Egy korong alakú, erős mágnest egy hosszú acélcsavar közbeiktatásával egy elem pozitív pólusára függesztünk fel. (A csavar a mágneshez annak közepénél tapad. A csavar és az elem átmágneseződésük miatt tapad egymáshoz.) Az elem negatív pólusához rézdrótot erősítünk, melynek másik végét finoman hozzáérintjük a mágnes széléhez. Azt tapasztaljuk, hogy a mágnes a csavarral együtt gyorsan forogni kezd.
a) Értelmezze a jelenséget! Mi a forgás magyarázata?
A vezeték, a mágnes, a csavar és az elem együtt egy áramkört alkot. Az áram a mágnesben sugárirányban folyik, ezért iránya merőleges az indukció irányára. Az áram a csavarban párhuzamos az indukció irányával. A mágneses mezőben az áramjárta vezetőre (áramra) az áram iránytól függően erő hat. A mágnesben folyó áramra hat erő, mert merőleges (nem párhuzamos) az indukció irányára. A csavarban folyó áramra nem hat erő, mert iránya párhuzamos az indukció irányával. Az áramra ható erő iránya merőleges az áram irányára is és az indukció irányára is. (Tehát a sugárra merőleges irányban, a vízszintes síkban hat.) A Lorenz‑erő így a mágnes tengelyére vonatkozó forgatónyomatékot fejt ki. A forgató hatás folyamatos, míg az áram folyik.
a) Annak felismerése, hogy a vezeték, a mágnes, a csavar és az elem együtt egy áramkört alkot:
1 pont
Annak megállapítása, hogy az áram a mágnesben sugárirányban folyik, ezért iránya merőleges az indukció irányára:
3 pont
Annak megállapítása, hogy az áram a csavarban párhuzamos az indukció irányával:
2 pont
Annak megfogalmazása, hogy a mágneses mezőben az áramjárta vezetőre (áramra) az áram iránytól függően erő hat:
1 pont
Annak megállapítása, hogy a mágnesben folyó áramra hat erő, mert merőleges (nem párhuzamos) az indukció irányára:
2 pont
Annak megállapítása, hogy a csavarban folyó áramra nem hat erő, mert iránya párhuzamos az indukció irányával:
2 pont
A mágnesben folyó áramra ható erő irányának megfogalmazása:
2 pont
Az áramra ható erő iránya merőleges az áram irányára is és az indukció irányára is. (Tehát a sugárra merőleges irányban, a vízszintes síkban hat.)
(A jobbkéz‑szabály fentieknél pontosabb ismertetésére nincs szükség.)
Annak felismerése, hogy a Lorenz‑erő így a mágnes tengelyére vonatkozó forgatónyomatékot fejt ki:
3 pont
(Nem tekintendő hibának, ha a vizsgázó nem tér ki arra a kérdésre, hogy a mágnesre az ellenerő hat.)
Annak megfogalmazása, hogy a forgató hatás folyamatos, míg az áram folyik:
1 pont
b) Milyen változás következik be, ha az elem pólusait felcseréljük?
Az elem pólusainak felcserélésével az áramirány megfordul, s ezért a forgásirány ellentétes lesz.
b) Az elem pólusainak felcserélésével az áramirány megfordul, s ezért a forgásirány ellentétes lesz – gondolat megfogalmazásáért:
3 pont
(bontható)
Összesen: 20 pont