kabayang magnét Maxwell urang

Fisikawan Inggris James Clark Maxwell, anu hirup ti 1831-79, paling dikenal pikeun ngarumuskeun sistem persamaan éléktrodinamika-sareng ngagunakeunana pikeun ngaduga ayana gelombang éléktromagnétik. Sanajan kitu, ieu teu sakabéh prestasi signifikan na. Maxwell ogé kalibet dina térmodinamika, kaasup. masihan konsép kawentar "sétan" nu ngarahkeun gerakan molekul gas, sarta diturunkeun rumus ngajéntrékeun distribusi velocities maranéhanana. Anjeunna oge diajar komposisi warna sarta nimukeun alat pisan basajan tur metot pikeun demonstrate salah sahiji hukum paling dasar alam - prinsip konservasi énergi. Hayu urang cobian langkung kenal sareng alat ieu.

Aparat anu disebatkeun disebut roda Maxwell atanapi pendulum. Urang bakal nungkulan dua versi eta. Kahiji bakal invented by Maxwell - hayu urang sebut wae Palasik, nu teu aya magnet. Engké urang bakal ngabahas versi dirobah, nu malah leuwih endah. Henteu ngan urang bakal bisa ngagunakeun duanana pilihan demo, i.e. percobaan kualitas, tapi ogé pikeun nangtukeun efektivitas maranéhanana. Ukuran ieu mangrupikeun parameter penting pikeun unggal mesin sareng mesin kerja.

Hayu urang mimitian ku versi klasik tina Maxwell kabayang.

Lynx. hiji. Versi klasik tina Maxwell kabayang: 1 - bar horizontal, 2 - thread kuat, 3 - as, 4 - kabayang kalawan momen luhur inersia.

Versi klasik tina roda Maxwell dipidangkeun dina Gbr. buah Ara. 1. Jang ngalampahkeun ieu, urang ngagantelkeun rod kuat sacara horisontal - éta tiasa janten sikat iteuk anu dihijikeun kana tonggong korsi. Teras anjeun kedah nyiapkeun kabayang anu cocog sareng nempatkeun éta teu gerak dina as ipis. Ideally, diaméter bunderan kedah kirang langkung 10-15 cm, sareng beuratna kirang langkung 0,5 kg. Kadé ampir sakabéh massa kabayang ragrag kana kuriling. Dina basa sejen, kabayang kudu boga puseur lampu sarta pasisian beurat. Pikeun tujuan ieu, anjeun tiasa nganggo roda spoked leutik tina karanjang atawa tutup tin badag tina kaléng jeung beban aranjeunna sabudeureun kuriling kalawan jumlah luyu tina péngkolan kawat. Kabayang disimpen teu gerak dina as ipis dina satengah panjangna. Sumbu nyaéta sapotong pipa aluminium atanapi rod kalayan diaméter 8-10 mm. Cara panggampangna nyaéta bor liang dina kabayang kalayan diaméter 0,1-0,2 mm kirang ti diaméter as, atawa ngagunakeun liang aya pikeun nempatkeun kabayang dina as. Pikeun sambungan hadé jeung kabayang, as bisa smeared kalawan lem di titik kontak elemen ieu saméméh mencét.

Dina dua sisi bunderan, urang dasi bagéan tina benang ipis jeung kuat 50-80 cm panjangna ka sumbu, Tapi fiksasi leuwih dipercaya kahontal ku pangeboran sumbu dina duanana tungtung ku bor ipis (1-2 mm). sapanjang diaméterna, inserting thread ngaliwatan liang ieu sarta tying eta. Urang dasi tungtung sésana tina thread ka rod sahingga ngagantung bunderan. Kadé sumbu bunderan mastikeun horizontal, sarta threads anu nangtung sarta merata dipisah tina pesawat na. Pikeun ngalengkepan inpormasi, anjeun kedah nambihan yén anjeun ogé tiasa ngagaleuh roda Maxwell ti perusahaan anu ngajual alat bantu ngajar atanapi cocooan pendidikan. Baheula, éta dipaké di ampir unggal lab fisika sakola. 

percobaan munggaran

Hayu urang mimitian ku kaayaan nalika kabayang hangs dina sumbu horizontal dina posisi panghandapna, i.e. duanana threads sagemblengna unwound. Kami nangkep as roda ku ramo kami dina dua tungtung sareng puteran lalaunan. Ku kituna, urang gulung benang dina sumbu. Anjeun kedah nengetan kanyataan yén péngkolan salajengna tina benang merata - hiji gigireun anu sanés. As kabayang kedah salawasna horizontal. Nalika kabayang ngadeukeutan rod, eureun pungkal sarta ngantep as gerak bebas. Dina pangaruh beurat, kabayang mimiti mindahkeun ka handap sarta threads unwind tina as. Kabayang spins lambat pisan mimitina, lajeng gancang sarta gancang. Nalika threads pinuh unfolded, roda ngahontal titik panghandapna, lajeng hal endah kajadian. Rotasi kabayang terus dina arah anu sarua, sarta kabayang mimiti mindahkeun ka luhur, sarta threads anu tatu sabudeureun sumbu na. Laju kabayang laun ngurangan sarta ahirna jadi sarua jeung nol. Kabayang lajeng nembongan dina jangkungna sarua sakumaha saméméh éta dirilis. Gerakan luhur jeung handap diulang sababaraha kali. Nanging, saatos sababaraha atanapi belasan gerakan sapertos kitu, urang perhatikeun yén jangkung anu naék kabayang janten langkung alit. Ahirna roda bakal eureun dina posisi panghandapna. Sateuacan ieu, mindeng mungkin pikeun niténan osilasi sumbu kabayang dina arah jejeg thread, sakumaha dina kasus pendulum fisik. Ku alatan éta, roda Maxwell sok disebut pendulum.

Lynx. hiji. Parameter utama kabayang Maxwell: - beurat, - radius kabayang, - radius as, - beurat kabayang kalawan as, - speed linier, ₀ - jangkungna awal.

Hayu urang ayeuna ngajelaskeun naha kabayang Maxwell behaves dina cara kieu. Ngagulung benang dina as, angkat kabayang dina jangkungna ₀ sareng ngalaksanakeun éta (buah Ara. 2). Hasilna, kabayang dina posisi pangluhurna miboga énergi poténsial gravitasi _pditepikeun ku rumus [1]:

dimana akselerasi ragrag bébas.

Salaku benang unwinds, jangkungna nurun, sarta kalawan eta énergi poténsial gravitasi. Sanajan kitu, kabayang nyokot speed sahingga acquires énergi kinétik. _knu diitung ku rumus [2]:

dimana momen inersia kabayang, sarta laju sudut na (= /). Dina posisi panghandapna tina roda (₀ = 0) énergi poténsial ogé sarua jeung nol. Énergi ieu, kumaha oge, teu maot, tapi robah jadi énergi kinétik, nu bisa ditulis nurutkeun rumus [3]:

Nalika roda naék, lajuna turun, tapi jangkungna naék, teras énergi kinétik janten énergi poténsial. Parobihan ieu tiasa nyandak waktos upami henteu pikeun résistansi gerakan - résistansi hawa, résistansi anu aya hubunganana sareng pungkal benang, anu peryogi sababaraha padamelan sareng nyababkeun kabayang ngalambatkeun eureun. Énergi teu pencét, sabab karya dipigawé dina overcoming résistansi kana gerak ngabalukarkeun kanaékan énergi internal tina sistem jeung ngaronjat pakait dina suhu, nu bisa ditandaan ku thermometer pisan sénsitip. Karya mékanis bisa dirobah jadi énergi internal tanpa watesan. Hanjakal, prosés sabalikna diwatesan ku hukum kadua térmodinamika, sahingga poténsi sarta énergi kinétik kabayang ahirna ngurangan. Ieu bisa ditempo yén kabayang Maxwell mangrupakeun conto pohara alus pikeun nembongkeun transformasi énergi jeung ngajelaskeun prinsip kabiasaan na.

Efisiensi, kumaha ngitungna?

Efisiensi mesin naon waé, alat, sistem atanapi prosés diartikeun salaku babandingan énergi anu ditampi dina wujud anu mangpaat. _u pikeun dikirimkeun énergi _d. Nilai ieu biasana diébréhkeun dina persentase, ku kituna éfisiénna diébréhkeun ku rumus [4]:

                                                        .

Efisiensi objék nyata atawa prosés sok handap 100%, sanajan bisa jeung kudu pisan deukeut nilai ieu. Hayu urang ngagambarkeun definisi ieu ku conto basajan.

Énergi mangpaat tina motor listrik nyaéta énergi kinétik gerak rotasi. Supados mesin sapertos tiasa dianggo, éta kedah didamel ku listrik, contona, tina batré. Sakumaha anjeun terang, bagian tina énergi input nyababkeun pemanasan gulungan, atanapi diperyogikeun pikeun ngatasi gaya gesekan dina bantalan. Ku alatan éta, énérgi kinétik mangpaatna kirang ti listrik input. Gantina énergi, nilai [4] ogé tiasa disubstitusi kana rumus.

Sakumaha anu geus ditetepkeun saméméhna, roda Maxwell boga énergi poténsial gravitasi saméméh mimiti gerak. _p. Sanggeus réngsé hiji siklus gerak luhur jeung ka handap, kabayang ogé boga énergi poténsial gravitasi, tapi dina jangkungna handap. ₁jadi kurang tanaga. Hayu urang denote énergi ieu salaku _P1. Numutkeun rumus [4], efisiensi kabayang urang salaku converter énergi bisa ditembongkeun ku rumus [5]:

Rumus [1] nunjukkeun yén énergi poténsial sabanding langsung sareng jangkungna. Nalika ngagentos rumus [1] kana rumus [5] sareng tumut kana tanda jangkungna anu cocog sareng ₁, teras urang meunang [6]:

Rumus [6] ngagampangkeun pikeun nangtoskeun efisiensi bunderan Maxwell - cukup pikeun ngukur jangkung anu cocog sareng ngitung hasil. Saatos hiji siklus gerakan, jangkungna masih tiasa caket pisan. Ieu bisa lumangsung kalawan kabayang dirancang taliti jeung momen badag inersia diangkat ka jangkungna considerable. Janten anjeun kedah nyandak pangukuran kalayan akurasi anu saé, anu bakal sesah di bumi nganggo pangawasa. Leres, anjeun tiasa ngulang pangukuran sareng ngitung rata-rata, tapi anjeun bakal nampi hasilna langkung gancang saatos nyandak rumus anu tumut kana kamekaran saatos langkung seueur gerakan. Nalika urang ngulang prosedur saméméhna pikeun siklus nyetir, nu satutasna kabayang bakal ngahontal jangkungna maksimum na _n, mangka rumus efisiensi bakal [7]:

jangkungna _n sanggeus sababaraha atawa belasan atawa leuwih siklus gerakan, éta jadi béda ti ₀yén éta bakal gampang ningali sareng ngukur. Efisiensi tina Maxwell kabayang, gumantung kana wincik pabrik na - ukuran, beurat, tipe sarta ketebalan tina thread, jsb - biasana 50-96%. Nilai anu langkung alit dicandak pikeun roda anu beuratna leutik sareng radius anu ditunda dina benang anu langkung kaku. Jelas, sanggeus jumlah cukup badag siklus, roda eureun di posisi panghandapna, i.e. _n = 0. Nu maca attentive, kumaha oge, bakal nyebutkeun yén efisiensi diitung ku rumus [7] sarua jeung 0. Masalahna nyaeta dina derivasi rumus [7], urang tacitly diadopsi hiji asumsi nyederhanakeun tambahan. Nurutkeun manéhna, dina unggal siklus gerakan, kabayang leungiteun pangsa sarua énergi ayeuna jeung efisiensi na konstan. Dina basa matematika, urang nganggap yén jangkung berturut-turut ngabentuk kamajuan géométri kalayan hasil bagi. Kanyataanna, ieu teu kedah dugi kabayang tungtungna eureun dina jangkungna low. Kaayaan ieu mangrupikeun conto tina pola umum, numutkeun yén sadaya rumus, hukum sareng téori fisik gaduh ruang lingkup anu terbatas, gumantung kana asumsi sareng nyederhanakeun dina rumusanna.

Vérsi magnét

Lynx. hiji. kabayang magnét Maxwell urang: 1 - kabayang ku momen luhur inersia, 2 - sumbu kalawan magnet, 3 - pituduh baja, 4 - konektor, 5 - rod a.

Ayeuna urang bakal nungkulan versi magnét tina kabayang Maxwell - rinci konstruksi dibere Sangu. 3 jeung 4. Pikeun ngumpulna, anjeun peryogi dua magnet neodymium cylindrical kalayan diaméter 6-10 mm sareng panjangna 15-20 mm. Urang bakal nyieun as kabayang tina tube aluminium kalayan diaméter jero sarua jeung diaméter magnet. Tembok tabung kedah cukup ipis

1 mm. Urang nyelapkeun magnet kana tabung, nempatkeun aranjeunna dina jarak 1-2 mm ti tungtung na, lem aranjeunna kalayan lem epoxy, kayaning Poxipol. Orientasi kutub magnet henteu masalah. Urang nutup tungtung tabung jeung cakram aluminium leutik, nu bakal nyieun magnet halimunan, sarta sumbu bakal kasampak kawas rod padet. Kaayaan anu kedah dicumponan ku roda sareng cara masangna sami sareng sateuacana.

Pikeun versi roda ieu, anjeun ogé kedah ngadamel pituduh baja tina dua bagian anu dipasang paralel. Conto panjang pituduh anu merenah dina pamakéan praktis nyaéta 50-70 cm Nu disebut propil katutup (jero kerung) bagian pasagi, sisi anu panjangna 10-15 mm. Jarak antara pituduh kudu sarua jeung jarak magnet disimpen dina sumbu. Tungtung pituduh dina hiji sisi kudu diasupkeun dina satengah bunderan. Pikeun ingetan hadé tina sumbu, potongan rod baja bisa dipencet kana Panungtun hareup file. Sésana tungtung duanana rel kudu napel panyambungna rod sagala cara, contona, ku bolts jeung kacang. Hatur nuhun kana ieu, kami ngagaduhan cecekelan anu nyaman anu tiasa dicekel dina panangan anjeun atanapi dipasang dina tripod. Penampilan salah sahiji salinan dijieun tina Maxwell urang kabayang magnét nembongkeun PHOT. hiji.

Pikeun ngaktipkeun kabayang magnét Maxwell, nempatkeun tungtung as na kana surfaces luhur rel deukeut konektor. Nyekel pituduh ku gagang, Dengdekkeun aranjeunna diagonally nuju tungtung rounded. Lajeng roda mimiti gulung sapanjang Panungtun, saolah-olah dina pesawat condong. Nalika tungtung buleud tina Panungtun ngahontal, kabayang teu ragrag, tapi gulungan leuwih aranjeunna sarta

Lynx. hiji. Rincian desain kabayang magnét Maxwell dipidangkeun dina bagian axial:

1 - kabayang kalawan momen luhur inersia, 2 - aluminium tube as, 3 - cylindrical neodymium magnet, 4 - aluminium disk.

Éta nyiptakeun évolusi anu luar biasa - ngagulungkeun permukaan handap pituduh. Siklus gerakan anu dijelaskeun diulang sababaraha kali, sapertos versi klasik tina roda Maxwell. Urang malah tiasa nyetél rel vertikal sarta roda bakal kalakuanana persis sarua. Ngajaga kabayang dina surfaces pituduh nyaéta dimungkinkeun alatan daya tarik tina as jeung magnet neodymium disumputkeun di jerona.

Lamun, dina sudut badag tina inclination tina Panungtun, kabayang slides sapanjang aranjeunna, tungtung sumbu na kudu dibungkus ku hiji lapisan sandpaper rupa-grained sarta glued kalawan lem Butapren. Ku cara kieu, urang baris ngaronjatkeun gesekan diperlukeun pikeun mastikeun rolling a tanpa slipping. Nalika versi magnét tina Maxwell kabayang ngalir, parobahan sarupa dina énergi mékanis lumangsung, sakumaha dina kasus versi klasik. Sanajan kitu, leungitna énergi bisa jadi rada gede alatan gesekan jeung ngabalikeun magnetization tina pituduh. Pikeun versi ieu roda, urang ogé bisa nangtukeun efisiensi dina cara nu sarua sakumaha ditétélakeun saméméhna pikeun versi klasik. Éta bakal pikaresepeun pikeun ngabandingkeun nilai anu diala. Gampang nebak yén pituduh henteu kedah lempeng (anjeunna tiasa, contona, wavy) teras gerakan roda bakal langkung narik.

jeung neundeun énergi

Percobaan anu dilakukeun ku roda Maxwell ngamungkinkeun urang pikeun ngagambar sababaraha kacindekan. Anu paling penting nyaéta yén transformasi énergi anu umum pisan di alam. Sok aya nu disebut leungitna énergi, nu sabenerna transformasi kana bentuk énergi nu teu mangpaat pikeun urang dina kaayaan nu tangtu. Ku sabab kitu, efisiensi mesin nyata, alat sareng prosés sok kirang ti 100%. Éta pisan sababna naha mustahil pikeun ngawangun alat anu, sakali disetél dina gerak, bakal mindahkeun salawasna tanpa suplai énergi éksternal diperlukeun pikeun nutupan karugian. Hanjakalna, dina abad ka-XNUMX, henteu sadayana terang ieu. Éta pisan sababna naha, ti jaman ka jaman, Kantor Patén Républik Polandia narima draf penemuan tina tipe "Alat universal pikeun nyetir mesin", ngagunakeun énergi magnet "inexhaustible" (sigana kajadian di nagara sejen). Tangtosna, laporan sapertos kitu ditolak. rationale nyaeta pondok: alat iyeu moal jalan mun jeung teu cocog pikeun pamakéan industri (ku kituna teu minuhan sarat diperlukeun pikeun meunangkeun patén a), sabab teu sasuai jeung hukum dasar alam - prinsip konservasi énergi.

Poto 1. Penampilan salah sahiji roda magnét Maxwell urang.

Pamiarsa tiasa perhatikeun sababaraha analogi antara roda Maxwell sareng cocooan populér anu disebut yo-yo. Dina kasus yo-yo, leungitna énergi ieu replenished ku karya pamaké kaulinan, anu rhythmically raises na lowers tungtung luhur senar. Éta ogé penting pikeun nyimpulkeun yén awak kalayan momen badag inersia hese muterkeun sarta hese eureun. Ku alatan éta, kabayang Maxwell lalaunan nyokot speed sakumaha eta ngalir ka handap sarta ogé lalaunan nurun nalika naek. Siklus luhur jeung ka handap ogé diulang pikeun lila saméméh kabayang tungtungna eureun. Sadaya ieu kusabab énergi kinétik anu ageung disimpen dina roda sapertos kitu. Ku alatan éta, proyék-proyék keur dianggap pikeun pamakéan roda kalawan momen badag tina inersia sarta saméméhna dibawa kana rotasi gancang pisan, salaku jenis "accumulator" énergi, dimaksudkeun, contona, pikeun gerakan tambahan kandaraan. Baheula, flywheels anu kuat dianggo dina mesin uap pikeun nyayogikeun rotasi anu langkung rata, sareng ayeuna aranjeunna ogé bagian integral tina mesin durukan internal mobil.