Η διάταξη του σχήματος είναι σε κατακόρυφο επίπεδο, οι κατακόρυφοι αλουμινένοι αγωγοί ΑΔ και ΓΖ συνδέονται στα σημεία Α και Γ, με λεπτά σύρματα με τα άκρα πηνίου που φέρει Ν = 1000 σπείρες κάθε μία έχει εμβαδόν Α = π 10-3 m2 το μήκος του πηνίου είναι l = 10 cm, η ωμική του αντίσταση Rπ = 8 Ω. Τα άκρα Δ και Ζ των αγωγών συνδέονται με πηγή συνεχούς ρεύματος που έχει ηλεκτρεγερτική δύναμη Ε = 24 V εσωτερική αντίσταση r = 4 Ω, με τον διακόπτη δ1 κλειστό. Στο χώρο υπάρχει οριζόντιο ομογενές μαγνητικό πεδίο εντάσεως Β. Χάλκινη ράβδος ΚΛ ισορροπεί οριζόντια (ακίνητη) μέσα στο μαγνητικό πεδίο. Η ράβδος έχει μήκος d = 1 m μάζα m = 0,1 kg ωμική αντίσταση RΚΛ = 2 Ω.
1. Βρείτε την ένταση του ομογενούς μαγνητικού πεδίου (φορά, μέτρο), ο διακόπτης δ1 είναι κλειστός ενώ ο διακόπτης δ2 είναι ανοικτός.
Τη χρονική στιγμή t = 0 ανοίγουμε τον διακόπτη δ1 και ταυτόχρονα κλείνουμε τον δ2.
2. Μελετήστε την κίνηση της ράβδου.
1. E = i (r + RΚΛ) => 24 V = i (4 Ω + 2 Ω) => i = 4 A
m g = B i d => 0,1 kg 10 m/s2 = B 4 A 1 m => B = 0,25 T οριζόντια προς τα μέσα
2. η ράβδος κινειται προς τα κάτω κατακόρυφα τα ηλεκτρόνιά της δέχονται δύναμη Lorentz με συνέπεια να κινούνται προς το άκρο Κ το οποίο φορτίζεται αρνητικά οπότε το άκρο Λ φορτίζεται θετικά με συνέπεια να δημιουργηθεί στα άκρα επαγωγική τάση Εεπαγ = Β d v = 0,25 T 1 m v = v/4 οπότε το κύκλωμα ράβδος - πηνίο να διαρρέεται από ρεύμα οπότε το πηνίο αντιδρά και στα άκρα εμφανίζεται τάση αυτεπαγωγής Εαυτ = - L di/dt
L = 4π 10-7 Ν2 Α / l = 4π 10-7 106 π 10-3 / 10-1 = 4π2 10-3 Ηenry = 0,04 Henry
νόμος του Ohm για κλειστό κύκλωμα : Εεπαγ + Εαυτ = i ( RΚΛ + Rπ ) => 0,25 υ - L di/dt = i (2 + 8) => 0,25 υ - 0,04 di/dt = 10 i (1)
m g - B l i = m a = m dv/dt => 1 - 0,25 i = 0,1 dv/dt => i = 4 - 0,4 dv/dt (2)
(2) => di/dt = - 0,4 d2v/dt2 (3)
(1) , (2) , (3) => 0,25 v - 0,04 ( - 0,4 d2v/dt2 ) = 10 ( 4 - 0,4 dv/dt ) =>
=> 0,25 v + 0,016 d2v/dt2 = 40 - 4 dv/dt =>
=> 0,016 d2v/dt2 + 4 dv/dt + 0,25 v - 40 = 0 (4)
το χαρακτηριστικό πολυώνυμο είναι : 0,016 ρ2 + 4 ρ + 0,25 = 0
Δ = 16 - 0,016 = 16 ρ1,2 = (- 4 ± 4) / 0,032 = 0 ή - 250
v = A e -250 t + C dv/dt = -250 A e -250 t d2v/dt2 = + 62500 A e -250 t
αρχικά t = 0 υ = 0 οπότε A + C = 0 => C = -A
α = g = 10 m/s2 οπότε -250 A = 10 => A = - 25
v = -25 e -250 t + 25 dv/dt = 6250 e -250 t d2v/dt2 = - 15.625.000 e -250 t
(4) => 0,016 ( - 15.625.000 e -250 t ) + 4 6250 e -250 t + 0,25 ( -25 e -250 t + 25 ) - 40 = 0 =>
=> - 250.000 e -250 t + 25.000 e -250 t - 6,25 e -250 t + 6,25 - 40 = 0 =>