25

Литература

1.Трофимова Т.И. Курс физики. - М.: Высшая школа. 1985. § 238, 239.

2.Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. - М.: Высшая школа, 1989. § 18.2; 18.3; 18.4.

Лабораторная работа №4

Исследование зависимости индуктивности катушки от магнитной проницаемости

Цель работы: Определить индуктивность катушки.

Приборы и принадлежности: вольтметр, амперметр, реостат, источник переменного тока, исследуемая катушка.

Краткая теория: если проводящий контур находится в переменном магнитном поле, то в контуре возникает индуктивное электрическое поле, характеристикой которого является электродвижущая сила индукции.

В этих случаях в замкнутом проводящем контуре возникает электрический ток, называемый индукционным, а само явление называется электромагнитной индукцией.

Явление электромагнитной индукции было обнаружено Фарадеем опытным путем. В соответствии с законом Фарадея ЭДС электромагнитной индукции в замкнутом проводящем контуре численно равна скорости изменения магнитного потока сквозь площадь поверхности, ограниченной этим контуром:

d t

Знак (-) в законе Фарадея (1) является математическим выражением правила Ленца, общего правила для нахождения направления индукционного тока: индукционный ток в контуре имеет всегда такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует всякому изменению магнитного потока, вызвавшего этот индукционный ток.

Закон Фарадея является универсальным. ЭДС индукции не зависит от способа изменения магнитного потока.

Если ток в контуре будет изменяться со временем, то будет изменяться прямо пропорционально и величина магнитного потока, сцепленного с контуром, то есть:

где коэффициент пропорциональности L называется индуктивностью контура. С учетом формул (1) и (2) получим выражение для ЭДС самоиндукции, наводимой в контуре при изменении в нем тока:

26

Индуктивность контура L зависит от размеров контура, его геометрической формы, от магнитных свойств среды, в которой он находится.

Так, индуктивность достаточно длинного соленоида (проводник намотанный на цилиндрический каркас) длиной l площадью поперечного сечения S и с общим числом витков N равна

Поэтому наличие магнитного сердечника в объеме соленоида (магнитной катушки) может существенно изменить индуктивность катушки.

Описание схемы

Экспериментально значение индуктивности катушки можно определить способом, основанным на использовании законов переменного тока в цепи, содержащей катушку индуктивности L, омическое сопротивление R, амперметр, вольтметр, источник переменного напряжения (рис. 4.1).

Полное сопротивление такой цепи Z равно

где R – активное сопротивление;

L – индуктивное сопро-

тивление.

Из (5) следует, что индуктив-

Рис. 4.1. Схема электрической цепи для определения индуктивности катушки.

27

Величина полного сопротивления Z равна отношению эффективного напряжения U ЭФФ к эффективному значению тока

Следовательно, для экспериментального определения индуктивности катушки в соответствии с формулами (6), (7) и схемой цепи (рис. 4.1) необходимо знать:

a)полное сопротивление катушки Z,

b)омическое сопротивление катушки R,

c)круговую или циклическую частоту 2 , где υ = 50 Гц.

Порядок выполнения работы

1.Собрать схему (рис 4.1). Использовать катушку индуктивности с сердечником.

2.Замкнуть цепи, измерить эффективный ток для трех различных значений эффективного напряжения, указанных в таблице. Напряжение на клеммах катушки регулировать реостатом.

3.Занести результаты измерений в табл.2. Вычислить полное сопротивление Z катушки по формуле (7).

4.Вычислить индуктивность катушки с сердечником [формула (6)], учитывая значение R = 78 Ом.

Замечание!

Измерения эффективных значений и тока и напряжения производить быстро для предотвращения перегрева катушки.

5.Повторить аналогичные измерения и расчеты для катушки без сердечника.

28

Контрольные вопросы и задания

1.В чем состоит физический смысл закона Фарадея для ЭДС индукции? Пояснить правило Ленца.

2.В каком случае в замкнутом контуре наводится ЭДС самоиндукции?

3.Дать определение единицы измерения индуктивности. Вывести формулу индуктивности достаточно длинного соленоида и пояснить ее.

4.Назвать основные характеристики магнитных свойств веществ. Указать основные виды магнетиков.

Литература

1.Савельев И.В. Курс общей физики. -М.:Наука, 1988.

2.Трофимова Т.И. Курс физики. - М.: Высшая школа, 1985., § 132-136, 149.

3.Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. - М.: Высшая школа, 1989.

Лабораторная работа № 5

Исследование мощности и коэффициента полезного действия блока питания

Цель работы: измерить полезную мощность и КПД блока питания в зависимости от нагрузки.

Краткая теория: электрическим током называется упорядочное движение электрических зарядов. Ток может течь в твердых телах, в жидкостях и газах. Носителями тока могут быть электроны, или ионы, или микроскопические частицы, несущие избыточный заряд. Для появления электрического тока в проводящей среде должны выполняться следующие условия:

1) наличие в данной среде свободных носителей заряда - заряженных частиц, которые могли бы в ней упорядочно перемещаться;

2) наличие в данной среде электрического поля, энергия которого расходуется на упорядоченное перемещение электрических зарядов.

Для поддержания электрического тока энергия электрического поля должна непрерывно восполняться, для чего необходим источник электрической энергии (источник тока). В источнике тока осуществляется преобразование какого-либо вида энергии в энергию электрического поля.

Количественной характеристикой электрического тока является сила тока. Сила тока – это скалярная величина, равная величине заряда dq, переносимого через рассматриваемую поверхность в единицу времени.

Согласно закону Ома сила тока, текущего по однородному металлическому проводнику, прямо пропорциональна падению напряжения на проводнике и обратно пропорциональна его сопротивлению:

Если замкнутая цепь (рис. 5.1) состоит из источника тока с ЭДС ε и внутренним сопротивлением r, а сопротивление внешней части цепи равно

Рис. 5.1. Замкнутая электрическая цепь.

ЭДС источника тока, действующую на участке цепи (1-2) рис. 5.1, можно определить по формуле

1

где Eстор - вектор напряженности поля сторонних сил.

В соответствии с формулой (4) ЭДС источника тока ε численно равна работе, совершаемой сторонними силами при перемещении по проводнику единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2.

Стационарное электрическое поле создается источниками электрической энергии (гальваническими элементами, электрическими генераторами и т.д.).

Если проводник неподвижен и в нем не совершаются химические процессы, то работа постоянного тока полностью затрачивается на увеличение внутренней энергии проводника, в результате чего проводник нагревается.

Экспериментально Джоуль и Ленц установили закон: Количество теп-

лоты, выделяемое током в проводнике, пропорционально силе тока, напряжению и времени прохождения тока:

Эта энергия выделяется на всех участках электрической цепи, где происходит падение напряжения.

Энергия, выделяемая на внешнем участке цепи, считается полезной. Величина этой энергии Qn и мощность Pn определяются в соответствии с

В формуле (7) ЭДС ε источника тока и его внутреннее сопротивление r постоянные величины для данного источника тока. Следовательно, полезная мощность является лишь функцией внешнего сопротивления.

Из (7) следует, что Pn = 0, если R = 0 или R = ∞. Исследуя значение полезной мощности на max, в функции от R можно показать, что полезная мощность источника будет наибольшей, если внешнее сопротивление равно внутреннему сопротивлению источника, то есть R = r . График зависимости полезной мощности от сопротивления в соответствии с вышеизложенным, будет иметь явно выраженный max при R = r (Рис. 5.2 а).

а

б

Рис. 5.2 а, б Графики зависимости полезной мощности (а) и коэффициента полезного действия (б) от сопротивления нагрузки R.

31

Из рис. 5.2 а видно, что при различных значениях R можно получить одинаковые значения полезной мощности (R1 и R2 ).

В этом случае встает вопрос об оптимальном выборе внешнего сопро-

Анализируя формулу (10), можно построить график зависимости КПД источника тока от сопротивления (рис. 5.2. б).

Из сопоставления графиков 3.2 а и 3.2 б вытекает, что выбор внешнего сопротивления R 2 является более оптимальным для получения заданной мощности.

Описание установки

Установка представляет собой источник тока, нагруженный на реостат

(рис. 5.3).

Для измерения тока в цепи включен амперметр А, а для измерения напряжения на реостате вольтметр V.

Рис. 5.3. Схема электрической цепи для определения полезной мощности.

Источником тока служит однополупериодный выпрямитель.

В данной работе исследуется экспериментально зависимости полезной мощности КПД блока питания от силы тока.

32

Ход работы

Работа смонтирована в виде макета.

1.К клеммам "Реостат" подсоединить реостат

2.Включить тумблер "Сеть". При этом вольтметр и амперметр покажут напряжение и ток. Следить, чтобы стрелки не зашкаливали.

3.Меняя сопротивление реостата, произвести измерение тока и напряжения

Вычислить: 1. R нагр. = U .

I

2.Мощность Рп = UI .

4.Построить график зависимости Р = f(R) из графика определить сопротивление источника питания r . Вычислить и построить график зависимости КПД ( ) источника питания в функции от величины сопротивления R.

5.Сделать выводы.

Контрольные вопросы и задания

1.Назовите условия, необходимые для появления и существования электрического тока в проводящей среде.

2.Сформулируйте законы Ома и Джоуля-Ленца в дифференциальной и интегральной формах.

3.Каков физический смысл ЭДС источника тока?

4.Докажите, что при R=r полезная мощность максимальна.

5.Чему при этом равен КПД?

6.Поясните физический смысл силы тока.

Литература

1.Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1989. § 19.1; 19.2.

2.Трофимова Т.И. Курс физики. - М.: Высшая школа, 1985. § 95, 96, 97, 98.