11668

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА САМОИНДУКЦИИ МЕТОДОМ ЖУБЕРА

Лабораторная работа

Физика

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №4.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА САМОИНДУКЦИИ МЕТОДОМ ЖУБЕРА ЦЕЛЬ РАБОТЫ Исследовать зависимость коэффициента самоиндукции от положения подвижного сердечника. ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ Исследуемая катушка само...

Русский

2013-04-10

132.19 KB

55 чел.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №4.1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА САМОИНДУКЦИИ МЕТОДОМ ЖУБЕРА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Исследовать зависимость коэффициента самоиндукции от положения подвижного сердечника.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

Исследуемая катушка самоиндукции с вставным сердечником; реостат; амперметр постоянного тока; вольтметры постоянного и переменного тока; понижающий трансформатор; ключ; соединительные провода.

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ

При всяком изменении тока в электрической цепи меняется и величина связанного с ним магнитного потока. Так как связанный с током магнитный поток пронизывает площадь, ограниченную контуром цепи, то при изменении тока в какой-нибудь электрической цепи в ней самой возникает электродвижущая сила индукции, называемая электродвижущей силой самоиндукции. Величина электродвижущей силы самоиндукции определяется по формуле:

,                                              (1)

где  поток магнитной индукции, связанный с током, текущим по цепи.

Величина магнитного потока, т.е. число линий индукции, охватывающих контур цепи, пропорциональна току, протекающему в цепи:

                                                  (2)

Коэффициент пропорциональности L в этой зависимости носит название индуктивности или коэффициента самоиндукции контура. Если ток , тогда , т.е. индуктивность контура равна потоку магнитной индукции, пронизывающему площадь, ограниченную контуром, когда по этому контуру течет ток, равный единице. Величина этого коэффициента зависит от размеров и формы контура и от магнитной проницаемости среды.

Электрический ток не может существовать без связанного с ним окружающего его магнитного поля, поэтому всякий контур обладает индуктивностью. Однако можно изготовить контур, индуктивность которого будет достаточно мала. Для этого необходимо максимально сблизить участки контура, по которым ток проходит в противоположных направлениях (шнур осветительной сети, бифилярная обмотка в эталонных резисторах).

Высокой индуктивностью обладает соленоид с большим числом близко расположенных витков и большой площадью сечения. Индуктивность еще больше увеличивается при наличии в соленоиде железного сердечника.

Величину электродвижущей силы самоиндукции, возникающей при изменении тока в контуре, можно получить, подставив в формулу (1) значения из формулы (2). Тогда:

                                              (3)

Если параметры контура не меняются при изменении тока, то  выносится за знак производной как постоянная величина:

                                                (4)

Здесь  величина положительная. Следовательно, знак электродвижущей силы самоиндукции определяется знаком . Если , то  электродвижущая сила самоиндукции направлена навстречу возрастающему току. Если , т.е. если ток в контуре уменьшается, то , и направление электродвижущей силы самоиндукции совпадает с направлением тока.

Формула (4) дает возможность дать другое определение индуктивности. Производная от тока по времени есть скорость изменения тока. Если она будет равна единице, то  . Это значит, что индуктивность контура равна электродвижущей силе самоиндукции, возникающей в контуре при равномерном изменении в ней тока на одну единицу за единицу времени (при скорости изменения тока, равной единице)

Из формулы (2) вытекает единица размерности коэффициента самоиндукции. В системе единиц СИ она называется генри (Гн).

1 Гн  есть индуктивность такого уединенного контура, площадь которого пронизывается магнитным потоком в 1 Вб, если в нем идет ток силой 1 А.

1 Гн = 1 Вб/А.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

При прохождении по проводнику переменного тока в нем появляется ЭДС самоиндукции. Текущий по проводнику с индуктивностью  ток меняется не только из-за изменения приложенного напряжения, но и вследствие действия возникающей в нем ЭДС самоиндукции. Это же действие оказывается в том, что максимального значения ток достигает позже, чем приложенное напряжение. В случае, если проводник обладает ничтожным омическим сопротивлением, ток отстает от напряжения на 1/4 периода, сдвиг фаз между приложенным напряжением и силой тока равен . При этом максимальное (амплитудное) значение тока будет равно

,                                               (5)

где  циклическая частота;  напряжение.

Рис.1

Сравнение формулы (5) с законом Ома показывает, что величина играет роль сопротивления. Она называется индуктивным сопротивлением.

Чтобы индуктивное сопротивление было выражено в омах, нужно выразить в генри. Индуктивное сопротивление зависит не только от индуктивности контура, но и пропорционально циклической частоте тока .

Теория переменных токов показывает, что при наличии в цепи омического сопротивления и индуктивного сопротивления полное сопротивление переменному току равно

                                              .                                           (6)

Пользуясь формулой (6), можно определить индуктивность соленоида методом Жубера, измеряя его омическое и индуктивное сопротивления. Для этой цели, подключив исследуемую катушку в цепь постоянного тока и измеряя силу тока и напряжение , определяют омическое сопротивление:

                                            .                                            (7)

Подключив эту же катушку в цепь переменного тока, и измеряя силу тока i и напряжение u, определяют полное сопротивление:

                                                                                           (8)

Рабочую формулу для вычисления коэффициента самоиндукции можно получить, если выражение (6) возвести в квадрат и из него выразить :

Пользуясь током от сети с частотой =50 Гц и учитывая, что , окончательно получим

                                                          (9)


ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Схема цепи для измерений на постоянном токе приведена на рис.1,

Рис.1

где  источник постоянного тока;  исследуемая катушка;  реостат;   амперметр;  вольтметр постоянного тока.

2. Замкнув ключ К, пропускают через катушку постоянный ток. Для
3-х произвольно выбранных значений силы тока определяют на концах катушки напряжения, соответствующие этим токам, при следующих условиях опытов: а) отсутствует железный сердечник в исследуемой катушке (l=0); б) железный сердечник вставлен в катушку на 1/4 его длины l; в) железный сердечник вставлен в катушку на 1/2 его длины l; г) железный сердечник вставлен в катушку на 3/4 его длины l. Изменения тока осуществляются вращением ползунка реостата R.

2. Данные измерений занести в таблицу.

  1. Схема цепи для измерений на переменном токе приведена на рис.2.

Рис.2

На этой схеме понижающий трансформатор;  исследуемая катушка;  реостат; и амперметр и вольтметр переменного тока.

  1. Замкнув ключ В, пропускают через катушку переменный ток. Для
    3-х произвольно выбранных значений  силы тока определяют на концах катушки напряжения, соответствующие этим токам, при следующих условиях опытов: а) отсутствует железный сердечник в исследуемой катушке (l=0); б) железный сердечник вставлен в катушку на 1/4 его длины l; в) железный сердечник вставлен в катушку на 1/2 его длины l; г) железный сердечник вставлен в катушку на 3/4 его длины l. Изменения силы переменного тока осуществляются вращением ползунка реостата R.
  2. Данные измерений занести в таблицу.

Таблица измерений при длине l вводимого в катушку сердечника:

№ п/п

I, A

(пост. ток)

U, B

(пост. ток)

R, Oм

I, A

(перем. ток)

U, B

(перем. ток)

Z, Oм

L,

Гн

Lср, Гн

, Гн

σ,

Гн

1.

2.

3.

№ п/п

I, A

(пост. ток)

U, B

(пост. ток)

R, Oм

I, A

(перем. ток)

U, B

(перем. ток)

Z, Oм

L,

Гн

Lср, Гн

, Гн

σ,

Гн

1.

2.

3.

№ п/п

I, A

(пост. ток)

U, B

(пост. ток)

R, Oм

I, A

(перем. ток)

U, B

(перем. ток)

Z, Oм

L,

Гн

Lср, Гн

, Гн

σ,

Гн

1.

2.

3.

№ п/п

I, A

(пост. ток)

U, B

(пост. ток)

R, Oм

I, A

(перем. ток)

U, B

(перем. ток)

Z, Oм

L,

Гн

Lср, Гн

, Гн

σ,

Гн

1.

2.

3.

  1. Пользуясь расчетной формулой (9) и таблицей результатов измерений, рассчитать искомое значение индуктивности и записать в окончательном виде для каждого положения сердечника. Здесь  среднеквадратичное отклонение, вычисляемое по формуле:

,

где  абсолютная погрешность искомой величины.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  1. В чем заключается явление самоиндукции?
  2. Что называется коэффициентом самоиндукции? От чего зависит его величина? В каких единицах он измеряется?
  3. Что такое магнитный поток? Сформулируйте теорему Гаусса для вектора магнитной индукции.
  4. Что означает понятие «вихревое поле»?
  5. Запишите и сформулируйте закон Фарадея в применении к явлению самоиндукции. Чем объяснить «-» в нем?
  6. Дать описание метода Жубера и получите рабочую формулу для определения коэффициента самоиндукции.
  7. Чем объяснить увеличение сопротивления в цепи с переменным током по сравнению с постоянным током в этом же контуре?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

5045. Определение длины световой волны при помощи дифракционной решетки 111.5 KB
  Определение длины световой волны при помощи дифракционной решётки Цель работы: определение с помощью дифракционной решётки длины световых волн в различных частях видимого спектра. Приборы и принадлежности: дифракционная решётка плоская шкала со щел...
5046. Определение эффективного коэффициента ослабления космических лучей 119.5 KB
  Определение эффективного коэффициента ослабления космических лучей Цель работы: определение эффективного коэффициента ослабления космических лучей в свинце. Приборы и принадлежности: установка для измерения интенсивности космических лучей ФПК...
5047. Исследование комбинационных логических схем 185 KB
  Исследование комбинационных логических схем. ЧАСТЬ 1. Исследование базового логического элемента ТТЛ. Построить передаточную характеристику. Реализовать с помощью ЛЭ 2И-НЕ схемы И, ИЛИ, НЕ...
5048. Исследование структуры и устройства триггеров 116.5 KB
  Исследование структуры и устройства триггеров. Исследование асинхронного RS- триггера. Исследование двухступенчатого RS – триггера...
5049. Исследование статических характеристик и параметров полевых транзисторов 92 KB
  Исследование статических характеристик и параметров полевых транзисторов Цель работы Изучить принцип действия, характеристики и параметры полевых транзисторов (ПТ). Отчет о работе Снять передаточную характеристику IC=F(U3И) (график...
5050. Виготовлення разової ливарної форми за рознімною моделлю 117.5 KB
  Виготовлення разової ливарної форми за рознімною моделлю. Мета роботи: ознайомитися з процесом виготовлення вручну разової ливарної форми зі стержнем для нескладного виливка у двох опоках за рознімною моделлю. Обладнання, прилади, матеріали. Модельн...
5051. Исследование работы регистров и счетчиков 95 KB
  Исследование работы регистров и счетчиков. Регистры – устройства, предназначенные для хранения и преобразования двоичной информации. Они представляют собой набор определенным образом связанных триггеров...
5052. Исследования комбинационных логических схем 100 KB
  Исследования комбинационных логических схем. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: ознакомление с логикой работы, изучение принципа действия, исследование и определение основных характеристик и параметров базового логического элемента ТТЛ, изучение структуры и работы основн...
5053. Переходные процессы в цепях с одним реактивным элементом 740 KB
  Переходные процессы в цепях с одним реактивным элементом Цель работы Изучение и компьютерное моделирование переходных процессов, возникающих при коммутациях в цепях первого порядка, содержащих сопротивление и емкость либо сопротивление и индуктив...