FYSIKbasen.dk - Den danske database for pædagogiske undervisningsforsøg til fysiklærere
Forside Nyheder Forsøg Om siden Kontakt English
Gå en side tilbageUdskriv dette forsøgForetag ny søgning

rød pilRing launcher / jumping ring

Forsøg nr.: 55
Formål: At demonstrere induktion og Lenz' Lov.
Resume: En stor strømpuls sendes igennem en spole, der sidder for enden af en lang jernkerne. En løstsiddende metalring, der også sidder på jernkernen, skydes højt op i luften.
Nøgleord: Elektromotorisk kraft, induktion, magnetfelter, magnetisk kraft, acceleration, ballistik, bevægelse, kræfter, ligevægt.

Beskrivelse:

Ved hjælp af elektromagnetiske kræfter kan man lave en slags affyringsrampe, der kan skyde en aluminiumsring højt op i luften. Forsøget, der traditionelt kaldes "jumping ring" eller "ring launcher", blev første gang demonstreret i 1887 af Elihu Thomson (1853-1937) i USA. Forsøget kaldes derfor også "Thomson's jumping ring".

Forsøget kan købes færdigbygget, men man kan også lave det selv. Her beskrives to måder, hvor der anvendes henholdsvis kondensatorer og elnettet som strømforsyning.

Diagram over elektromagnetisk ring launcher
Diagram over elektromagnetisk "ring launcher" med kondensator.

En kondensator kobles til en spole, der er placeret rundt om en jernkerne. Den ene ledning skal løbe igennem en kontakt. Ned over jernkernen placeres en let, ledende metalring af for eksempel aluminium. Først lades kondensatorerne op, hvorefter disse aflades pludseligt via kontakten gennem spolen. Den korte, kraftige strømpuls inducerer en stor magnetisk puls gennem jernkernen. Dette inducerer en strøm igennem aluminiumsringen, hvilket skaber et modsatrettet magnetfelt (Lenz' Lov), som skubber ringen kraftigt op i luften.

Ring launcher bestående af spole med jernkerne og tilhørende aluminiumsringe
Ring launcher bestående af spole med jernkerne og tilhørende aluminiumsringe.

Faresymbol Det er selvfølgelig vigtigt, at strømpulsen gennem spolen er stor nok til, at induktionskræfterne kan løfte ringen. På nedenstående billede anvendes 8 stk. 2 mikroFarad højspændingskondensatorer i parallel. De lades op til 1,5 - 3,0 kV, før kontaktes til spolen sluttes. Det er meget farligt at røre ved de opladede kondensatorer!

Billede af ring launcher forsøg
Billede af ring launcher forsøg. Til højre står strømforsyningen (med amperemeter), som oplader kondensatorerne under bordet. Når opladningen er færdig, lukkes kontakten til venstre, og kondensatorerne aflader en kraftig strømpuls igennem spolen med jernkernen.

I stedet for at bruge kondensatorer kan man lave forsøget med spolen sluttet direkte til stikkontakten. Dette er lidt nemmere og sådan set også sikrere - men til gengæld ikke helt så effektivt.

Prøv først at tilslutte en variac til en spole med en lang jernkerne. Placér en aluminiumsring rundt om jernkernen, og skru op for strømmen, så der løber 5-6 A (230 V, 50 Hz) gennem spolen. Aluminiumsringen vil så løfte sig og svæve nolge centimeter over spolen. Husk at indsætte en sikring i kredsløbet!

En aluminiumsring svæver over en spole med 50 Hz vekselstrøm i
En aluminiumsring svæver over en spole med 50 Hz vekselstrøm. Se film af forsøget i referencerne.

Erstat nu variacen med en kontakt og en sikring sluttet direkte til en stikkontakt. I det man tænder for strømmen, kortsluttes strømmen fra stikkontakten over spolen, og ringen flyver til vejrs. Her er det dog vigtigt, at der indsættes en sikring, så elnettet ikke overbelastes. Alternativt kan man bruge et relæ, der automatisk slår fra ved en 6-8 A.

Diagram over elektromagnetisk ring launcher
Diagram over elektromagnetisk "ring launcher" forbundet til elnettet.

Når man én gang har lavet forsøget med en aluminiumsring, så skal man gentage forsøget med en ring, der er skåret over et enkelt sted, således at de inducerede strømme ikke kan løbe rundt i ringen. Her ser man tydeligt, at effekten reduceres dramatisk, ja, den forsvinder stort set.

Til gengæld bliver forsøget væsentligt bedre, hvis aluminiumsringen først køles ned i flydende kvælstof. Dermed bliver den elektriske modstand i ringen reduceret, og man vil kunne inducere langt større kræfter mellem spole og ring.

Udstyr og materialer:

grøn pil Spole
grøn pil Aluminiumsring
grøn pil Jernstang
grøn pil Færdigbygget "ring launcher"

Referencer:

grøn pilT.D. Rossing and J.R. Hull: "Magnetic levitation", The Physics Teacher 29, 552 (1991). (Længere gennemgang af forskellige magnetiske svæveforsøg.) (http://scitation.aip.org/tpt)
grøn pilLink til forsøg i database på University of Iowa.
grøn pilA.R. Quinton: "The AC repulsion demonstration of Elihu Thomson", The Physics Teacher 17, 40 (1979). (http://scitation.aip.org/tpt)
grøn pilS.Y. Mak and K. Young: "Floating metal ring in an alternating magnetic field", Am. J. Phys. 54, 808 (1986).
grøn pilG. Stix: "Air trains", Scientific American 267, 85 (August 1992). (Gennemgang af magnetisk svævende tog.)
grøn pilB.S. Perkalskis and J.R. Freeman: "Extending Elihu Thomson's demonstration and Lenz's Law", Am. J. Phys. 65, 1022 (1997).
grøn pilC.S. Schneider and J.P. Ertel: "A classroom jumping ring", Am. J. Phys. 66, 686 (1998).
grøn pilQuick Time film af aluminiumsring, der svæver over en spole (827 KB).
grøn pilJ. Hall: "Forces on the jumping ring", The Physics Teacher 35, 80 (1997). (http://scitation.aip.org/tpt)
grøn pilK.E. Jesse: "Measuring Current in a jumping ring", The Physics Teacher 35, 198 (1997). (To metoder til at måle strømmen i ringen.) (http://scitation.aip.org/tpt)

PIRA DCS: 5K20.30 (Elektricitet og magnetisme: Elektromagnetisk induktion) Hvad er PIRA DCS?

Opdateret: 22.11.2004