Задача и метод исследования
На выше описанном устройстве производят измерение электромагнитной силы взаимодействия между катушками, а также между катушкой и проводящими листами из немагнитного материала (алюминий) и ферромагнитного материала (стальной лист).
Сила электромагнитного взаимодействия определяется как разница показаний весов при отсутствии тока в катушках и при протекании в катушках тока. Измерение силы проводится при устойчивом состоянии равновесия катушек для заданного расстояния между катушками.
Следует иметь в виду, что направление электромагнитной силы зависит от взаимного направления токов в катушках. Так, при одинаковых направлениях токов (согласное включение), электромагнитная сила стремится сблизить катушки, а при токах противоположного направления (встречное включение) – отталкивать катушки.
В работе предлагается провести исследование электромагнитного взаимодействия между катушками в следующих случаях.
При постоянных токах:
- измерение силы взаимодействия при двух значениях токов и при фиксированном расстоянии между катушками;
- измерение силы взаимодействия при неизменном значении тока в зависимости от расстояния между катушками при согласном и встречном включении;
При переменном токе:
- измерение силы взаимодействия при различных значениях токов и при фиксированном расстоянии между катушками;
- измерение силы взаимодействия при неизменном действующем значении тока в зависимости от расстояния между катушками при согласном и встречном включении;
Провести исследование электромагнитного взаимодействия в системе катушка – ферромагнитный лист:
- измерение силы взаимодействия при неизменном значении тока в зависимости от расстояния между катушкой и листом.
Измерения провести при постоянном и переменном токе.
Провести исследование электромагнитного взаимодействия в системе катушка – немагнитный (алюминиевый) лист:
- измерение силы взаимодействия при неизменном значении тока в зависимости от расстояния между катушкой и листом.
Измерения провести при постоянном и переменном токе.
Для расчета
электромагнитной силы взаимодействия
между катушками служит выражение
,
где M – взаимная индуктивность катушек.
Согласно
изложенному в описании работы №3 для
рассматриваемых катушек имеем:
.
В данном случае
при
,
и
после дифференцирования M
по x
получаем:
.
Для расчета электромагнитного взаимодействия между катушкой с током и ферромагнитным листом при постоянном токе используется метод зеркальных изображений, в соответствии с которым токи намагниченности ферромагнитного листа эквивалентно заменяются зеркальным изображением токов катушки в плоскости листа. При этом расстояние между катушкой и ее зеркальным изображением равно удвоенному расстоянию между катушкой и листом, а ток зеркального изображения катушки равен по величине и направлению току исходной катушки.
Такое представление предполагает, что размеры листа бесконечны в плоскости его расположения. Конечные размеры реального листа приведут к разнице в результатах расчета и измерений.
При переменном токе возникающие вихревые токи приведут к дополнительной разнице в результатах расчета и измерений.
Взаимодействие между катушкой и немагнитным листом при постоянном токе отсутствует (исключая переходный процесс установления тока), в чем следует убедиться в процессе экспериментального исследования.
Электромагнитное взаимодействие между катушкой и немагнитным листом при переменном токе также рассчитывается методом зеркальных изображений, но в этом случае направление тока в зеркальном изображении катушки берется обратным по сравнению с током исходной катушки. Такое представление справедливо в случае бесконечных значений размеров листа и удельной электрической проводимости материала листа. Конечные размеры листа и значение удельной электрической проводимости материала листа приведут к разнице в результатах расчета и измерений.