7.34. A Lenz-törvényt demonstráló Thomson-féle gyűrűkísérlet bemutatása

A kísérlet célja

Lenz törvényének látványos szemléltetése

Szükséges anyagok, eszközök

• hosszú, egyenes, függőleges vasmag
• nagy menetszámú tekercs
• alumíniumkarika
• rézkarika
• elektromos hálózathoz csatlakozó tápkábel, banándugó kivezetéssel
• röpzsinórok
• kapcsoló

Leírás

A vasmagra húzzuk rá előbb a nagy menetszámú tekercset, majd tegyük rá a könnyű alumíniumkarikát! Kössük a tekercset egy kapcsolóval ellátott hosszabbítóhoz, mely hálózathoz van csatlakoztatva! Kapcsoljuk be a kapcsolót egy pillanatra, majd rögtön kapcsoljuk ki! Az alumíniumkarika hirtelen felugrik (kicsit fel is melegszik). Kapjuk el a levegőben, hogy leérkezve ne sérüljön, és ne guruljon el!

Feladat

• Magyarázza meg a kísérleti tapasztalatokat (a karika felemelkedését és felmelegedését)!
• Végezze el a kísérletet a rézgyűrűvel is! Majd végezze el a kísérletet úgy, hogy egymásra teszi a két karikát. Előbb alulra az alumíniumot és rá a rezet, majd fordítva! Magyarázza meg a tapasztalatokat!

Módszertani kiegészítések

• Középiskolákban és kísérleti bemutatókon gyakran látható ez a kísérlet. Legtöbbször érintésvédelmileg aggályos módon csak banándugós kábellel csatlakoztatják a tekercset a konnektorhoz. A laboron használható eszköz teljesen hétköznapi elemekből van összerakva, de jól látható, hogy minden csatlakozás rögzített, és gondosan szigetelt. Javasoljuk a Thompson‑ágyús kísérletet minden esetben ilyen gondosan előkészítve bemutatni!
• Ha a tekercs ellenállása nem elég nagy, akkor könnyen leverheti az elektromos biztosítékot. Érdemes sokmenetes tekerccsel kísérletezni.
• Érdemes a kísérlethez kapcsolódóan meglepő és szemléletes videókat bemutatni: A Thomson-ágyú hőkamerával

• A jó gyakorlatok fejezetben már említésre került, hogy ennek a kísérletnek a magyarázata általában egy elnagyolást tartalmaz. Klasszikus magyarázata a kísérleti tapasztalatnak, hogy Lenz‑törvény értelmében a gyűrűben indukált áram iránya olyan, hogy mágneses hatásával akadályozza az őt létrehozó hatást. Tehát ellentétes a tekercs mágneses terével, így a taszítás miatt felrepül. A kísérletet azonban váltóárammal végezzük, így negyed periódusonként változik a tekercs és gyűrű között fellépő erő iránya, tehát átlagosan 0 erőnek kellene közöttük hatni, ahogy a következő ábrán látható

Ha utánaszámolunk, akkor kiderül, hogy a gyűrű induktivitása eredményez egy fázistolást a gyűrű mágneses tere és a tekercs mágneses tere között, így lehet egy felfelé ható eredő erő. Természetesen ezzel a magyarázattal csak a tehetséggondozás keretei között foglalkozhatunk. Emellett az első, klasszikus magyarázat teljesen elfogadható középiskolai szinten, hiszen tényleg ezzel kapcsolatos a magyarázat még akkor is, ha nem teljes.