ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА САМОИНДУКЦИИ КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ Цель работы: определение коэффициента самоиндукции катушки методом измерения ее полного электрического сопротивления (импеданса) по переменному и постоянному току. Приборы и оборудование: катушка индуктивности (L1), источник постоянного тока (G4), миллиамперметр переменного тока, миллиамперметр постоянного тока, вольтметр переменного тока, вольтметр постоянного тока, генератор электрических колебаний (ЗГ-1000Гц). Теоретические сведения В пространстве, окружающем электрические токи и постоянные магниты, возникает силовое поле, называемое магнитным. Наличие его обнаруживается по силовому действию на внесенные проводники или постоянные магниты. Ампер установил, что сила dF , с которой магнитное поле действует на элемент проводника d l с током прямо пропорциональна силе тока I и векторному произведению элемента d l на магнитную индукцию B : dF I d l , B . Модуль силы Ампера вычисляется по формуле dF IBdlsin , где - угол между векторами d l и B ; dl d l и B B . Таким образом, вектор магнитной индукции B является силовой характеристикой магнитного поля. Последнее изображают с помощью линий магнитной индукции - линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора B . Магнитная стрелка устанавливается вдоль касательной к линии магнитной индукции, причем ее северный конец N указывает направление вектора B . Закон Ампера позволяет определить единицу измерения магнитной индукции. Пусть элемент проводника d l c током силой I перпендикулярен линиям магнитной индукции однородного поля. Тогда модуль силы Ампера равен dF IBdl при =π/2 и sin =1. dF Откуда . B Idl Единица измерения магнитной индукции - Тесла (Тл). 1 Тесла - магнитная индукция однородного поля, действующего с силой в 1 Н на каждый метр длины прямолинейного проводника, расположенного перпендикулярно линиям магнитной индукции, если по этому проводнику идет ток силой 1 А: 1Н 1Тл . 1А 1м Потоком вектора магнитной индукции (магнитным потоком) через площадку dS называется скалярная физическая величина, равная dФ BdS B n dS , где Вn = Вcos - проекция вектора B на направление единичной нормали n к площадке dS; - угол между векторами n и B ; dS dSn - вектор, модуль которого равен dS ( n 1 ), а направление совпадает с направлением нормали n к площадке dS (рис. 7.1). Рис. 7.1 Для однородного поля и плоской поверхности, перпендикулярной вектору B , Вn = В = const и Ф=ВS. Из последней формулы определяется единица измерения магнитного потока Вебер (Вб). 1 Вебер - магнитный поток, проходящий через плоскую поверхность площадью 1м2, перпендикулярную линиям магнитной индукции однородного поля, индукция которого равна 1 Тесле: 1Вб=1Тл 1м2. Теорема Гаусса для магнитного поля: поток вектора магнитной индукции через любую замкнутую поверхность равен нулю, т.е. BdS BndS 0 . S S Эта теорема отражает отсутствие магнитных зарядов, вследствие чего линии магнитной индукции не имеют ни начала, ни конца и являются замкнутыми. Электрический ток, идущий по замкнутому контуру, в окружающем пространстве создает магнитное поле, индукция которого, по закону БиоСавара-Лапласа, прямо пропорциональна силе тока. Поэтому магнитный поток Ф пропорционален силе тока I в контуре: Ф = LI, где L - коэффициент самоиндукции, или индуктивность контура. Из этого выражения определяется единица измерения индуктивности - Генри (Гн). 1 Генри - индуктивность такого контура, магнитный поток самоиндукции которого при силе тока в 1А равен 1 Веберу: 1Вб Вс 1Гн 1 1А А Фарадей открыл закон: при изменении магнитного потока, пронизывающего поверхность, натянутую на замкнутый проводящий контур, в последнем возникает электродвижущая сила (ЭДС) индукции: dФ i dt Знак «минус» в этой формуле является математическим выражением правила Ленца: индукционный ток в контуре имеет всегда такое направление, при котором создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока. Таким образом, при изменении силы тока в контуре изменяется и сцепленный с ним магнитный поток и, следовательно, индуцируется ЭДС. Возникновение ЭДС в проводящем контуре при изменении в нем силы тока называется самоиндукцией. Применяя к самоиндукции закон Фарадея, получим, что ЭДС самоиндукции dФ d(LI) dL dI S L I dt dt dt dt Если контур не деформируется, то L=const и dI S L dt Значит, на концах катушки возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая изменению силы тока. Определение коэффициента самоиндукции Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из катушки индуктивности L. Катушка имеет активное сопротивление R и индуктивное сопротивление ωL, где ω - циклическая частота переменного тока; L - индуктивность катушки. Будем считать, что омическое сопротивление катушки сосредоточено в сопротивлении R, включенном последовательно в нее (рис. 7.2). На контакты 1 и 2 подается переменное напряжение U с циклической частотой ω. Пусть в данный момент времени потенциал первого контакта φ1 больше потенциала второго контакта φ2. Тогда ток I идет слева направо. Допустим, что сила тока I увеличивается, т.е. dI > 0. dt Тогда, согласно закону Фарадея, на концах катушки L возникает ЭДС самоиндукции, направление которой противоположно направлению тока I в цепи: dI S L . dt Пусть входное напряжение изменяется по гармоническому закону U = Um cosωt = φ1 - φ2 , где Um – амплитуда напряжения. Рис.7.2 Напряжения на участке активного сопротивления R и катушки индуктивности L соответственно равны UR=IR и UL= - εs. Запишем закон Ома для этого неоднородного участка цепи: IR = (φ1 - φ2)+ εs. dI Тогда и IR = U m cos t - L dt dI L IR = U m cos t dt Частное решение дифференциального уравнения (7.2) имеет вид I = I m cos (t - ) , где Im – амплитуда силы тока, - начальная фаза колебаний тока. Найдем первую производную: dI = - I m sin (t - ) . dt Выражения (7.3) и (7.4) подставим в формулу (7.2): - LIm sin (t - ) RIm cos (t - ) U m cos t , U Rcos (t - ) - L sin (t - ) m cos t . I m (7.1) (7.2) (7.3) (7.4) (7.5) Пусть R cos (7.6) R (L) 2 и 2 L sin . (7.7) R (L) Подставим выражения (7.6) и (7.7) в формулу (7.5): 2 2 R 2 (L) 2 [cos cos( t - ) - sin sin( t - )] R 2 (L) 2 cos( t - ) Um cost Im Um cost Im (7.8) Равенство (7.8) будет справедливо для любого момента времени t при условии γ - β = 0 и γ = β. Тогда из (7.8) получаем U R 2 (L) 2 m , (7.9) Im причем sin L . tg cos R Из равенства (7.9) следует, что (7.10) Z R 2 (L) 2 является полным сопротивлением (импедансом) цепи, включающим активное сопротивление R и индуктивное сопротивление ωL катушки индуктивности. На практике с помощью вольтметра и амперметра измеряются действующие, или эффективные, значения переменных напряжений и силы тока, связанные с амплитудами следующим образом: U I U эфф m I эфф m . и 2 2 Значит U U Z m эфф . (7.11) Im I эфф Из выражения (7.10) получаем (ωL)2=Z2 - R2 и Z2 - R 2 Z2 - R 2 (7.12) 2 Следовательно, измеряя полное сопротивление Z при переменном токе и омическое сопротивление R при постоянном токе, можно найти индуктивность катушки L. L Порядок выполнения работы 1. Собрать рабочую схему для определения сопротивления (импеданса) при переменном токе (рис. 7.3). Рис.7.3 2.Установить переключатель магазина сопротивлений в крайнее правое положение. 3.Включить генератор ЗГ-1000 Гц. 4.Изменяя сопротивление магазина, получить пять значений Iэфф в пределах 2÷10 А и измерить соответствующие напряжения Uэфф на катушке индуктивности. 5. Результаты измерений занести в таблицу 1. Таблица 1 № опыта Іэф Uэф Z, Ом Zср, Ом 1 2 3 4 5 7. По формуле (7.11) вычислить полные сопротивления Z катушки индуктивности и найти их среднее значение Zср . 8. Собрать схему для определения сопротивления при постоянном токе, рис.7.4. 8. Поворачивая ручку переменного сопротивления R14, установить пять значений силы тока I и измерить соответствующие напряжения U на катушке индуктивности. 9. Результаты измерений занести в таблицу 2. 10. Вычислить активные сопротивления R катушки индуктивности и найти их среднее значение Rср.. Таблица 2 № опыта І, А U, В R, Ом Rср, Ом 1 2 3 4 5 Z ср 2 - R ср 2 11. По формуле L 2 (при ν=1000 Гц) определить коэффициент самоиндукции L катушки. Рис. 7.4 Контрольные вопросы 1 . Что такое магнитное поле? Что такое линии индукции магнитного поля? 2. Как формулируется закон Ампера? Единица измерения индукции магнитного поля. 3. Дать определение потока вектора магнитной индукции. Единица его измерения. 4. Что такое индуктивность контура? Единица ее измерения. 5. Сформулировать закон Фарадея и правило Ленца. 6. В чем заключается явление самоиндукции? Э Д С. самоиндукции катушки. 7. Явление взаимной индукции. Практическое применение этого явления. 8. Написать уравнения Максвелла в интегральной форме. 9. Вывести рабочие формулы для расчета полного сопротивления (импеданса) и коэффициента самоиндукции катушки индуктивности.
