigować i sterować elementami interaktywnymi za pomocą klawiatury. Po kliknięciu otworzy się okno z listą obsługiwanych skrótów.

Przy aktywnych ekranach Magnes sztabkowy, Cewka, Elektromagnes i Transformator:

Przy aktywnym ekranie Generator:

Tryb pełnego ekranu

Po kliknięciu logo PhET (na dole po prawej) pojawia się okno zawierające informacje dotyczące symulacji. Możemy tu zmienić sposób jej wyświetlania.

Klikając Pełny ekran przechodzimy do trybu pełnoekranowego (powrót - klawisz escape).

Wersje offline, niewymagające połączenia z internetem

Dostępne są również wersje symulacji niewymagające połączenia z internetem.

Aplikacja PhET Desktop zawiera wszystkie symulacje HTML5 i Java, w tym ich tłumaczenia, do użytku offline w systemach Windows i macOS (dostępne po zalogowaniu tu). Symulacje HTML5 nie wymagają dodatkowego oprogramowania, natomiast do uruchamiania dowolnych symulacji Java w aplikacji komputerowej jest wymagany Java SE Development Kit 8.

Za symboliczną opłatą możemy pobrać w postaci jednej aplikacji wszystkie materiały PhET, które zostały opublikowane w html5. Telefony, tablety i Chromebooki (z systemem Android): Google Play. iPhone'y i iPady (aplikacja na iOS): App Store

Darmową wersję desktopową tej aplikacji pobierzemy bezpośrednio klikając tu - wersja _pl zawiera polską (domyślną) i angielską wersję językową i tu - wersja _all zawiera angielską (domyślną) i wszystkie inne dostępne wersje językowe lub ze strony PhET (klikając przycisk ze strzałką przy wybranej wersji językowej):

Uproszczenia / założenia modelu

• Pokazujemy przepływ elektronów, który jest zgodny z regułą lewej dłoni. Elektrony poruszają się w kierunku przeciwnym do kierunku umownego prądu, który jest definiowany jako przepływ (wyimaginowanych) ładunków dodatnich. Aby zamiast tego przedstawić prąd umowny, należy skorzystać z preferencji Przepływ prądu.
• Model ten działa jedynie w oparciu o indukowaną siłę elektromotoryczną. Cewki i źródła prądu nie mają rezystancji. Dlatego zmiana liczby pętli w elektromagnesie nie spowoduje zmiany prędkości elektronów w cewce.
• Model jest skalibrowany w celu optymalizacji jasności żarówki i pomiarów galwanometru dla każdego ekranu osobno.
• Miernik pola wydaje się znajdować przed magnesem i cewkami, ale mierzy wewnątrz nich. Jest on umieszczony na wierzchu, aby zapewnić, że odczyty są zawsze widoczne.
• Gdy Ziemia jest wyświetlana nad magnesem sztabkowym, magnetyczny biegun południowy pokrywa się z geograficznym biegunem północnym. Jednakże bieguny geograficzne i magnetyczne nie pokrywają się idealnie.
• Igła kompasu wyświetla kierunek pola magnetycznego, a jej zachowanie różni się w zależności od ekranu:
• Magnes sztabkowy i Cewka: Zachowuje się jak prawdziwy kompas - igła ustawia się zgodnie z polem w czasie i wykazuje bezwładność, prędkość kątową, przyspieszenie kątowe i chybotanie. Jednak podczas pomiaru na szczycie magnesu sztabkowego kompas natychmiast ustawia się w linii z polem.
• Elektromagnes i Transformator: Igła ustawia się w linii z polem w czasie, aż zmiana kąta spadnie poniżej ustalonego progu, a następnie ustawia się natychmiast.
• Generator: Igła natychmiast ustawia się w linii z polem.
• Aby zasymulować opór turbiny spowodowany przez cewkę odbiorczą ("siła przeciwelektromotoryczna"), stosujemy współczynnik oporu do obrotów turbiny, który jest liniowo proporcjonalny do generowanej siły elektromotorycznej. Maksymalny współczynnik oporu wynosi 0,2.
• Więcej informacji dotyczących założeń modelu można uzyskać tu (en)

Sugestie dotyczące wykorzystania

Wskazówki dotyczące wszystkich symulacji zawarte są w informacjach ogólnych.

Więcej porad dotyczących korzystania z symulacji z uczniami można znaleźć na stronach PhET w sekcji Wskazówki dotyczące korzystania z PhET.

Przykładowe polecenia

• Przewiduj kierunek pola magnetycznego w różnych miejscach wokół magnesu sztabkowego i elektromagnesu.
• Opisz, co dzieje się z polem magnetycznym, gdy oddalasz się od magnesu.
• Znajdź wszystkie sposoby na zwiększenie jasności świecenia żarówki.
• Zidentyfikuj cechy elektromagnesów, które są zmienne i określ wpływ każdej z nich na wartość i kierunek pola magnetycznego.
• Porównaj i skontrastuj magnes sztabkowy i elektromagnes.
• Przewiduj, co się stanie z jasnością żarówki, gdy liczba zwojów w cewce odbiorczej zostanie zmniejszona o połowę, ale prędkość magnesu pozostanie taka sama.
• Porównaj i skontrastuj sposób, w jaki żarówka i woltomierz mogą być wykorzystane do pokazania charakterystyki indukowanego prądu.

Zobacz wszystkie opublikowane na stronach PhET aktywności dla Laboratorium elektromagnetyczne Faradaya tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).