Academic CentreLīga Magone
Kā kompass jūt Rīgas Dinamo eksperimenta ārējo lauku
Līga Magone
LU FI, Salaspils, Latvija
lmagone@inbox.lv
Rīgas Dinamo eksperiments izveidots, lai laboratorijas apstākļos demonstrētu dabā plaši izplatītu parādību, kad intensīva labi elektrovadoša šķidruma kustība lielos tilpumos izveido magnētisko lauku. Tā rodas lauks Zemei, Saulei, citām zvaigznēm un pat galaktikām. Parādības demonstrēšanai izveidota eksperimentāla iekārta, kurā ārēja spēka (200 kW motors) griezts propellers 2 m3 tilpumā veido iepriekš aprēķinātu izkausēta Na plūsmu, kura it kā pati no sevis ģenerē magnētisko lauku. Ģenerētā lauka aina lēni rotē ap ierīces vertikālo asi radot ierīces iekšpusē esošos sensoros AC signālu, kura pieraksts un analīze ir šā eksperimenta pamatuzdevums. Daļa no lauka izpiežas ārējā telpā. Tā novērošanai blakus eksperimentam esam novietojuši kompasu, kura rādījumu aprakstam veltīts šis darbs.
1. zīm. Attēlā pa kreisi redzama Dinamo iekārta laboratorijā. Iekārtas centrā ir cilindrs ar 2 m3 izkausēta nātrija. Virs viņa 2 zaļi motori, kas ar siksnu griež asi. Ass otrā galā nātrijā iegremdēts propellers. Iekšējās sienas virza nātrija kustību tā, lai propellera apgriezieniem pārsniedzot kritisko vērtību parādītos magnētiskais lauks. Kompasa rādījumu reģistrē video kamera pievienota kontroles telpā esošam datoram
Ar kompasu paralēli citiem instrumentiem uzskatāmi var izsekot magnētiskā lauka ģenerācijai. Atšķirībā no viendimensionāliem sensoriem kompass skaidri norāda magnētiskā lauka rotējošo dabu un rotācijas virzienu.
1. video kompass un tam blakus parastais skaitītājs ar divkāršotu apgriezienu skaitu (rpm x 0.002).
Video nr. 1 pieraksts sākts laikā, kad propellera apriezieni aug un ir jau tuvu kritiskajiem. Kā redziet sākumā kompass lēni pagriežas, sāk viegli svārstīties. Svārstībām pieaugot tās pāriet rotācijā. Šādi kompass uzvedas kamēr pastāv ģenerētais magnētiskais lauks. Apgriezienu skaitu samazinot lauks krīt, rotācija pāriet svārstībās, kuras laukam beidzoties – izbeidzas. Uzkrīt divas lietas. Kompass rotē virzienā pretēji propellera rotācijai. Un kompasa rotācija ir izteikti nevienmērīga.
2. video
Abas šīs parādības piemīt arī kompasam, kuram blakus griež taisnu magnētu (video nr. 2). Kā redziet magnētu griežot pa labi – kompass griežas pa kreisi. Tātad arī dinamo lauks ir griezies pretēji kompasam, tātad propellera rotācijas virzienā, kas protams, ievērojami lēnāk kā pats propellers. Kāpēc kompass tā griežas un vai vienmēr viņš tā griežas?
Apskatot magnētisko lauku ap rotējošu magnētisko dipolu, lauka horizontālās komponentes dod formulas (zīm. nr. 2).
2. zīm. Leņķi atkarībā no kompasa uzvedības.
Zīmējumam (att. 2) perpendikulārā komponente izrādas atkarīga tikai no attāluma līdz dipolam, bet ne no leņķa pret to. Toties zīmējuma plaknē esošā horizontālā komponente atkarīga arī no cosθ - no kompasa novietojuma pret dipolu. Ja kompass atrodas tieši zem dipola rotācijas ass, tad cosθ=0, abas komponentes svārstas ar vienādu amplitūdu un kompasam jāgriežas dipola rotācijas virzienā, pie tam vienmērīgi. Izvirzot kompasu kaut nedaudz uz sāniem, zīmējuma plaknē esošā komponente samazinās un lauka virziens griežas nevienmērīgi. Vēl vairāk izvirzot sasniedz vietu, kur zīmējuma plaknē esošā komponente ir vienāda ar nulli. Tās tuvumā lauka virziens ir maksimāli nevienmērīgs. Pavirzot tālāk kompasa rotācijas virziens izmainās uz pretējo, vēl tālāk – abām komponentēm amplitūdas kļūst vienādas, tas ir, te kompasam jārotē vienmērīgi, bet pretēji magnēta rotācijai. Nonākot vienā augstumā ar magnētu, rotācija no jauna nevienmērīga un pretēja magnēta rotācijai. Tas arī būtu izskaidrojums rotācijas virzienam un daļēji arī rotācijas nevienmērībai.
3. zīm. Kādā no iepriekšējiem eksperimentiem mērītais auks dinamo ārpusē.
Lauks Dinamo ārpusē (zīm. 3), protams, atšķiras no rotējoša magnēta lauka, bet zināma līdzība tomēr ir. Pie z=1 m tas ir apm. tur, kur atradās kompass, Br praktiski divreiz pārsniedz Bφ, gluži tāpat kā blakus rotējošam magnētam. Pie z=3 m Br praktiski sakrīt ar Bφ un kompasa rotācijai tur būtu jābūt jau vienmērīgai. Vēl zemāk paredzama tāda pati izturēšanās kā ap rotējošu magnētu (zīm. 4).
4. zīm.
3. Video
Video nr. 3 ir garāks, viņa laikā propellera apgriezieni netika samazināti. Mēs gaidijām, lai lauks izbeigtos nātrija sasilšanas pēc. Video analīze redzama zīm nr. 5.
5. zīm. 5(a) magnētiskā lauka pieraksts veikts ierīces iekšpusē, kur lauks ievērojami lielāks kā tas, kas kustina kompasu ierīces ārpusē. 5(c) ir salikti kadri (kadru frekvence 12,5 Hz) secīgā kārtībā no video nr. 3 vidus. Nolasot kompasa rādījumus kadrs pēc kadra zīmētas līknes 5(b) lauka augšanas un 5(d) lauka dilšanas laikā.
Zīm. nr. 5 salīdzināta video nr. 3 redzamā kompasa kustība ar tajā pat laikā pierakstīto magnētisko lauku. Magnētiskā lauka pieraksts zīm. 5a veikts ierīces iekšpusē, kur lauks ievērojami lielāks kā tas, kas kustina kompasu. Eksperimenta sākumā apgriezieniem augot kompass lēni pagriežas, sāk svārstīties un pāriet nevienmērīgā rotācijā (skat. 5b). Dati magnētiskā lauka pierakstam ierīces ārpusē iegūti, apskatot video kadru pēc kadra (zīm. 5b, 5d). Zīm. 5a ir atzīmēti zili periodi eksperimenta sākumu un beigu intervalā, tādejādi norādot kompasa izturēšanos magnētiskā lauka rašanās posmā (zīm. 5b) un tā pakāpeniskas izbeigšanas posmā (zīm. 5d). No eksperimenta vidus kadri salikti pēc kārtas (skat. zīm. 5c), izsekojot kompasa adatai, redzams, ka katra apgrieziena laikā tā uz brīdi apstājas, lai grieztos tālāk. Uzkrīt tas, ka apstājas vienā un tajā pašā pozīcijā ar balto galu pa kreisi. Eksperimetu daudzkārt atkārtojot, tas vienmēr pa labi. Vienīgais izskaidrojums tam būtu Zemes un dzelzs stenda veidotais magnētiskais lauks, kas no eksperimenta uz eksperimentu ir saglabājis to pašu virzienu. Izskaidrojumu pastiprina arī līknes forma – lēzenā daļa ir tikai vienreiz apgriešanas periodā. Bez ārējā lauka tai būtu jābūt 2 reizes periodā. Temperatūrai augot magnētiskais lauks samazinās un izbeidzas. Reizē kompass no rotācijas pariet svārstībās un apstājas.
Secinājumi
Kompass uzskatāmi demonstrē dinamo lauka rotējošo dabu. Pagaidām tā faktiski novērota tikai blakus dinamo iekartai. Turpmākos eksperimentos domājam likt otru kompasu tieši zem dinamo iekārtas, vienlaicīgi uzņemot divus video ar pretēji rotējošiem kompasiem. Uzstādot papildus apgaismojumu, domājam samazināt katra kadra ekspozīciju, padarot tos asāk
1. zīm. Attēlā pa kreisi redzama Dinamo iekārta laboratorijā. Iekārtas centrā ir cilindrs ar 2 m3 izkausēta nātrija. Virs viņa 2 zaļi motori, kas ar siksnu griež asi. Ass otrā galā nātrijā iegremdēts propellers. Iekšējās sienas virza nātrija kustību tā, lai propellera apgriezieniem pārsniedzot kritisko vērtību parādītos magnētiskais lauks. Kompasa rādījumu reģistrē video kamera pievienota kontroles telpā esošam datoram
Ar kompasu paralēli citiem instrumentiem uzskatāmi var izsekot magnētiskā lauka ģenerācijai. Atšķirībā no viendimensionāliem sensoriem kompass skaidri norāda magnētiskā lauka rotējošo dabu un rotācijas virzienu.
1. video kompass un tam blakus parastais skaitītājs ar divkāršotu apgriezienu skaitu (rpm x 0.002).
Video nr. 1 pieraksts sākts laikā, kad propellera apriezieni aug un ir jau tuvu kritiskajiem. Kā redziet sākumā kompass lēni pagriežas, sāk viegli svārstīties. Svārstībām pieaugot tās pāriet rotācijā. Šādi kompass uzvedas kamēr pastāv ģenerētais magnētiskais lauks. Apgriezienu skaitu samazinot lauks krīt, rotācija pāriet svārstībās, kuras laukam beidzoties – izbeidzas. Uzkrīt divas lietas. Kompass rotē virzienā pretēji propellera rotācijai. Un kompasa rotācija ir izteikti nevienmērīga.
2. video
Abas šīs parādības piemīt arī kompasam, kuram blakus griež taisnu magnētu (video nr. 2). Kā redziet magnētu griežot pa labi – kompass griežas pa kreisi. Tātad arī dinamo lauks ir griezies pretēji kompasam, tātad propellera rotācijas virzienā, kas protams, ievērojami lēnāk kā pats propellers. Kāpēc kompass tā griežas un vai vienmēr viņš tā griežas?
Apskatot magnētisko lauku ap rotējošu magnētisko dipolu, lauka horizontālās komponentes dod formulas (zīm. nr. 2).
2. zīm. Leņķi atkarībā no kompasa uzvedības.
Zīmējumam (att. 2) perpendikulārā komponente izrādas atkarīga tikai no attāluma līdz dipolam, bet ne no leņķa pret to. Toties zīmējuma plaknē esošā horizontālā komponente atkarīga arī no cosθ - no kompasa novietojuma pret dipolu. Ja kompass atrodas tieši zem dipola rotācijas ass, tad cosθ=0, abas komponentes svārstas ar vienādu amplitūdu un kompasam jāgriežas dipola rotācijas virzienā, pie tam vienmērīgi. Izvirzot kompasu kaut nedaudz uz sāniem, zīmējuma plaknē esošā komponente samazinās un lauka virziens griežas nevienmērīgi. Vēl vairāk izvirzot sasniedz vietu, kur zīmējuma plaknē esošā komponente ir vienāda ar nulli. Tās tuvumā lauka virziens ir maksimāli nevienmērīgs. Pavirzot tālāk kompasa rotācijas virziens izmainās uz pretējo, vēl tālāk – abām komponentēm amplitūdas kļūst vienādas, tas ir, te kompasam jārotē vienmērīgi, bet pretēji magnēta rotācijai. Nonākot vienā augstumā ar magnētu, rotācija no jauna nevienmērīga un pretēja magnēta rotācijai. Tas arī būtu izskaidrojums rotācijas virzienam un daļēji arī rotācijas nevienmērībai.
3. zīm. Kādā no iepriekšējiem eksperimentiem mērītais auks dinamo ārpusē.
Lauks Dinamo ārpusē (zīm. 3), protams, atšķiras no rotējoša magnēta lauka, bet zināma līdzība tomēr ir. Pie z=1 m tas ir apm. tur, kur atradās kompass, Br praktiski divreiz pārsniedz Bφ, gluži tāpat kā blakus rotējošam magnētam. Pie z=3 m Br praktiski sakrīt ar Bφ un kompasa rotācijai tur būtu jābūt jau vienmērīgai. Vēl zemāk paredzama tāda pati izturēšanās kā ap rotējošu magnētu (zīm. 4).
4. zīm.
3. Video
Video nr. 3 ir garāks, viņa laikā propellera apgriezieni netika samazināti. Mēs gaidijām, lai lauks izbeigtos nātrija sasilšanas pēc. Video analīze redzama zīm nr. 5.
5. zīm. 5(a) magnētiskā lauka pieraksts veikts ierīces iekšpusē, kur lauks ievērojami lielāks kā tas, kas kustina kompasu ierīces ārpusē. 5(c) ir salikti kadri (kadru frekvence 12,5 Hz) secīgā kārtībā no video nr. 3 vidus. Nolasot kompasa rādījumus kadrs pēc kadra zīmētas līknes 5(b) lauka augšanas un 5(d) lauka dilšanas laikā.
Zīm. nr. 5 salīdzināta video nr. 3 redzamā kompasa kustība ar tajā pat laikā pierakstīto magnētisko lauku. Magnētiskā lauka pieraksts zīm. 5a veikts ierīces iekšpusē, kur lauks ievērojami lielāks kā tas, kas kustina kompasu. Eksperimenta sākumā apgriezieniem augot kompass lēni pagriežas, sāk svārstīties un pāriet nevienmērīgā rotācijā (skat. 5b). Dati magnētiskā lauka pierakstam ierīces ārpusē iegūti, apskatot video kadru pēc kadra (zīm. 5b, 5d). Zīm. 5a ir atzīmēti zili periodi eksperimenta sākumu un beigu intervalā, tādejādi norādot kompasa izturēšanos magnētiskā lauka rašanās posmā (zīm. 5b) un tā pakāpeniskas izbeigšanas posmā (zīm. 5d). No eksperimenta vidus kadri salikti pēc kārtas (skat. zīm. 5c), izsekojot kompasa adatai, redzams, ka katra apgrieziena laikā tā uz brīdi apstājas, lai grieztos tālāk. Uzkrīt tas, ka apstājas vienā un tajā pašā pozīcijā ar balto galu pa kreisi. Eksperimetu daudzkārt atkārtojot, tas vienmēr pa labi. Vienīgais izskaidrojums tam būtu Zemes un dzelzs stenda veidotais magnētiskais lauks, kas no eksperimenta uz eksperimentu ir saglabājis to pašu virzienu. Izskaidrojumu pastiprina arī līknes forma – lēzenā daļa ir tikai vienreiz apgriešanas periodā. Bez ārējā lauka tai būtu jābūt 2 reizes periodā. Temperatūrai augot magnētiskais lauks samazinās un izbeidzas. Reizē kompass no rotācijas pariet svārstībās un apstājas.
Secinājumi
Kompass uzskatāmi demonstrē dinamo lauka rotējošo dabu. Pagaidām tā faktiski novērota tikai blakus dinamo iekartai. Turpmākos eksperimentos domājam likt otru kompasu tieši zem dinamo iekārtas, vienlaicīgi uzņemot divus video ar pretēji rotējošiem kompasiem. Uzstādot papildus apgaismojumu, domājam samazināt katra kadra ekspozīciju, padarot tos asāk