Измерение индуктивности катушки по её реактивному и активному сопротивлениям

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 11 из 15Следующая ⇒

Цель работы: ознакомиться с явлением самоиндукции, изучить один из методов определения индуктивности катушки.

Оборудование: исследуемая катушка, ферромагнитный сердечник, вольтметр, амперметр, реостат, трансформатор, мост переменного тока           Р- 577, мост постоянного тока P-333.

Введение

В трёхтомном труде Майкла Фарадея (1791 – 1867) "Эксперименталь­ные исследования по электричеству" содержится глава об индуктивном влиянии электрического тока на самого себя и об индуктивном действии электрических токов вообще. В этой главе Фарадей описал явление самоиндукции, которое заключается в том, что если впроводящем контуре изменяется сила тока, то в нём возникает ЭДС самоиндукции , пропорциональная скорости изменения тока:

.

Коэффициент пропорциональности L называется индуктивностью проводящего контура.

Явление электромагнитной индукции было независимо открыто также американским физиком Джозефом Генри (1797 – 1878). Современная физика увековечила научный вклад Генри, присвоив единице индуктивности L название "генри" (Гн). 1Гн=1(В×с)/А.

Индуктивность проводящего контура зависит от его формы и размеров, а также от магнитной проницаемости µ окружающей среды.

В качестве проводящего контура, индуктивность которого будем определять, используем катушку (соленоид). Соленоиды широко используются в технических устройствах и в лабораторной практике, так как с их помощью легко создавать однородное магнитное поле известной напряжённости  или магнитной индукции . Эти характеристики поля связаны соотношением . Катушки индуктивности также применяются для накопления энергии.

Индуктивность L длинного соленоида вычисляется по формуле

,

где µ – магнитная проницаемость вещества внутри соленоида;  – магнитная постоянная; N – число витков соленоида; l – его длина; S – площадь поперечного сечения;   – число витков на единицу длины; V – объём соленоида.

Для экспериментального определения индуктивности катушки пользуются законом Ома для переменного тока , где  и  – эффективные значения силы тока и напряжения на участке цепи, показываемые приборами, предназначенными для переменного тока;  – общее сопротивление участка цепи переменному току.

Общее сопротивление участка цепи с последовательным соединением ,  и  по переменному току

,

где ω – циклическая частота переменного тока;  – электроёмкость;  – индуктивность;  – омическое (активное) сопротивление участка цепи. Если в исследуемой электрической цепи содержатся ,  и нет электроемкости , то общее сопротивление такой цепи вычисляется по формуле

.

Из данной формулы индуктивность катушки

,

где ;  Гц.

Описание установки

Экспериментальная установка собирается по схеме (рис. 1). Реостат подключается к источнику тока по схеме потенциометра, чем обеспечивается регулирование напряжения на исследуемой катушке индуктивности . При подключении индуктивности   кисточнику постоянного тока, а это необходимо для определения активного сопротивления катушки, в измерительной части схемы используется вольтметр с малым предельным значением измеряемого напряжения. Мост постоянного тока Р-333 предназначен для прямого измерения сопротивления катушки , амост переменного тока Р-577 – для прямого измерения сопротивления   катушки или её индуктивности   (без сердечника). Общий вид установки показан на рис. 2.

Порядок выполнения работы

1. Собрать электрическую цепь экспериментальной установки по схеме рис. 2.

2. Присоединить электрическую цепь к выходным клеммам разделительного трансформатора ТР. После проверки схемы преподавателем разделительный трансформатор включают в сеть , .

3. Меняя положение движка реостата, наблюдать изменение силы тока  и напряжения , а затем измерить ряд значений силы тока и соответствующие им значения напряжения. Результаты эксперимента внести в таблицу измерений  и .

4. Ввести в катушку индуктивности ферромагнитный сердечник. Измерить ряд значений силы тока  и соответствующие им значения напряжения . Результаты измерений занести в таблицу.

5. Выключить трансформатор. Отсоединить электрическую схему от трансформатора и подключить её к клеммам источника постоянного тока. Заменить вольтметр на другой с малым пределом измерения .

6. Включить источник постоянного тока. Измерить ряд значений силы тока  и напряжений . Результаты измерений занести в таблицу.

7. Используя закон Ома, вычислить полное Z и активное  сопротивления катушки.

8. Вычислить индуктивность катушки с сердечником и без сердечника. Оценить погрешность измерений.

Контрольные вопросы

1. В чём состоит явление самоиндукции? Как вычисляется ЭДС самоиндукции?

2. Как вычисляется индуктивность длинного соленоида?

3. Что такое полное сопротивление проводящего контура и от каких параметров оно зависит?

Список рекомендуемой литературы

1. Савельев И.В. Курс общей физики: В. 3 т. Т. 2. – М.: Наука, 1988. §64, 92.

2. Калашников С.Г. Электричество. – М.: Наука, 1977. § 93. – 220 с.

Лабораторная работа № 4-4

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Цель работы: изучить устройство, работу электронного осциллографа и генератора звуковой частоты и их применение к исследованию электрических колебаний звуковой частоты.

Оборудование: электронный осциллограф, звуковые генераторы известной и неизвестной частот, соединительные провода.

Введение

Электронный осциллограф – электроизмерительный прибор, предназначен для наблюдения и исследования электрических процессов. С помощью осциллографа можно исследовать форму кривых, описывающих процесс, сравнивать амплитуду и частоту различных сигналов и т.д. Применяя специальные преобразователи, с помощью осциллографа можно также исследовать быстрые неэлектрические процессы, например механические колебания.

В настоящей работе с помощью осциллографа исследуются процессы сложения колебаний одного направления и сложения взаимно перпендикулярных колебаний. В качестве источников колебаний применяют стандартный генератор звуковой частоты (ГЗ), с помощью которого можно получить колебания в широком диапазоне частот, и генератор Гх, частота ко торого постоянна.

Электронно-лучевая трубка – основной элемент электронного осциллографа (рис. 1). Основные части: 1 – оксидный катод; 2 – электрод, управляющий яркостью изображения, наложением больших или меньших отрицательных напряжений по отношению к катоду; 3 – фокусирующий катод (первый анод), выделяющий узкий электронный пучок; 4 –ускоряющий анод (второй анод), от потенциала которого зависит чувствительность трубки; 5 – две пары вертикально и горизонтально отклоняющих, пластин; 6 – ускоритель (третий анод) усиливает яркость изображения и представляет собой проводящий слой на боковой поверхности экрана; 7 – экран с флюоресцирующим слоем. Попадая на этот слой, электроны вызывают свечение в точке удара.

Генератор развертки. Для получения на экране трубки картины электрического процесса в координатах "напряжение – время" к одной паре пластин подводится линейно меняющееся со временем (пилообразное) напряжение (рис. 2). Электронный луч под действием пилообразного напряжения прочерчивает горизонтальную линию, пробегая за равные отрезки времени равные расстояния. В течение некоторого времени луч возвращается в исходное положение (обратный ход).

Наклон пилообразного напряжения и, следовательно, скорость движения луча можно изменять. При этом будет меняться временной масштаб развертки.

Определение частоты сигналов методом фигур Лиссажу. Если подключить к горизонтальному входу осциллографа источник переменного (синусоидального) тока, то светящаяся точка будет совершать гармоническое колебание вдоль оси Х: . При подключении к вертикальному входу осциллографа источника синусоидального колебания светящаяся точка совершает колебание вдоль оси Y: , где a и b – амплитуды соответствующих смещений,  и  – циклические частоты колебаний вдоль осей X и Y, a – разность фаз колебаний. Траектория движения точки – результат сложения двух взаимно перпендикулярных колебаний. Если частоты взаимно перпендикулярных колебаний неодинаковы, то траектории результирующего движения имеют вид довольно сложных кривых.

Если отношение частот  выражается рациональной дробью, то результирующее движение имеет форму кривой, называемой фигурой Лиссажу. Их вид зависит от соотношения амплитуд, частот и фазы a складываемых взаимно перпендикулярных колебаний. Фигуры Лиссажу вписываются в прямоугольник, центр которого совпадает с нулевым положением луча, а стороны параллельны осям X и Y. В качестве примера для нескольких значений  и разности фаз a фигуры Лиссажу приведены на рис. 3. Чем ближе к единице рациональная дробь, выражающая отношение частот колебаний, тем сложнее фигура Лиссажу.

Порядок выполнения работы

1. Специальным кабелем или соединительными проводами подключить осциллограф к генератору.

2. Включив осциллограф и звуковой генератор, получить устойчивую картину сигнала.

3. Изменяя частоту сигнала звукового генератора получить и зарисовать фигуры Лиссажу для соотношения частот 3:2; 2:1; 1:2; 2:3; 3:1.

4. Определить для каждого случая частоту колебаний неизвестного генератора, используя формулу , где и  – число точек касания фигуры соответственно с горизонтальной и вертикальной линиями.

Контрольные вопросы

1. Каково назначение осциллографа?

2. Из каких основных блоков состоит осциллограф? Каково их назначение?

3. Как устроена электронно-лучевая трубка? Каким образом формируется в ней электронный луч?

4. Что получается в результате сложения двух колебаний одинакового направления и при сложении двух взаимно перпендикулярных колебаний?

5. Как с помощью осциллографа определяется истинное значение амплитуды измеряемого сигнала?

Познавательные статьи:



Техника нижней прямой подачи мяча

Комплекс физических упражнений для развития мышц плечевого пояса

Стандарт Порядок надевания противочумного костюма

Общеразвивающие упражнения без предметов