МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ДИЗАЙНА И ТЕХНОЛОГИИ
КАФЕДРА ФИЗИКИ
С.М.РАЗИНОВА, И.П.ШАПКАРИН, О.Н.ГЛАГОЛЕВА
Методические указания к лабораторной работе №87 «определение индуктивности катушки»
Утверждено в качестве методического пособия
Редакционно-издательским советом МГУДТ
МГУДТ 2003
УДК 53 (075.8)
Р – 20
Ш - 20
Г- 4
Куратор РИС Козлов А.С.
Работа рассмотрена на заседании кафедры физики и рекомендована к печати.
Зав. кафедрой Шапкарин И.П.
Автор: С.М.Разинова, доц.
И.П.Шапкарин, к.т.н., доц.
О.Н.Глаголева, к.ф.-м.н., доц.
Рецензент: Бочаров В.Г., д.т.н., проф.
Р-20 Разинова С.М. Определение индуктивности катушки: методические указания./ Разинова С.М., Шапкарин И.П., Глаголева О.Н. – М.: ИИЦ МГУДТ, 2003 – 16 стр.
Методическое указание содержат теоретическое введение об индуктивности и о влиянии ее на параметры цепи переменного тока. Экспериментальная часть дает возможность рассчитать параметры катушки и оценить влияние сердечника на индуктивность.
Для студентов 1-2. курсов всех специальностей.
УДК 53 (075.8)
© Московский государственный
университет дизайна и технологии, 2003
Лабораторная работа №87 Определение индуктивности катушки
Цель работы: исследование влияния сердечника на величину индуктивности катушки.
Приборы и принадлежности: источник переменного тока частотой 50 Гц; катушка с подвижным сердечником, амперметр, вольтметр, реостат, провода.
Введение По закону Био-Савара-Лапласа:
dB = (μ0 μ Idl sin (dl ^ r))/ 4πr2 .
Следовательно, B ~ I.
Магнитный поток одного витка с током Ф' = BS cos (B ^ n),т.е. Ф'~ I. Катушка содержит N витков. Тогда полный магнитный поток Ф=NФ' пропорционален протекающему току Ф = LI. Коэффициент пропорциональности L между силой тока и полным магнитным потоком называется индуктивностью.
Индуктивность L зависит от формы и размеров катушки, а также от магнитных свойств (от μ) окружающей среды.
За единицу индуктивности в СИ принимается индуктивность такого проводника, у которого при силе тока в нем в 1А возникает поток равный 1Вб. Эту единицу называют Генри (Гн).
Индуктивность длинного соленоида через параметры соленоида выражается так:
L = μ0 μ n2 l S,
где l – длина соленоида, S – площадь поперечного сечения, n – число витков на единицу длины (произведение n l дает полное число витков N).
Индуктивность в цепи переменного тока
Переменным током называют такой ток, у которого изменяются со временем величина и направление. Наиболее распространенным переменным током является ток, изменяющийся по гармоническому закону, т.е. по закону синуса или косинуса с течением времени (рис.1). Переменный ток i в элементе цепи порождается напряжением u, изменяющимся со временем также по гармоническому закону. Переменные ток i и напряжение u могут быть представлены в аналитическом виде:
i = Im sin(t + ), (1)
u = Um sin(t + ),
где - круговая частота изменения тока и напряжения, t - текущее время, - начальная фаза колебания i и u, Im и Um - амплитудные значения соответственно тока и напряжения.
Круговая циклическая частота = 2, где - частота, равная для осветительной и силовой цепей 50 Гц. При такой частоте переменный ток является квазистационарным. Для квазистационарных токов сохраняют силу законы Кирхгофа и закон Ома для неоднородного участка цепи.
Понятие о векторных диаграммах.
Известно, что если точка движется равномерно по окружности радиуса А с угловой скоростью, то проекция ее на вертикальное направление (рис. 2) совершает колебания, описываемые соотношением:
a = Am sin(t + ), (2)
где Am - радиус-вектор этой точки, вращающийся с угловой скоростью , - угол, характеризующий первоначальное положение радиуса-вектора Am относительно горизонтальной оси. Для колеблющейся проекции a величина является мерой начальной фазы колебания.
В момент времени t1 радиус-вектор будет повернут относительно начального положения на угол t1. Величина его проекции на вертикальное направление будет равна Am sin(t1 + ).
Очевидно, что величина проекции a радиуса-вектора Am на вертикальное направление станет максимальной в момент времени t2, при котором t2 + = /2, т.е. Am sin(t2 + ) = Am sin /2 . Далее, по мере вращения радиуса-вектора величина проекции a , оставаясь положительной, уменьшается, достигая нулевого значения в момент времени t4. В следующие моменты времени величина a становится отрицательной, а с момента t7 снова положительной и т.д.
Следовательно, всякому колебательному процессу, происходящему по закону синуса или косинуса, можно поставить в соответствие равномерное вращение вектора, ориентированного определенным образом относительно горизонтальной или вертикальной оси. При этом длина вектора должна быть равна амплитудному значению колеблющейся величины. Вращение вектора должно происходить против часовой стрелки с постоянной круговой частотой , связанной с периодом колебания = 2/T.
Представление переменной величины, изменяющейся по гармоническому закону, с помощью вращающегося вектора называют векторной диаграммой. Особенно широко этот способ представления применяется при одновременном анализе нескольких переменных величин, сдвинутых по фазе относительно друг друга (рис. 3).
Резистор в цепи переменного тока.
Элемент электрической цепи, предназначенный для использования его электрического сопротивления, называют резистором ( R ). Резистор, питаемый переменным напряжением u , показан на рисунке 4а .
Если напряжение изменяется по закону
u = Um sin t, (3)
то мгновенное значение тока в цепи с R определяется согласно закону Ома.
i = u/R = (Um/R) sin t = Im sin t (4)
Из этого следует, что изменение тока и напряжения совпадают по фазе. Векторная диаграмма для цепи с резистором R показана на рисунке 4б , а график мгновенных значений тока и напряжения на рисунке 4в .
Мгновенная мощность в цепи резистора R равна произведению мгновенных значений тока и напряжения:
p = iu = Im sin t Um sin t = Im Um sin2t (5)
Из графика 4в видно, что мощность изменяется от 0 до Pm , оставаясь все время положительной. Это означает, что в цепи с резистором R электрическая энергия все время поступает из цепи к приемнику R. В нем энергия необратимо преобразуется в тепло, за счет которого происходит нагрев резистора R и рассеивание энергии в окружающем пространстве (диссипация). Величина электрического сопротивления резистора R в этом случае называется активным сопротивлением цепи переменного тока.
Эффективное значение переменного тока.
Если переменный ток i проходит по резистору R , то в нем выделяется тепло. Следовательно, по тепловому действию можно сравнить переменный и постоянный токи и установить их энергетическую равноценность или эквивалентность. Поэтому переменный ток i удобно характеризовать эффективным (действующим) его значением Iэф.
Эффективным значением Iэф переменного тока i называют такой неизменный во времени ток, при котором в резисторе с активным сопротивлением R за единицу времени выделяется такое количество энергии (тепла), что и при заданном переменном токе.
Энергия, выделяющаяся в единицу времени в R при переменном токе i , определяется равенством:
p = 1/T0 Т iudt = 1/T0 Т Im Um sin2tdt = (Im2R)/T0 Т sin2 t dt =
= (Im2R)/T0 Т 1/2(1-cos2t)dt = (Im2R)/T . T/2 = (Im2 R)/2 (6)
Энергия, выделяющаяся в единицу времени R при неизменном токе Iэф , определяется равенством:
p = Iэф Uэф = (Iэф)2 R (7)
После приравнивания (6) и (7) получим:
(Iэф)2 R = (Im2 R)/2 ,
откуда
Im = Im/2, (8)
Аналогично для переменных напряжений, э.д.с. :
Uэф = Um/2 , эф = m /2 (9)
Соотношение типа (8) и (9) имеют место только для токов и напряжений, изменяющихся со временем по гармоническому закону.
Шкалы измерительных приборов переменного тока отградуированы соответственно в эффективных значениях тока и напряжения. Например, если прибор показывает напряжение 4В, то это означает, что амплитуда напряжения Um равна: Um=2Uэф = 1,41.4 = 5,64В.
При этом мгновенное значение напряжения u следует определять по формуле: u = Um sin t = 5,64 sin t .
Для измерения эффективных значений используют приборы электромагнитной, электродинамической, ферродинамической, термоэлектрической систем и электронные вольтметры.
Индуктивность в цепи переменного тока.
Проанализируем процессы в цепи, содержащей катушку индуктивности L рисунок 5а , считая ее активное сопротивление R настолько малым, что им можно пренебречь (R = 0).
Предполагаем, что ток в индуктивности L изменяется по закону:
i = Im sin t (10)
Переменный ток i создает в катушке L переменное магнитное поле и переменный магнитный поток = Li . Согласно закону электромагнитной индукции в катушке возникает ЭДС самоиндукции, равная:
L = -L(di/dt), (11)
где di/dt - скорость изменения тока i в катушке.
На основании закона Ома для неоднородного участка цепи можно записать:
0 = ( 1 - 2 )+ L (12)
Переменная разность потенциалов (1 - 2) является напряжением питающим, катушку L , т.е. uL .Тогда L = - uL и
uL = L ( d(Im sin t )/dt ) = L Im cos t =
= Im L sin ( t + /2 ) = UmL sin (t + /2 ) (13)
Из сравнения (13) и (10) следует, что ток i в цепи с индуктивностью L и напряжение на L изменяются по синусоидальному закону, но напряжение uL опережает по фазе ток i на /2. Векторная диаграмма для цепи с L показана на рисунке 5б , а графики мгновенных значений i и uL на рисунке 5в.
Мгновенное значение мощности p для такой цепи равно:
p = iu = Im sin t .Um sin (t + /2) = (ImUm /2) sin2t (14)
Соотношение (14) показывает, что мгновенное значение мощности в цепи с L изменяется по синусоидальному закону, но с частотой, в 2 раза большей частоты тока. При этом среднее значение мощности за период равно нулю:
p = 1/ T 0 Т iu . dt = 0
Для пояснения энергетических процессов в цепи с L воспользуемся рисунком 5в. В интервале времени от t0 = 0 (точка 1) до t0 = Т/4 (точка 2), когда ток в цепи возрастает от 0 до Im электрическая энергия поступает в катушку и преобразуется в ней в энергию магнитного поля WL (WL = Im2 L /2). Можно показать, что эта энергия равна заштрихованной площади под графиком p = f (t) в интервале времени между точками 1 и 2 (отмечена на графике знаком “+”). В интервале времени между t1 = Т/4 (точка 2) и t2 = 2 Т/4 (точка3) ток в цепи убывает. Энергия , отданная в сеть, равна заштрихованной площади под графиком p = f (t) между точками 2 и 3 (отмечена на рисунке 5в знаком “-“ ) Из рисунка 5в видно , что площади, характеризующие запасенную и отданную энергии, равны. Следовательно, энергия, накопленная в индуктивности в первой четверти периода, полностью возвращается в сеть во вторую четверть периода.
В следующую четверть периода, т.е. между точками 3 и 4 , изменяются направления тока и магнитного потока. Происходят процессы, аналогичные процессам первой четверти периода, т.е. электрическая энергия поступает из сети в катушку и преобразуется в энергию магнитного поля. В последнюю четверть периода, т.е. в интервале времени от 4 до 5, энергия магнитного поля преобразуется в электрическую и возвращается в сеть.
Таким образом в цепи с индуктивностью L непрерывно происходит обратимый процесс преобразования электрической энергии в магнитную, или периодический процесс обмена энергией между сетью (источником энергии ) и индуктивностью.
Проанализируем величину амплитудного значения напряжения на индуктивности, равную: UmL = L Im . По аналогии с законом Ома для участка цепи коэффициент пропорциональности между напряжением UmL и током Im, равный L, получил название индуктивного сопротивления XL :
XL = L (15)
В отличие от активного сопротивления резистора R , XL является реактивным сопротивлением катушки L , т.к. прохождение переменного тока по индуктивности не сопровождается необратимыми преобразованиями электрической энергии в другие виды.
Цепь переменного тока, содержащая
активное сопротивление R и индуктивность L.
Реально существующие обмотки двигателей электромашин, электромагнитов, реле, индуктивные катушки колебательных контуров и пр. обладают одновременно и активным сопротивлением R, и индуктивностью L. Для удобства анализа такой цепи катушку (обмотку) обычно изображают в виде двух идеальных элементов - резистивного R и индуктивного L , соединенных последовательно. При этом участок цепи содержащий L , считают обладающим индуктивным сопротивлением XL .
На основании закона Ома для неоднородного участка цепи можно записать:
iR = (1 - 2) + L (16)
С учетом формул (4) и (13) это выражение примет вид:
Im R sin t = u - ImXLsin(t + /2)
или:
u = ImR sin t - ImXLsin(t + /2) = uR + uL (17)
Следовательно, напряжение u, подводимое от генератора, является суммой двух напряжений: uR - на активном сопротивлении R и uL - на индуктивном сопротивлении XL . При этом uR совпадает по фазе с током i , а uL - опережает ток i на /2. Векторная диаграмма такой цепи приведена на рисунке 6б.
Из диаграммы следует, что вектор напряжения от генератора Um равен сумме векторов UmR и UmL , а модуль его можно определить:
Um = U2mR + U2mL = ( ImR )2 + ( ImXL )2 = Im R2+ XL2 (18)
Величина Z = R2+ XL2 является полным ( кажущемся ) сопротивлением цепи, приведенной на рисунке 6а, переменному току i.
Напряжение u, поступающее от генератора, опережает по фазе ток i, т.е. u =
= Um sin (t + ) на величину , определяемую из равенства:
cos = UmR / Um = ImR/ Im R2+ XL2 = R / R2+ XL2 (19)
График мгновенной мощности p показан на рисунке 6в . В промежуток времени от t0 = 0 (точка 1) до t2 (точка 2) электрическая энергия поступает от генератора в рассматриваемую цепь. Она преобразуется в тепло в резисторе R и в энергию магнитного поля в индуктивном элементе L. В период времени от t2 (точка 2) до t3 = Т/2 (точка 3) энергия магнитного поля , запасенная в L, преобразуется в электрическую и возвращается в сеть. Энергия, отданная в сеть, равна заштрихованной площади под графиком p = f (t) между точками 2 и 3 (отмечена на рисунке 6в знаком “-“) . Во вторую половину периода изменения тока описанные энергетические процессы повторяются при противоположном направлении тока.
Поскольку индуктивное сопротивление XL составляет только часть полного сопротивления Z, обратимые превращения электрической энергии в индуктивности L составляют часть от всей энергии, подводимой к рассматриваемой цепи.
Обоснование метода измерений.
Схема для определения индуктивности катушки содержит элементы приведенные на рисунке 7:
Измерив ток Iэф с помощью амперметра А и напряжение на катушке Uэф с помощью вольтметра V, можно определить величину полного сопротивления Z:
Z = Uэф / Iэф = Um / Im (20)
Зная величину активного сопротивления катушки R, определяют XL== Z2- R2. На основании формулы (15) можно рассчитать L :
L = ( Z2- R2 )/ =( Z2- R2 )/ 2 , (21)
где - частота промышленного переменного тока ( = 50 Гц ).
Описание установки.
Установка для определения индуктивности катушки собрана на отдельной панели, расположенной на рабочем столе, в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 8:
Катушка индуктивности представляет
собой соленоид небольшой длины,
внутрь которого может быть введен
полностью или частично железный
сердечник. Величина активного
сопротивления R катушки указана на ее корпусе .
Величину индуктивности L катушки следует определять при разных положениях сердечника. Реостат R1 служит для изменения тока, текущего по катушке. Ток в катушке измеряют амперметром. Значения эффективного напряжения фиксируют с помощью цифрового вольтметра. Установка питается переменным током промышленной частоты от понижающего трансформатора.
Порядок выполнения работы.
-
Ознакомиться с рабочей панелью для определения индуктивности катушки.
-
Включают понижающий трансформатор и цифровой вольтметр в сеть с напряжением 220 В. Предел измерения напряжения устанавливают 220 В с помощью кнопочного переключателя, расположенного на лицевой панели цифрового вольтметра.
-
Полностью вводят внутрь катушки железный сердечник. С помощью R1 устанавливают ток, протекающий по катушке L и измеряют его величину миллиамперметром, установив переключатель предела измерений на 10 мА. Начиная с меньшего значения тока измеряют величины напряжений на катушке при соответствующих значениях тока. Опыт повторяют трижды. Значения трех произвольно выбранных различных значений тока и соответствующих значений напряжений заносят в таблицу. По формулам (20) и (21) рассчитывают значения Z , а затем L катушки с полностью введенным сердечником.
-
Выдвигают сердечник из катушки наполовину и по вышеприведенной методике измеряют три различных значения тока и соответствующих значений напряжения. Результаты измерения заносят в таблицу. Рассчитывают величину индуктивности катушки при введенном сердечнике в катушку наполовину.
-
Повторяют измерения тока в катушке и соответствующих значений напряжения при полностью выведенном из катушки сердечнике. Рассчитывают значение индуктивности катушки при выведенном из катушки сердечнике.
-
Рассчитывают абсолютную и относительную погрешности методом косвенных измерений с учетом класса точности измерительных приборов. Класс точности измерений миллиамперметра 0,5. Класс точности измерений вольтметра составляет 0,2 (см. методические указания к лаб. работам «Электромагнетизм» I часть стр. 6-7).
-
На миллиметровой бумаге построить векторную диаграмму для одного случая по указанию преподавателя.
Таблица
Условия опыта |
№ п/п |
Uэф |
Iэф |
Z |
XL |
L |
LСР |
L |
LСР |
L=Lср/Lср |
сердечник введен полностью L |
1 2 3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сердечник введен наполовину L1 |
1 2 3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сердечника нет L2 |
1 2 3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вопросы для допуска к работе.
1. Объясните назначение всех элементов схемы для определения коэффициента самоиндукции катушки ?
2. Какую величину тока и напряжения измеряют приборы ?
3. Опишите порядок выполнения работы ?
4. За счет чего происходит изменение показаний амперметра и вольтметра при определении индуктивности L1 по сравнению с L ?
5. В каких условиях определяют L2 ?
6. Как находят полное сопротивление катушки Z в этой работе ?
Вопросы для защиты работы.
-
Объясните процессы, происходящие в цепи переменного тока при наличии в ней катушки индуктивности ( R = 0 )
-
От чего зависит величина ЭДС самоиндукции, возникающей в индуктивном элементе L цепи?
-
Каков сдвиг фаз между током i и напряжением в цепи переменного тока, содержащей идеальный индуктивный элемент ?
-
Объясните векторную диаграмму для цепи, содержащей реальную катушку индуктивности ( R 0 ).
-
Объясните векторную диаграмму для цепи, содержащей только индуктивность ( R = 0 ).
-
Закон Ома для цепи переменного тока, содержащей реальную катушку индуктивности ( R 0 ).
-
Формула для определения величины индуктивного сопротивления. В каких единицах она измеряется ?
-
От чего зависит величина индуктивности ? В каких единицах она измеряется ?
-
Почему индуктивное сопротивление считают реактивным ? Какие преобразования энергии сопровождают прохождение переменного тока через идеальную индуктивность ?
-
Какая величина тока называется “ эффективным значением ” переменного тока I эф ?
-
Какое сопротивление катушки называют активным сопротивлением ? Какие превращения энергии сопровождают прохождение переменного тока по реальной катушке ?
-
Выведите формулу полного сопротивления цепи Z , содержащей реальную индуктивность ? Объясните вывод. Почему величина Z не может быть рассчитана как сумма активного сопротивления R и индуктивного сопротивления XL катушки , т.е. Z R + XL ?
-
Почему переменный ток промышленной частоты можно считать квазистационарным ?
УЧЕБНОЕ ИЗДАНИЕ
Разинова Светлана Михайловна, доцент
Шапкарин Игорь Петрович, к.т.н., доцент
Глаголева Ольга Николаевна, к.ф.-м.н., доцент
Методические указания к лабораторной работе №87
«Определение индуктивности катушки»
Компьютерная верстка Матус А.А.
Технический редактор Киреев Д.А.
Ответственный за выпуск Морозов Р.В.
Бумага офсетная. Печатная на ризографе
Усл.печ.л.___Тираж 300 экз. Заказ №___
Информационно-издательский центр МГУДТ