Relazione di Fisica su esperimento "induzione elettromagnetica", Appunti di Fisica

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Relazione di Fisica : INDUZIONE ELETTROMAGNETICA GRUPPO n° Nome e cognome Classe Data OBIETTIVO DELL’ESPERIMENTO L’obiettivo dell’esperimento è la verifica della legge di Faraday-Neumann-Lenz, che mette in relazione la forza elettromotrice  indotta lungo un circuito attraverso il quale si verifica una variazione di flusso magnetico ( )B  : d ( ) d B t      dove il segno “  ” indica che la forza elettromotrice  genera una corrente che, generando a sua volta un proprio campo magnetico, tende a contrastare la variazione di B  .In particolare, verrà considerata la legge di Faraday-Neumann-Lenz nella sua formulazione integrale: d d d d f f i i t t i f t t t t t           L’esperimento consisterà quindi nel verificare che la variazione di flusso, fra l’istante i t e l’istante f t , corrisponda all’integrale della forza elettromotrice misurata durante l’esperimento stesso. STRUMENTI UTILIZZATI  Magnete cilindrico  Due bobine con numero di spire N = 800.  Interfaccia PasPort  Sensore di tensione  Pinze a coccodrillo IMPOSTAZIONE DELL’ ESPERIMENTO Si è iniziato a predisporre l’esperimento inserendo lo spinotto del sensore nell’interfaccia PasPort, collegandola successivamente al computer. Quindi sono stati inseriti gli spinotti del sensore di tensione nelle pinze a coccodrillo e a loro volta le pinze sono state collegate ai capi della bobina (Figura 1). Successivamente si è avviato il programma di misurazione DataStudio, impostando la frequenza di campionamento a 1000 Hz e creando un grafico tensione – tempo. La sensibilità del sensore di tensione è stata prefissata impostando l’accuratezza ad un valore di 1x104 ed un numero di cifre significative dopo la virgola pari a 4. 1 Figura 1. Strumenti utilizzati per l’esperimento. DESCRIZIONE DELL’ ESPERIMENTO Avvicinando un magnete in prossimità di un circuito elettrico, la forza elettromotrice indotta lungo il circuito risulta essere pari, in valore assoluto, alla variazione nel tempo del flusso magnetico concatenato con il circuito. Se il circuito è formato da una bobina di più spire, un voltmetro collegato ad essa rileverà la forza elettromotrice complessiva raccolta lungo tutte le spire. Si noti che la variazione di flusso dipende solo dalle posizioni iniziali e finali del magnete e pertanto l’integrale della forza elettromotrice non dipenderà dal tempo impiegato nello spostamento del magnete o dal percorso. Invece, il flusso cambia segno se si inverte il magnete, e valore assoluto se si considerano numeri di spire diversi. Nell’esecuzione degli esperimenti si sono variati il numero di spire N della bobina, rispettivamente 1600 e 800, gli inserimenti e le estrazioni del magnete a diverse velocità (“lenta” e “veloce”), e si è invertita la polarità del magnete (vedi Tabella 1). 1600 spire Inserimento Estrazione Polo verde del magnete Lento Veloce Veloce Lento Polo rosso del magnete Lento Veloce Veloce Lento 800 spire Inserimento Estrazione Polo verde del magnete Lento Veloce Veloce Lento Polo rosso del magnete Lento Veloce Veloce Lento Tabella 1. Schema di esecuzione degli esperimenti. 2 Per confrontare correttamente le aree calcolate è però necessario correggere l’errore di misura del sensore di tensione, responsabile di un valore dell’area diverso da 0 in assenza di interazione tra il magnete e la bobina. A tal fine, si è calcolata l’area sottesa dalla curva lungo un tratto orizzontale di durata pari alla durata considerata per il calcolo delle aree sottostanti i due picchi, come esemplificato in Figura 4. L’area così calcolata è stata quindi sottratta alle aree calcolate in corrispondenza dei picchi. Figura 4. Grafico tensione – tempo (1600 spire, polo rosso del magnete, inserimento lento, estrazione veloce). Nell’esempio considerato si sono ottenuti i seguenti valori:  Area sottesa dal primo picco (inserimento) = 0,0535 Vs  Intervallo di calcolo dell’area = 1,1138 s  Area considerata per il calcolo della distorsione = 0,0121 Vs  Differenza = (0,0535  0,0121) Vs = 0,0414 Vs  Area sottesa dal secondo picco (estrazione) = 0,0375 Vs  Intervallo di calcolo dell’area = 0,4236 s  Area considerata per il calcolo della distorsione = 0,0043 Vs  Differenza = (0,0375  0,0043) Vs = 0,0419 Vs 5 Ripetendo il medesimo procedimento per tutti gli esperimenti elencati in Tabella 1, si sono ottenuti i risultati riportati nelle Tabelle 2 e 3. Polo verde del magnete 1600 spire Inserimento lento Estrazione veloce Area (V  s) -0,0324 Area (V  s) 0,0509 Intervallo (s) 1,1323 Intervallo (s) 0,6173 Area dist. (V  s) 0,0122 Area dist. (V  s) 0,0066 Differenza (V  s) -0,0446 Differenza (V  s) 0,0443 Media aree (V  s) 0,0445 Errore relativo % 0,6742% Polo verde del magnete 1600 spire Inserimento veloce Estrazione lenta Area (V  s) -0,0406 Area (V  s) 0,0562 Intervallo (s) 0,8133 Intervallo (s) 1,5329 Area dist. (V  s) 0,0057 Area dist. (V  s) 0,0111 Differenza (V  s) -0,0463 Differenza (V  s) 0,0451 Media aree (V  s) 0,0457 Errore relativo % 2,6258% Polo rosso del magnete 1600 spire Inserimento lento Estrazione veloce Area (V  s) 0,0535 Area (V  s) -0,0375 Intervallo (s) 1,1138 Intervallo (s) 0,4236 Area dist. (V  s) 0,0121 Area dist. (V  s) 0,0043 Differenza (V  s) 0,0414 Differenza (V  s) -0,0418 Media aree (V  s) 0,0416 Errore relativo % 0,9615% Polo rosso del magnete 1600 spire Inserimento veloce Estrazione lento Area (V  s) 0,0479 Area (V  s) -0,0347 Intervallo (s) 0,7697 Intervallo (s) 1,4312 Area dist. (V  s) 0,0047 Area dist. (V  s) 0,0095 Differenza (V  s) 0,0432 Differenza (V  s) -0,0442 Media aree (V  s) 0,0437 Errore relativo % 2,2880% Tabella 2. Risultati degli esperimenti relativi alla bobina di 1600 spire. Polo verde del magnete 6 800 spire Inserimento lento Estrazione veloce Area (V  s) -0,0121 Area (V  s) 0,0240 Intervallo (s) 0,7240 Intervallo (s) 0,4228 Area dist. (V  s) 0,0077 Area dist. (V  s) 0,0041 Differenza (V  s) -0,0198 Differenza (V  s) 0,0199 Media aree (V  s) 0,0199 Errore relativo % 0,5025% Polo verde del magnete 800 spire Inserimento veloce Estrazione lenta Area (V  s) -0,0173 Area (V  s) 0,0283 Intervallo (s) 0,6063 Intervallo (s) 1,2137 Area dist. (V  s) 0,0043 Area dist. (V  s) 0,0085 Differenza (V  s) -0,0216 Differenza (V  s) 0,0198 Media aree (V  s) 0,0207 Errore relativo % 8,6957% Polo rosso del magnete 800 spire Inserimento lento Estrazione veloce Area (V  s) 0,0298 Area (V  s) -0,0140 Intervallo (s) 1,8367 Intervallo (s) 0,6224 Area dist. (V  s) 0,0127 Area dist. (V  s) 0,0049 Differenza (V  s) 0,0171 Differenza (V  s) -0,0189 Media aree (V  s) 0,0180 Errore relativo % 10,0000% Polo rosso del magnete 800 spire Inserimento veloce Estrazione lento Area (V  s) 0,0262 Area (V  s) -0,0106 Intervallo (s) 1,2456 Intervallo (s) 1,0198 Area dist. (V  s) 0,0082 Area dist. (V  s) 0,0070 Differenza (V  s) 0,0180 Differenza (V  s) -0,0176 Media aree (V  s) 0,0178 Errore relativo % 2,2471% Tabella 3. Risultati degli esperimenti relativi alla bobina di 800 spire. VALUTAZIONE DELL’ESPERIMENTO 7