E 2017. máj. 22. ideg. T 10.

A hagyományos elektromos csengőkben általában két tekercs van, amelyeket sorba kötnek, és amelyek esetén a tekercselés körüljárási iránya ellentétes, ahogyan az ábra is mutatja. Mit mondhatunk a tekercsek mágneses indukciójáról és az áramkör megszakadásakor a bennük indukálódó feszültségről? 
 

 A)  A tekercsekben a mágneses indukció azonos irányú (jobbról balra mutat), a bennük indukálódó feszültségek az áramkörben erősítik egymást. 

 B)  A tekercsekben a mágneses indukció azonos irányú, a bennük indukálódó feszültségek az áramkörben gyengítik egymást. 

 C)  A tekercsekben a mágneses indukció ellentétes irányú (az egyikben jobbról balra, a másikban balról jobbra mutat), a bennük indukálódó feszültségek az áramkörben gyengítik egymást. 

 D)  A tekercsekben a mágneses indukció ellentétes irányú, a bennük indukálódó feszültségek az áramkörben erősítik egymást. 

 A)  A tekercsekben a mágneses indukció azonos irányú (jobbról balra mutat), a bennük indukálódó feszültségek az áramkörben erősítik egymást. 

 B)  A tekercsekben a mágneses indukció azonos irányú, a bennük indukálódó feszültségek az áramkörben gyengítik egymást. 

 C)  A tekercsekben a mágneses indukció ellentétes irányú (az egyikben jobbról balra, a másikban balról jobbra mutat), a bennük indukálódó feszültségek az áramkörben gyengítik egymást. 

 D)  A tekercsekben a mágneses indukció ellentétes irányú, a bennük indukálódó feszültségek az áramkörben erősítik egymást. 

A feladat több sebből vérzik.

A feladat szövege szerint a tekercselések ellentétes körüljárási irányúak, ami alatt nem egyértelmű, hogy mit is kellene érteni. Ugyanis két lehetőség van:

  • ha a tekercseket külön-külön szemléljük, akkor a hozzánk közelebb eső drótszakaszokban mindkét tekercsnél az ábrán felfelé irányba folyik az áram (lásd piros nyilak), azaz azonos körüljárási irányúak a tekercselések
  • viszont ha a tekercseket úgy szemléljük, hogy az áramkörben egymás után (sorba) vannak kapcsolva, akkor az áramirány szerint "előrefelé" (technikai áramirányba) haladva, az áramforrás pozitív pólusától indulva az első (felső) tekercs jobbsodrású tekercselésű, míg a második (alsó) tekercs balsodrású, így a tekercselések ellentétesek

A helyzet zavarossága miatt az érettségi bizottság a javítókulcsot módosította az eredetileg szereplő B-ről A-ra:

De nézzük inkább a dolog fizikáját! A feladat ábrájába rajzoljuk be a drótokban folyó áramok irányát, és a tekercsek belsejében a mágneses mezők irányát!

Látható, hogy mindkét tekercsben a $\vec{B}$ mágneses indukció iránya balra mutat. Ezek alapján az áram megszakadásakor, mivel az addigi fluxus nullára csökken, a mágneses fluxusváltozás iránya mindkét tekercsben az eredeti iránnyal ellentétes lesz, azaz jobbra mutat. Ebből a balkézszabály alapján a indukálódó elektromotoros erők körüljárási irányai:

Tehát az indukálódó elektromotoros erő mindkét drótban (az épp megszűnni próbáló) áram irányába hajtja a (hipotetikus) pozitív töltéseket. Összhangban Lenz-törvényével, miszerint az indukálódó elektromotoros erő mindig olyan irányú, hogy próbálja akadályozni az őt keltő változást, jelen esetben az áram megszűnését, tehát próbálja fenntartani az eltűnőben lévő áramot.

Ez alapján teljesen mindegy, hogy milyenek a tekercsek körüljárási irányai, ugyanis sorba kötött tekercsekben a megszakadó áram miatt a tekercsekben indukálódó elektromotoros erők mindegyike próbálja fenntartani az eltűnő áramot, azaz mindegyik az eredeti áramirányba próbálja hajtani a pozitív töltéseket.

A feladat ábrája rossz.

Az egyik probléma vele, hogy a valóságban a csengők egymás mellett lévő két elektromágnes tekercsében ellentétes irányú mágneses mezőt hoznak létre. Ennek oka, hogy a mágneses mezőnek a vasra gyakorolt erőhatás annál nagyobb, minél inkább végig vasban haladnak a mágneses erővonalak, vagyis minél kisebb szakszon lépnek ki a ("nagy mágneeses ellenállású") levegőbe. Ezt úgy lehet elérni, hogy ahol a tekercsek magukhoz rántják a rugalmas rezgőnyelvhez erősített lágyvas lemezt (ezáltal zárva a mágneskört), ott az elektromágnesek végei ellentétes mágneses pólusúak legyenek, azaz az egyik tekercsen kilépniük kell a mágneses erővonalaknak (tehát az egy északi mágneses pólus), a másik tekercsen pedig belépniük kell (déli pólus).

Ellentétben a feladat ábrájával, amin a rezgőnyelvnél mindkét mágneses pólus déli (S, south).

A feladat ábrájával a másiik probléma, hogy (a nagy vonzerő érdekében szükséges) zárt mágneskörhöz a vasmagnak a tekercsek másik (a rezgőnyelvtől távoli) végeinél is zártnak kell lennie. Tehát a tekercseknek nem egy-egy rövid, saját vasmaggal kell rendelkezniük, hanem a két tekercsnek egy közös, U-alakú vasmagon kell lenniük, és a rezgőnyelv vasdarabja a mágneses vonzás hatására az U-alak felső pontjainál zárja a "vasmag kört". A feladat ábráján ezzel szemben a tekercsek vasmagjai a rezgőnyelvtől távoli oldalon nincsenek összekötve, ellentétben a gyakorlati kivitelezéssel és a legtöbb, csengőt (helyesen) mutató ábrával.

A vasat csak az inhomogén mágneses mező vonzza, a homogén nem. Egy elektromágnes végén pont ilyen van, mert a felmágnesezett vasból kilépő sok mágneses erővonal a levegőbe jutva azonnal "szétszóródik". Na, de akkor miért nem úgy van a valódi csengőkben, ahogy a feladat (hibás) ábráján, hogy azonos mágneses pólusok vannak a rezgőnyelv közelében, és nincs összekötve a tekercsek másik vége közös vasmaggal? Hisz így is igaz a rezgőnyelvnél lévő mindkét pólusra, hogya belőle kilépő mágneses erővonalak szétszóródnak, azaz inhomogén mágneses mezőt hoznak létre. Azért, mert nemcsak az kell, hogy a pólusnál inhomogén legyen a mágneses mező, hanem az is fontos, hogy minél elősebb is legyen, hisz az erős, infomogén mező nagy erővel rántja maga felé a rezgőnyelvet, amitől az nagyot fog ütni a csengő harangjába. Márpedig ha a két tekercs a feladat ábráján szereplően lenne, akkor nem tudják egymás mágneses mezejét erősíteni. Szemben a valódi csengőkkel, ahol a két, egymás melletti elektromágnes belsejében ellentétes irányú a mágneses mező.

Egyébként lehet egyetlen tekerccsel is készíteni efféle hagyományos elektromágneses csengőt, csak ilyenkor a mágneses erővnalak "mágnesköre" jelentős részben a levegőben halad, így ugyanakkora mágneses vonzóerőhöz nagyobb tekercsmenetszám illetve nagyobb áramerősség szükséges, vagyis az ilyen "egytekercses" elrendezés kevésbé hatékony, vagyis nem anyag-, iletve enegiatakarékos.

(Köszönet Palágyi Gábornak az észrevételért.)

A tisztánlátás kedvéért: a feladat (kimondatlanul) azt sugallja, mintha az elektromágneses csengő működésében az indukálódó elektromos mező szerepet játszana. Pedig ez nem igaz; az elektromágnesnek itt csupán annyi a szerepe, hogy a tekercsnek a rezgőnyelv felőli végein legyen inhomogén mágneses mező, mely maga felé rántja a rezgőnyelvet. Az áram megszakadása nem azért történik, hogy indukálódjon örvényes elektromos mező, hanem hogy újra és újra meg legyen ütve a csengő harangja, amihez pedig az kell, hogy a rezgőnyelv visszatérjen az eredeti helyére (a rezgőnyelv rugalmas felfüggesztése miatt), amihez pedig a rezgőnyelvet vonzó mágneses erőnek meg kell szűnnie. Az, hogy a tekercsekben (az áram megszakadása miatt) egy rövid, átmeneti időre nagy feszültség indukálódik, a csengő működésében nem játszik szerepet. Van amúgy egy látványos következménye: amikor a rezgőnyelv berántásakor a rezgőnyelven lévő, abba áramot bevezető pontnál a "kontaktus" megszakad, és a tekercsek mágneses mezeje összeomlik, akkor a tekercsekben indukálódó nagy feszültség egy pici szikrát idéz elő a kontaktusnál, amit közelről lehet is látni. Erre érdemes felhívni a diákok figyelmét, amikor körbeadjuk, körbeküldjük a csengőt, hogy tanulmányozhassák a működését.

 

 Kivéve, amikor az ábra készítői nem figyelnek a tekercselési irányokra... 

 
 

 Akinek ettől már felforrt az agyvize, annak jöjjön végre egy kép arról, hogy a csengő tud működni egyetlen tekerccsel is: