Энергия магнитного поля (120

Таким образом, показание n регистрирующего прибора Р можно считать теплотой в относительных единицах.

Подставив формулу (7) в формулу (6), получим формулу для нахождениямагнитнойэнергиипорезультатамизмерениявеличиныn:

Коэффициент пропорциональности k определяют из опыта, называемого градуировкой калориметра. После градуировки теплота Qкал калориметра измеряется в джоулях.

Для проверки формулы (4) измеряют величину n при различной силе тока I катушки индуктивности. По формуле (8) вычисляют магнитную энергию в джоулях и строят графическую зависимость Wм(I 2). Эта зависимость должна быть линейной. С помощью этой зависимости также находят индуктивность L катушки индуктивности по формуле (4).

Порядок выполнения задания.

1.Изобразить в рабочей тетради схему, приведенную на рис. 9.

2.Составить конспект методики измерения магнитной энергии.

Задание 3. Изучение зависимости энергии магнитного поля от силы тока.

Порядок выполнения задания.

1.Ознакомиться с внешним видом калориметра, схематическое изображение которого приведено на рис. 11. Рабочая калориметрическая лампа 1 расположена в камере с прозрачной крышкой. Нагревательную спираль калориметра подключают к лабораторной установке кабелем с разъемом 2. Перед каждым измерением ручкой 5 устанавливают нуль на регистрирующем приборе 4. Тумблером 6 включают сетевое питание калориметра.

2.Вставить сетевую вилку калориметра в розетку и включить тумблер 6, при этом должна загореться индикаторная лампа (на рис. 11 не показана).

3.Установить нулевое показание регистрирующего прибора 4 калориметра ручкой 5.

Примечание. Если такая регулировка не удается, повернуть ручку 5 в среднее положение и использовать ручку 3 для дополнительной регулировки нуля.

21

4.Ознакомиться с блоком питания № 2, находящимся на лабораторном столе. Он состоит из двух источников, включенных последовательно. Напряжение каждого источника можно изменять от 0 до 15 В ручками «Грубо» и «Точно» и измерять встроенным в источник вольтметром. Выходное напряжение блока № 2 равно сумме показаний двух вольтметров. Блок питания № 2 соединяют

срабочими схемами кабелем с разъемом. Для включения тока в цепь служит тумблер «Ток». Силу потребляемого тока в миллиамперах измеряют универсальным цифровым прибором (мультиметром), который питается от батареи. Батарею включают кнопкой «Питание мультиметра».

5.Проверить наличие заземления блока питания № 2. При его отсутствии — обратиться к дежурному.

Выключить тумблер «Ток». Вставить в сеть вилку, нажать кнопки «Сеть» источников питания. На обоих вольтметрах должно появиться напряжение.

ВНИМАНИЕ! Задания 3— 6 выполняют с использованием блока № 4, который находится на лабораторном столе. Блок № 4 состоит из катушки индуктивности и простых электрических схем. Электрические схемы блока № 4 выполнены в виде отдельных узлов, номера которых соответствуют номерам заданий 3— 6.

6.Собрать электрическую схему, используя узел № 3. Узел № 3 содержит диод в пластмассовом корпусе и разъемы. Катушку индуктивности подключить вилкой к гнездам «Катушка»; кабель

22

блока питания № 2 соединить с разъемом «Питание»; нагревательную спираль калориметра присоединить к разъему «Калориметр». В результате будет получена схема, соответствующая схеме, показанной на рис. 9.

7. Подготовить табл. 2.

Таблица 2

Результаты измерения магнитной энергии

Примечание. Таблица должна содержать 8 строк.

8.Включить тумблер «Ток» блока питания № 2, находящийся на лабораторном столе, нажать кнопку «Питание мультиметра» и ручками «Грубо» и «Точно» источников установить ток I катушки примерно 30 мА. Отпустить кнопку «Питание мультиметра». Результат измерения тока записать в табл. 2.

9.Установить «нуль» калориметра.

10.Глядя на шкалу регистрирующего прибора калориметра, выключить резко тумблер «Ток» блока питания № 2. Отметить максимальное отклонение стрелки в числе делений n. Результат измерения n записать в табл. 2. Напомним, что величина n пропорциональна количеству теплоты, выделившемуся в калориметре.

11.Для получения зависимости n от силы тока I катушки индуктивности повторить измерения в соответствии с пп. 8—10. После каждого измерения калориметр охлаждается в течение примерно 0,5 мин, при этом стрелка регистрирующего прибора возвращается на нуль. Если стрелка не вернулась точно на нуль, необходимо установить нуль ручкой «Точно».

Для каждого следующего измерения ток катушки индуктивности увеличивают примерно на 20 %. Цикл измерений заканчивают, когда отклонение величины n достигнет предела шкалы.

Задание 4. Градуировка калориметра.

Градуировка калориметра заключается в нахождении коэффициента пропорциональности k в формуле (7), которая связывает число делений n регистрирующего прибора калориметра с теплотой Qкал калориметра.

23

Рис. 12. Схема градуировки калориметра:

ИСТ — источник тока; А — амперметр; V — вольтметр; П — тумблер переключателя; КТ — калориметрическое тело; Н — нагревательная спираль калориметра; ТР — терморезистор; СХ — электрическая схема; Р — регистрирующий прибор

Градуировка калориметра проводится по схеме, приведенной на рис. 12. Конденсатор емкостью C = 22 ·10–6 Ф заряжают до напряжения U и разряжают через нагревательную спираль калориметра, в которой электрическая энергия конденсатора Wэ = = CU 2/2 полностью переходит в теплоту Qкал. После разрядки конденсатора снимают показания регистрирующего прибора калориметра n и находят коэффициент k по формуле

Порядок выполнения задания.

1. Подготовить табл. 3.

Таблица 3

Градуировка калориметра

k = … Дж/дел.

24

2.Электрическую схему для градуировки (см. рис. 12) собрать

сиспользованием узла № 4. Узел № 4 содержит конденсатор емкостью C = 22 ·10–6 Ф, переключатель П и разъемы.

Соединить кабель блока питания № 2 с разъемом «Питание», а нагревательную спираль калориметра — с разъемом «Калориметр».

3.Установить переключатель П в положение «Зарядка». Включить тумблер «Ток» блока питания № 2. Установить напряжение U блока питания № 2 примерно 20 В. Напряжение равно сумме показаний двух вольтметров. Результат измерения напряжения U записать в табл. 3.

4.Установить нуль калориметра.

5.Установить переключатель П в положение «Разрядка», при этом конденсатор быстро разряжается через нагревательную спираль калориметра. Измерить максимальное отклонение стрелки регистрирующего прибора калориметра (n, дел.). Результат измерения записать в табл. 3.

6.Повторить измерения в соответствии с пп. 4—5.

7.Вычислить электрическую энергию конденсатора по формуле Wэ = CU 2/2, коэффициент k — по формуле (9), а также среднее

значение k двух измерений. Результаты записать в табл. 3.

8. После выполнения градуировки калориметра рассчитать магнитную энергию. Используя результаты измерений n в задании 3 (см. табл. 2) и среднее значение k , вычислить по формуле (8) магнитную энергию Wм в джоулях. Сопротивления r = 351 Ом, R = = 103 Ом. Результаты записать в табл. 2.

Задание 5. Передача энергии в трансформаторе. Трансформатор представляет собой устройство, предназначен-

ное для преобразования напряжения и силы переменного тока (рис. 13). Он имеет железный сердечник С замкнутой формы, который несет на себе две катушки — первичную I и вторичную II. Катушку I подключают к сети питающего переменного тока, а катушку II — к потребителю электрической энергии. Переменный ток в катушке I создает переменное магнитное поле, сосредоточенное в сердечнике C. Изменяющееся магнитное поле порождает вихревое электрическое поле, которое служит причиной возникновения ЭДС в катушке II.

25

C

R

Рис. 13. Схема трансформатора:

I, II — соответственно первичная и вторичная катушки;

С— сердечник; R — сопротивление

Втрансформаторе происходит передача энергии из одного контура в другой посредством магнитного поля. Цель задания 5 — продемонстрировать это явление.

Схема лабораторной установки для выполнения задания приведена на рис. 14. Трансформатор содержит две одинаковые ка-

тушки (КI и КII) на общем замкнутом железном сердечнике. Магнитное поле создают, пропуская постоянный ток через катушку

КI. Благодаря большой магнитной проницаемости железного сердечника, магнитное поле и его энергия сосредоточены в сердечнике. Калориметр можно подключить либо к катушке КI, либо к

катушке КII.

Когда калориметр подключен к катушке КI, диод Д1 не пропускает ток источника ИСТ через калориметр, но пропускает ток самоиндукции, т. е. он выполняет ту же функцию, что и в схеме, приведенной на рис. 9. Диод Д2 включен только для того, чтобы контуры катушек КI и КII были одинаковыми для индукционных токов.

Задание 5 состоит из двух опытов.

В первом опыте нагреватель калориметра подключают к катушке КI, а вторичная цепь остается разомкнутой. После отключения источника тока ИСТ магнитная энергия переходит в теплоту в первом контуре, которую измеряют калориметром в числе делений

26

n1 регистрирующего прибора. Следовательно, в этом опыте измеряют магнитную энергию, запасенную в железном сердечнике.

Во втором опыте нагревательную спираль калориметра отключают от катушки КI и присоединяют к катушке КII. Через катушку КI пропускают такой же ток. После отключения источника тока ИСТ возникающий индукционный ток циркулирует в том контуре, который замкнут, в данном случае — только во втором. Выключив ток источника ИСТ, измеряют калориметром теплоту n2 во втором контуре. Опыт покажет, выделится ли во втором контуре такая же энергия, которая была запасена в магнитном поле тока первого контура.

A

Рис. 14. Схема лабораторной установки, предназначенной для изучения передачи энергии в трансформаторе:

ИСТ — источник тока; А – амперметр; V — вольтметр; Д1, Д2 — диоды; КI, КII — соответственно первичная и вторичная катушки; КТ — калориметрическое тело; Н — нагревательная спираль калориметра; ТР — терморезистор; СХ — схема электрическая; Р — регистрирующий прибор

Порядок выполнения задания.

1.Изобразитьв рабочейтетрадисхему, приведенную нарис. 14.

2.Ознакомиться с узлом № 5. Он содержит большой трансформатор, сопротивление для ограничения силы тока в цепи пита-

ния катушки КI, два диода (Д1, Д2) в пластмассовых корпусах и разъемы.

3.Выключить тумблер «Ток» блока питания № 2 и присоединить блок к разъему «Питание» трансформатора.

27

4.Для выполнения первого опыта нагревательную спираль калориметра подключить к разъему «Калориметр 1».

5.Включить тумблер «Ток» блока питания № 2 и установить ток примерно 60 мА.

6.Резко выключить тумблер «Ток» блока питания № 2, измерить показание калориметра (n1). Результат измерения записать

втабл. 4.

Таблица 4

Передача энергии в трансформаторе

7.Для выполнения второго опыта подключить нагревательную спираль калориметра к разъему «Калориметр 2».

8.Включить, а затем резко выключить тумблер «Ток» блока

питания № 2, измерить показание калориметра (n2). Результат измерения n2 записать в табл. 4.

9.Вычислить отношение n2/n1. Сделать выводы.

Задание 6. Измерение индуктивности с помощью переменного тока.

Рассмотрим прохождение переменного тока через катушку индуктивности индуктивностью L, активное сопротивление которой пренебрежимо мало (рис. 15, а). При изменении тока возникает ЭДС самоиндукции

ε = −L dtdi .

Потенциалы ϕa и ϕb точек a и b связаны соотношением

ϕa + ε= ϕb.

Обозначим U разность потенциалов точек a и b:

U = ϕa – ϕb = – ε = L dtdi .

Если ток изменяется по гармоническому закону i = i0 sin ωt,

28

напряжение

Из сравнения двух последних выражений видно, что колебания напряжения на катушке индуктивности опережают по фазе колебания тока на π/2.

в

Рис. 15. Электрические цепи с переменным током

Сопротивлением катушки индуктивности переменному току

(индуктивным сопротивлением) XL называют отношение амплиту-

ды напряжения U0 = i0ωL к амплитуде тока i0:

X L = U0 = ωL. i0

29