Faraday vs. Kirchoff (Lewin vs. ElectroBOOM)

[idiotdea]

Jag undrar om någon har sett och skapat egna åsikter angående ElectroBOOM's senaste Youtube video, var hans åsikt avviker från f.d. MIT-professorn Walter Lewin angående elektromagnetisk induktion. Att försöka förklara problematiken och meningskiljaktigheterna i ett kort inlägg känns lönlöst, och för de som inte känner till detta så refererar jag endast till ett par Youtube videon:

1. Senaste videon av ElectroBOOM
2. Lecture 16 av Water Lewin, var relevanta delen börjar vid 34:50

Och för att själv ha någon insats i detta så meddelar jag att min åsikt är att Walter Lewin har rätt. Det enda jag kan "kritisera" honom för är att han kanske har en något "primitiv" definition av Kirchoff's lag. Samtidigt håller jag inte med ElectroBOOM om att det induceras en spänning i ledarna (som torde ha försumbar resistans).

I varje fall så tycker jag experimentet är intressant, och något av en paradox som påvisar att det inte alltid är så lätt att hålla tungan rätt mun

[Castello]

Intressant tråd!

Ja, jag skulle också säga att Lewin har rätt. Kirchoffs lag gäller bara under stabila förhållanden, så fort man hanterar tidsvarianta fält slutar antagandet att summan är noll att gälla.

Det här blir ju förvirrande att skriva i text men värt att tänka på: Faradays lag säger att integralen av det elektriska fältet (potentialskillnaden) i en slinga inte är noll utan lika med ytintegralen av det magnetiska fältets förändringstakt för den yta som omsluts av slingan.

Så, när man pratar om inducerad spänning (EMF) så är man ju med på att det uppstår en spänning som "inte är en del av" slingan. Om vi skulle hantera det hela med Kirchoff (där summan skall bli noll) , var i slingan skulle den spänningskällan planceras i så fall?

[MadModder]

Nja... Det blir ju fel mätvärden när dina mätsladdar påverkas av samma magnetfält som kretsen du ska mäta på. Du bör ha dem 90° mot mätobjektet. Och loopen blir ju faktiskt ett varv i en transformator. Man kan inte placera spänningskällan på en speciell punkt. Hela loopen är den "spänning som fattas", inklusive motstånden själva. Så som det är uppritat blir ju resultatet exakt samma som om du skulle mäta direkt över varje motstånd. Den bit av mätsladden och kretsloopen som löper parallellt tar ut varandra.
Har ni testat att sätta ett enda varv kopplingstråd i en ring genom en mikrovågsugnstransformator? Tråden brinner av pga den höga strömmen genom den.
Och nej det uppstår ju inte någon spänning som sagt. Det uppstår en ström. Och det beror helt på var man mäter, och hur man lägger sina mätsladdar, vilken spänning man mäter upp.
Spänningen över själva tråden är i det närmaste noll. Men jag slår vad om att strömmen i tråden multiplicerat med trådens resistans blir den negativa spänningen.

Om man fäster sladdarna direkt över det högra motståndet, men drar mätsladdarna längs med hela loopen över till andra sidan, kommer man se spänningen över det vänstra motståndet.

Så... Om ena motståndet har +0,1V över sig, och det andra +0,9V, så är hela den slutna kretsloopen X, och X=-1V.

[E Kafeman]

Om man flyttar en och samma voltmätare från en sida till en annan, oavsett mätobjekt, och får olika mätvärden så är det ett mätfel som resultat av haltande mätmetod.
Finns ingen mening i att förklara det med "alternativ" och misstolkad vetenskap, sådant fungerar bara i skolans värld, inte när man har en konkret uppgift att designa eller felsöka något som ska fungera på ett visst sätt.
Som lärare har han troligen kört denna lektion i många år och kommer inte låta sina cirklar och auktoritet rubbas av mot-argument.
Lite som ett tecken på hans auktoritet är att inga studenter yttrar sej om felaktiga uppställningen av Ohms lag även om de flesta borde reagerat.

mätfel.png

I videon är frekvensen på fältförändringen närmast DC. Om loopen varit av betydande längd relativt våglängden på den påförde magnetfälts-förändringen hade ström och spänning varierat utefter loopen pga av spolens induktans. I detta fallet är loopens fysiska längd en mycket kort del av våglängden så ström och spänning varierar marginellt av var motstånd och ledarlängder är placerade i loopen. Mätning av spänning på valfri plats utefter varje del-ledare ger samma spänning. Får man annat resultat måste man vara förblindad akademiker utan yrkeserfarenhet för att inte begripa att det är ett mätfel.

Läraren ser det kanske som att mätinstrumentet och dess mätkablar är en del av kretsen men undviker att förklara det utan fokuserar på att man ska förundras över det svårbegripliga mätfenomenet som han kan påvisa.
Det är i stort samma fenomen som när man får olika mätutslag på oscilloskopet när man mäter på kretskort. Beroende på var på jordplanet mätproben får sin jordreferens och hur lång probens jordning är har stor betydelse. Gör dessutom jordtråden några varv runt en spole så kan mätresultatet bli besynnerligt om man inte begriper att det kan induceras signal den vägen.

Synd att studenterna offras till att missförstå något för att föreläsaren ska förefalla magisk i sitt kunnande.
Spänningen som mäts är vid själva instrumentet och inte vid de påstådda mätpunkterna.

loop2.png

Genom att flytta ena mätsladden på detta sätt kommer bägge mätarna visa samma spänning då de kommer påverkas lika av magnetfältet.

[idiotdea]

Roligt med lite diskussion till slut

Om inget annat så framhåller denna problematik att man här måste vara extra noggrann med hur man beskriver och mäter spänningar. Eftersom det inte finns någon naturligt nollpunk så måste man vara noggrann med förtecknet på spänningsskillnader. Samtidigt borde man också förklara hur man uppmätt spänningsskillnaden, eftersom detta naturligtvis kan påverka resultatet. P.g.a. detta har jag lite svårt att följa med MadModders resonemang (jag är också osäker på var parallellen med mikrovågsugnstransformatorn slutar).

Om man flyttar en och samma voltmätare från en sida till en annan, oavsett mätobjekt, och får olika mätvärden så är det ett mätfel som resultat av haltande mätmetod.

Om man fasthåller att spänningen mellan två punkter alltid är väldefinierad och unik så håller jag med. Men min förståelse så att detta inte fallet när man har med varierande magnetfält att göra. I detta fall beror spänningsskillnaden på "vilken väg" man tar mellan två punkter. Lite som att sträckan mellan Stockholm och Göteborg beror på vilken väg man kör (var sträckan uppmäts med milmätaren).


Visst kan det vara svårt för en elev att säga emot Walter Lewin på hans föreläsningar. Delvist på grund av auktoritet och snabb takt på föreläsningarna, men antagligen ännu mer p.g.a. att detta är nytt för eleverna och ingen hinner tänka igenom det tillräckligt för att hinna ställa svåra frågor. Det betyder dock inte att Walter Lewin har fel.


Motargumentet som jag har sett mot Walter Lewins experiment är att han har ett magnetfält också inne i voltmätarslingan (vänstra respektive högra slingan i E Kafemans övre bild). Ifall man håller med om att detta fel kan minimeras genom att minska den fysiska storleken på mätslingan, vad får man då för resultat när man låter mätslingans area gå mot noll?

[E Kafeman]

>Men min förståelse så att detta inte fallet när man har med varierande magnetfält att göra. I detta fall beror spänningsskillnaden på "vilken väg" man tar mellan två punkter.

Frågan är om man vill mäta spänningen mellan två punkter i en apparat, eller om man vill mäta spänning i en apparat+vad mätkablar adderar.
Det är fullt möjligt att mäta utan att mätkablarna tillför missvisning, vilket IRL normalt är vad man önskar göra.
Felsöker jag en elmotor genom att mäta spänningen på fältlindningar så önskar jag inte inkludera mätkablarna i resultatet.
Det gör Lewin samtidigt som han pekar på fel punkter på kopplingen han ritar på tavlan.
Tar man med mätkablarna är hans mätuppställning inte minsta förvånande.
Han har tekniskt inte fel men är på gränsen till bedragare eller snäppet över genom sättet han presenterar det på.

Lewins demonstration är han långt från först med. Det finns en snarlik demonstration vars mätresultat kan bli än mer besynnerlig med den typen av presentation, och det är om man ersätter ena motståndet med en kortslutning. Antag att man ersätter vänster motstånd i Lewins schema med en kortslutning, vad visar voltmätaren på höger sida? Inte särskilt intuitivt och få förunnat att begripa skulle Lewin säja.
Särskilt svårt att förstå detta skulle det vara för Lewin själv eftersom han låter påskina att EMF mäts över motstånden och att det är 0 Volt i sammanbindande ledare. Det blir knepigt att få ihop teorin med endast en ledare och ett motstånd.

Tveksamt om jag skulle anlita honom som elektriker.

>vad får man då för resultat när man låter mätslingans area gå mot noll?
Mätslingans area behöver inte gå mot noll. Det räcker med att mätkablaget inte adderar till mätresultatet.
Rätt mätvärde blir då 0.4 Volt mellan punkterna A-D i Lewins uppstälning.
Lewin mäter detta till -0.1 resp +0.9 Volt. Enkel logik ger att mätkablaget då ger 0.5 Volt. I ena fallet blir mätresultatet 0.5 Volt för högt och andra fallet 0.5 Volt för lågt.

[Nerre]

Precis som E Kafeman säger så mäter inte ett mätinstrument spänningen ute i änden av mätsladdarna. Oftast mäter en voltmeter inte ens spänningen, en voltmeter mäter strömmen genom en känd impedans och skalas sen om för att visa vilken spänning som borde ge denna ström.

Det är väldigt viktigt att förstå vad man försöker mäta och vilka eventuella faktorer som kan påverka mätvärdet. Man måste förstå hur ens mätinstrument fungerar inuti.

Typiskt exempel är ju att försöka mäta komplexa vågformer med en vanlig multimeter. En analog multimeter mätas oftast likriktat medelvärde och skalar om det för att visa RMS-värde, men den omskalningen förutsätter att vågformen är sinus.

[MadModder]

Tanken med en trådring genom en MOT haltar kanske lite men det var väl mest det att det kan gå en ström runt i en ensam kortsluten tråd, och man kan inte säga att det finns en spänning mellan två punkter utan hela ringen måste ses som en helhet. Svårt att förklara.

[idiotdea]

Det är uppenbart att mätinstrumentets sladdar kan påverka resultatet. Enligt mig så minimerar man felet med sladdarnas resistans (och självinduktans) genom att låta en låg ström gå genom dem (hög impedans på mätinstrumentet). Felet från inducerad spänning minimeras genom att ha så liten tvärsnittsarea som möjligt i mätkretsen. Detta t.ex. genom att låta mätsladdarna gå mycket nära varandra, och gärna också vara partvinnade. Är vi överens om detta?

>Felsöker jag en elmotor genom att mäta spänningen på fältlindningar så önskar jag inte inkludera mätkablarna i resultatet.
>Det gör Lewin samtidigt som han pekar på fel punkter på kopplingen han ritar på tavlan.
På vilket sätt mäter då Lewin fel, och hur borde han ändra på mätningen för att den skall bli rätt?

>Antag att man ersätter vänster motstånd i Lewins schema med en kortslutning, vad visar voltmätaren på höger sida?
Då visar voltmätaren till höger 1 V (förutsatt att magnetfältet ändras lika snabbt som i tidigare experiment). Den inducerade spänningen tas alltså upp i sin helhet av R2, och strömmen i kretsen blir något högre än tidigare. Voltmätaren till vänster visar 0 V.

Jag skulle inte heller anlita Lewin som elektriker, och det finns det många orsaker till. Men det är inte direkt relevant i denna diskussion.

>Mätslingans area behöver inte gå mot noll. Det räcker med att mätkablaget inte adderar till mätresultatet.
Javisst, och att minimera mätslingans area är mitt förslag på hur detta enklast kan åstadkommas. Har du själv andra praktiska rekommendationer?

[E Kafeman]

>Detta t.ex. genom att låta mätsladdarna gå mycket nära varandra, och gärna också vara partvinnade. Är vi överens om detta?
Det är ett sätt men partvinning funkar inte om man har två mätpunkter mitt emot varandra på en spole. Man har ett fysiskt avstånd mellan mätpunkterna som inte kan tvinnas.

>På vilket sätt mäter då Lewin fel,
Han mäter missledande. Han ritar ut punkterna A-D och mäter spänningar som inte refererar till dessa punkterna, men försöker ge sken av att så är fallet även om han samtidigt säjer att Farradays lag är korrekt, vilket den naturligtvis är om man tar med mätledningarna i ekvationen.

>Voltmätaren till vänster visar 0 V.
Korrekt, men mätpunkten A-D som nu förbinds av en koppartråd "med försumbart spänningsfall enl. Lewin" har spänningen 0,5V.

>Har du själv andra praktiska rekommendationer?
Ett sätt är att låta bägge mätkablarna från resp mätpunt A&D mötas i centrum av spolen för att därifrån tvinnas. Eftersom bägge otvinnade mätkabel-sträckorna kommer utsättas för samma fält blir summaillförseln av mätfel noll.

[MadModder]

Genom att dra ihop mätsladdarna så de spänns upp i en rak linje mellan mätpunkterna, och från mitten ha dem tvinnade bort till mätaren minimerar man påverkan jämfört med att dra dem längs med spolen

Själva idén att basera något på att resultatet blir olika beroende på var man lägger mätsladdarna...

[Castello]

Ok, så vi har en ström som flyter genom slingan, genom två motstånd med olika värden. Detta ger upphov till två olika spänningsfall. Därmed kommer man få olika potentialskillnad beroende på vilken väg man går igenom slingan. I ett tidsvariant magnetfält är inte summan av potentialskillnaderna noll utan proportionell mot derivatan av magnetfälet. Notera att detta innebär att om magnetfälet blir statiskt (derivatan blir noll) så kollapsar spänningarna och vi kommer tillbaka till en vilande, icke spänningssatt krets.

Man kan tycka vad man vill om förevisningen, men resultaten (som också electroBOOM fick) stöds av Faradays lag. Kirchoffs lag fungerar inte då den antar att vi inte har några tidsderivator. Man kan inte applicera Kirchoffs lag på ett elektromagnetiskt problem.

[MadModder]

Men hur kort tid då? Vilken frekvens ska vi upp i för att det ska gå att mäta skillnader utmed en ledare?
Går det att mäta så har väl ledaren vid det laget blivit en vågledare.

[idiotdea]

Okej, jag tror jag förstår vad ni tycker Lewin gör fel. Han mäter "direkt" över motstånden, och detta är alltså (enligt er) inte samma spänning som mellan punkt A och D på hans bild. Detta har förstås betydelse om det finns en spänning mellan t.ex. punkt A och punkten var vänstra voltmätarens minussladd är inkopplad. Lewin och också jag själv tror att det inte finns någon spänningförändring i kretsen, förutom just över motstånden (och försumbar ledningsresistans).

Skall man mäta över något med en fysisk storlek så kan sladdarna inte vara tvinnade hela vägen fram (där är vi helt överens). Men var de inte är tvinnade vill man ha så lite magnetiskt flöde genom mätkretsen som möjligt. Om jag förstår rätt, så är det alltså såhär ni tycker att man borde mäta?

halfvoltage.png

Visst, mäter man på det viset och också har punkten var sladdarna går åt olika håll i mitten av cirkeln (eller magnetfältet), så mäter man upp 0,4 V. Varför man mäter 0,4 V är säkert varifrån de största meningsskiljaktigheterna uppstår. Det två olika synsätten verkar vara:
1. Att man mäter upp 0,4 V beror på att det finns 0,5 V spänningsfall i ledana
2. Vad man mäter är den inducerade spänningen på 0,5 V (mätkretsen omsluter endast halva magnetfältet) "minus" resistorernas spänningsfall. Med andra ord inget spänningsfall över ledarna.
Med detta experiment kan det vara svårt att avgöra vilket av ovanstående som är rätt.

Jag håller fast vid att det inte finns ett (annat än försumbart) spänningsfall över ledarna

[E Kafeman]

Har faktiskt inte ännu kollat Electroboom's video men bilden var ungefär vad jag avsåg.

Nu är detta en spole på endast ett varv. Låt spolen ha flera varv, det ändrar inget mer än dimensioner.
Då kan vi lägga på så många varv att man kan ha ett mitt-uttag typ som trafo på 110/220V brukar lindas.
Kallar inte spänningen på 110 Volt försumbar även om det bara är ledningslängd.

Tiden i fråga är ett fruset tidsögonblick där max inducerad spänning uppmäts.
Inga nämnvärda konstigheter vad gäller ström-distributionen som är samma över hela ledarlängden, då induktiva effekterna är mer än försumbara.