|
|
Порядок выполнения работы.МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)
Кафедра «Физика-I»
В. И. МАРЧЕНКО
ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ВЗАИМНОЙ ИНДУКЦИИ
Методические указания к лабораторной работе
по дисциплине «Физика» №244
МОСКВА – 2006
УДК 531 М - 37
Марченко В.И. Изучение явления взаимной индукции. Методические указания к лабораторной работе. – М.: МИИТ, 2006,– 13 с. Изложена физическая суть явления взаимной индукции. Дано описание экспериментальной установки для его изучения на основе стандартного измерительного модуля ФПЭ-05, состоящего из двух аксиальных подвижных катушек, подключаемых к источнику переменного тока с регулируемыми напряжением и частотой. Соответствует программе дисциплины «Физика» (раздел «Электричество и магнетизм»). Предназначено для студентов 1 и 2 курсов энергетических, механических и строительных специальностей.
Ó Московский государственный университет путей сообщения ( МИИТ), 2006
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)
Кафедра «Физика-I»
В. И. Марченко
Утверждено редакционно-издательским советом университета
ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ВЗАИМНОЙ ИНДУКЦИИ
Методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Физика» №244 для студентов 1 и 2 курсов энергетических, механических и строительных специальностей.
Москва – 2006
Работа № 244 «Изучение явления взаимной индукции» Цель работы: экспериментальное изучение явления взаимной индукции двух коаксиально расположенных катушек и измерение величин коэффициентов их взаимной индуктивности при различном расположении и разных значениях частоты и амплитуды переменного тока.
Рис. 1
Введение.
Рис. 2
Когда по одному из контуров (например, по контуру 1) протекает электрический ток I1, то в пространстве, окружающем этот ток, возбуждается магнитное поле. Индукция магнитного поля B в тех точках, где расположен контур 2, зависит от силы тока I1 и расстояния между контурами 1 и 2. Если линии индукции магнитного поля тока I1 пересекают площадь, ограниченную контуром 2, то такие контуры называются магнитосцепленными. Поток вектора B через поверхность магнитосцепленного контура 2 Φ2,1 = ∫BndS зависит от силы тока I1, протекающего в S контуре 1, и от площади и расположения контура 2 (под расположением контура 2 подразумевается не только расстояние между контурами 1 и 2, но и их пространственная ориентация). Теория и опыт показывают, что в неферромагнитных средах:
Коэффициент пропорциональности в равенстве (1) L2,1 называется коэффициентом взаимной индуктивности контуров. Он показывает, какой поток (выраженный в веберах) пронизывает данный контур при протекании в другом, магнитосцепленным с ним, контуре тока силой в 1 А. За единицу измерения коэффициента взаимной индуктивности в СИ принят генри (Гн). Взаимной индуктивностью в 1 Гн обладают такие два магнитосцепленных контура, которые отвечают следующему требованию: при протекании в одном контуре постоянного тока силой 1 А, поток вектора индукции возбужденного им магнитного поля через площадь, ограниченную вторым контуром, равен 1 Вб (1 Вб = 1 Тл∙м2). Все приведенные выше рассуждения можно повторить для случая, когда в контуре 2 протекает ток I2, и показать, что поток вектора индукции магнитного поля тока I2 через площадь, ограниченную контуром 1, будет выражаться такой же зависимостью:
Φ1,2 = L1,2∙ I2 (1`)
Согласно теореме взаимности рассматриваемого явления и предположения, что контуры размещены в неферромагнитной среде с постоянной, не зависящей от силы тока магнитной проницаемостью μ≈1, следует, что:
L2,1 = L1,2
(2)
(знак “-“ соответствует правилу, установленному Х. Ленцом для этого явления).
Одним из способов изменения магнитного потока Φ через площадь поверхности, ограниченной каким-либо из контуров, согласно (1) и (1`), является изменение силы тока в другом, магнитосцепленном с ним контуре. И тогда, если в контуре 1 произойдет изменение силы тока, то в контуре 2 будет наводиться электродвижущая сила, которая, согласно закону Фарадея (2), будет зависеть от скорости изменения тока I1:
(3)
Точно так же при изменении силы тока I2 в контуре 2 в контуре 1 будет наводиться электродвижущая сила:
Таким образом, явление взаимной индукции – это явление наведения электродвижущей силы (в дальнейшем ЭДС) в контуре при изменении силы тока в другом, магнитосцепленном с ним, контуре.
Метод измерений.
(5) Вольтметром, расположенным на панели генератора PQ, измеряются действующие значения напряжения Ud = Uo/Ö2. Последовательно с катушкой подключено сопротивление R, выбранное таким образом, чтобы выполнялось неравенство:
(где L1 - индуктивность катушки I; R1 - ее активное сопротивление, w - циклическая частота переменного напряжения). В этом случае сдвиг по фазе между током и напряжением, обусловленный индуктивным сопротивлением катушки, равным L1w, становится малым, и ток, протекающий через катушку I, можно определить по закону Ома:
(где I0,1 - амплитудное значение силы переменного тока). Переменный ток в катушке I возбуждает переменную ЭДС взаимной индукции в катушке 2:
(8)
Как видно из (8), амплитуда ЭДС взаимной индукции
(9)
(где f - частота переменного напряжения на выходе звукового генератора в Гц, связанная с циклической частотой соотношением w = 2pf). Из (9) имеем:
(10)
Если поменять местами катушки I и 2, то можно таким же образом найти:
(11) Катушки 1 и 2 не имеют ферромагнитных сердечников или иных деталей, способных сильно намагничиваться, и поэтому, как и в случае с рассмотренным выше примером контуров 1 и 2, L2,1=L1,2.
Для измерения амплитудных значений ЭДС взаимной индукции e0,1 иe0,2 используется осциллограф PO. Процедура измерения приведена в отдельной инструкции, размещенной на панели модуля ФПЭ-05.
Для перемены местами катушек I и 2 необходимо перебросить переключатели П1 и П2 в противоположное положение (рис. 3).
Порядок выполнения работы. Задание I. Измерение коэффициентов взаимной индуктивности L2,1 и L1,2 и исследование их зависимости от взаимного расположения катушек.
Рис. 4 Рис. 5
2. Ознакомьтесь с инструкцией по работе с электронным осциллографом и звуковым генератором. 3. Установите напряжение Uд и частоту f переменного напряжения на выходе генератора PQ (по указанию преподавателя) и подайте его на катушку I (с помощью преключателя П1). 4. С помощью переключателя П2 подайте ЭДС, индуцируемую в катушке 2, на осциллограф PO.
Таблица 1
6. По формуле (10) рассчитайте значенияL2,1. Полученные данные занесите в таблицу 1. 7. Поменяв местами катушки L1 и L2(с помощью переключателей П1и П2), повторите измерения по пп. 2, 3 и рассчитайте L1,2. Задание 2. Измерение коэффициента взаимной индуктивности L2,1 при различных значениях амплитуды переменного напряжения. 1. Поставьте катушку I в среднее положение относительно катушки 2. 2. Задайте частоту на выходе генератора PQ по указанию преподавателя (например, 104 Гц). 3. Измерьте амплитуду ЭДС взаимной индукции e0,2 при различных значениях напряжения Uд вцепи катушки I в интервале 0 – 5, через 1 В. 4. По формуле (10) рассчитайте L2,1. Полученные данные занесите в таблицу 2.
Таблица 2
Задание 3. Измерение коэффициента взаимной индуктивности L2,1 при различных частотах переменного напряжения. 1. Поставьте катушку I в среднее положение относительно катушки 2. 2. Установите амплитуду напряжения на выходе генератора PQ по указанию преподавателя (например, 2 В). 3. Измерьте амплитуду ЭДС взаимной индукции e0,2 при различных частотах переменного напряжения от 5 до 20 кГц (не менее 5 значений). 4. По формуле (10) рассчитайте L2,1. Полученные данные занесите в таблицу 3. Таблица 3
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|
Приборы и принадлежности: измерительный модуль ФПЭ-05 (общий вид модуля приведен на рис.1); генератор переменного тока звуковой частоты (PQ); электронный осциллограф (PO); две аксиальные катушки индуктивности L1 и L2, расположенные на одной оси; шток (Ш) с нанесенной на нем шкалой, по которой определяется взаимное расположение катушек.
Явление взаимной индукции является частным случаем открытого М. Фарадеем (1831 г.) явления электромагнитной индукции, заключающегося в наведении электродвижущей силы в контуре при изменении потока вектора индукции магнитного поля B через площадь, ограниченную этим контуром. Наблюдать явление взаимной индукции можно с помощью двух контуров 1 и 2, отстоящих друг от друга на некотором расстоянии (рис. 2).
Φ2,1 = L2,1∙ I1 (1)
По закону Фарадея для электромагнитной индукции электродвижущая сила, которая наводится в контуре, прямо пропорциональна скорости изменения потока вектора индукции магнитного поля (в дальнейшем магнитного потока) через площадь поверхности, ограниченной контуром:
(4)
В данной работе изучается явление взаимной индукции можду длинной катушкой I и короткой катушкой 2, которая надевается на катушку I и может перемещаться вдоль ее оси. Одна из катушек, например I, включается в цепь генератора переменного тока звуковой частоты (PQ), напряжение, на выходе которого изменяется по закону:
(6)
(7)
(где e0,2 - амплитудное значение переменной ЭДС взаимной индукции).
Рис. 3
1. Соберите схему, изображенную на рис. 4 и 5.
5. Установите подвижную катушку I в крайнее положение. Перемещая ее в противоположное крайнее положение через 1 см, записывайте значения ЭДС взаимной индукции в цепи катушки 2 в таблицу 1.
