Катушки индуктивности

Цель работы: определение коэффициента самоиндукции катушки методом измерения ее полного электрического сопротивления (импеданса) по переменному и постоянному току.

Приборы и оборудование: катушка индуктивности (L), переменное сопротивление (R_пер.), источник постоянного тока (ε), миллиамперметр переменного и постоянного тока (мА), вольтметр переменного тока (~V), вольтметр постоянного тока (=V), генератор электрических колебаний (ЗГ), источник постоянного тока (ε).

Теоретические сведения

В пространстве, окружающем электрические токи и постоянные магниты, возникает силовое поле, называемое магнитным. Наличие его обнаруживается по силовому действию на внесенные проводники или постоянные магниты.

Ампер установил, что сила , с которой магнитное поле действует на элемент проводника с током прямо пропорциональна силе тока I и вектор-ному произведению элемента на магнитную индукцию :

Модуль силы Ампера вычисляется по формуле

где - угол между векторами и ; и .

Таким образом, вектор магнитной индукции является силовой характеристикой магнитного поля. Последнее изображают с помощью линий магнитной индукции - линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора . Магнитная стрелка устанавливается вдоль касательной к линии магнитной индукции, причем ее северный конец N указывает направление вектора .

Закон Ампера позволяет определить единицу измерения магнитной индукции. Пусть элемент проводника cтоком силой I перпендикулярен линиям магнитной индукции однородного поля. Тогда модуль силы Ампера равен

при =π/2 и sin =1.

Откуда .

Единица измерения магнитной индукции - Тесла (Тл).

1 Тесла - магнитная индукция однородного поля, действующего с силой в 1Н на каждый метр длины прямолинейного проводника, расположенного перпендикулярно линиям магнитной индукции, если по этому проводнику идет ток силой 1А:

Потоком вектора магнитной индукции (магнитным потоком) через площадку dS называется скалярная физическая величина, равная

где В_n = Вcos - проекция вектора на направление единичного вектора нормали к площадке dS; - угол между векторами и ; - вектор, модуль которого равен dS (), а направление совпадает с направлением нормали к площадке dS (рис. 1).

Рис. 1

Для однородного поля и плоской поверхности, перпендикулярной вектору ,

В_n = В = const и Ф=ВS.

Из последней формулы определяется единица измерения магнитного потока - Вебер (Вб).

1 Вебер - магнитный поток, проходящий через плоскую поверхность площадью 1м², перпендикулярную линиям магнитной индукции однородного поля, индукция которого равна 1 Тесле:

1Вб=1Тл 1м².

Теорема Гаусса для магнитного поля: поток вектора магнитной индукции через любую замкнутую поверхность равен нулю, т.е.

Эта теорема отражает отсутствие магнитных зарядов, вследствие чего линии магнитной индукции не имеют ни начала, ни конца и являются замкнутыми.

Электрический ток, идущий по замкнутому контуру, в окружающем пространстве создает магнитное поле, индукция которого, по закону Био-Савара-Лапласа, прямо пропорциональна силе тока. Поэтому магнитный поток Ф пропорционален силе тока I в контуре:

Ф = LI,

где L - коэффициент самоиндукции, или индуктивность контура. Из этого выражения определяется единица измерения индуктивности - Генри (Гн).

1 Генри - индуктивность такого контура, магнитный поток самоиндукции которого при силе тока в 1А равен 1 Веберу:

Фарадей открыл закон: при изменении магнитного потока, пронизывающего поверхность, натянутую на замкнутый проводящий контур, в последнем возникает электродвижущая сила (ЭДС) индукции:

Знак «минус» в этой формуле является математическим выражением правила Ленца: индукционный ток в контуре имеет всегда такое направление, при котором создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока.

Таким образом, при изменении силы тока в контуре изменяется и сцепленный с ним магнитный поток и, следовательно, индуцируется ЭДС.

Возникновение ЭДС в проводящем контуре при изменении в нем силы тока называется самоиндукцией.

Применяя к самоиндукции закон Фарадея, получим, что ЭДС самоиндукции

Если контур не деформируется, то L=const и

Значит, на концах катушки возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая изменению силы тока.

Определение коэффициента самоиндукции

Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из катушки индуктивности L. Катушка имеет активное (омическое) сопротивление R и индуктивное (реактивное) сопротивление ωL, где ω - циклическая частота переменного тока; L - индуктивность катушки. Будем считать, что омическое сопротивление катушки сосредоточено в сопротивлении R, включенном последовательно с ней (рис. 2). На контакты 1 и 2 подается переменное напряжение ~U с циклической частотой ω.

Пусть в данный момент времени потенциал первого контакта φ₁ больше потенциала второго контакта φ₂. Тогда ток I идет слева направо.

Допустим, что сила тока I увеличивается, т.е.

> 0.

Тогда, согласно закону Фарадея, на концах катушки L возникает ЭДС самоиндукции, направление которой противоположно направлению тока I в цепи:

Если входное напряжение ~U изменяется по гармоническому закону, то

U = U_m cosωt = φ₁ - φ₂,

где U_m – амплитуда напряжения.

Рис. 2

Запишем закон Ома для этого неоднородного участка цепи:

. (1)

Тогда и

( 2)

Частное решение дифференциального уравнения (2) имеет вид

, (3)

где I_m – амплитуда силы тока, - начальная фаза колебаний тока.

Найдем первую производную:

. (4)

Выражения (7.3) и (7.4) подставим в формулу (7.2):

. (5)

Пусть (6)

. (7)

Подставим выражения (6) и (7) в формулу (5):

Отсюда

(8)

Равенство (7.8) будет справедливо для любого момента времени t при условии γ-β=0 и γ = β. Тогда из (8) получаем

, (9)

причем

Из равенства (9) следует, что

(10)

является полным электрическим сопротивлением (импедансом) участка цепи, включающим активное сопротивление R и индуктивное сопротивление ωL катушки индуктивности.

На практике с помощью вольтметра и амперметра измеряются эффективные (действующие) значения переменных напряжений и силы тока, связанные с амплитудами следующим образом:

и .

Значит

. (11)

Из выражения (10) получаем

(ωL)²=Z²- R²

(12)

Следовательно, измеряя полное электрическое сопротивление Z катушки индуктивности при переменном токе и ее омическое сопротивление R при постоянном токе, можно найти индуктивность катушки L.

Порядок выполнения работы

1. Собрать рабочую схему для определения полного электрического сопротивления Z (импеданса) катушки индуктивности при переменном токе (рис. 3).

Рис.3

2. Установить максимальное значение переменного сопротивления R_пер..

3. Включить генератор ЗГ.

4. Изменяя сопротивление R_пер., получить пять значений силы тока I_эфф и измерить соответствующие напряжения U_эфф на катушке индуктивности.

5. Результаты измерений занести в таблицу 1.

Таблица 1

№ опыта	І_эф, А	U_эф, В	Z, Ом	Z_ср, Ом

7. По формуле (11) вычислить полные сопротивления Z катушки индуктивности и найти их среднее значение Z_ср.

8. Собрать схему для определения омического сопротивления R катушки индуктивности при постоянном токе, рис.4.

9. Изменяя сопротивление R_пер., получить пять значений силы тока I и измерить соответствующие напряжения U на катушке индуктивности.

10. Результаты измерений занести в таблицу 2.

Таблица 2

№ опыта	І, А	U, В	R, Ом	R_ср, Ом

11. Вычислить омические сопротивления R катушки индуктивности и найти их среднее значение R_ср..

12. По формуле

при частоте ν=1000 Гц определить коэффициент самоиндукции L катушки.

Рис. 4

Контрольные вопросы

1.Что такое магнитное поле? Что такое линии индукции магнитного поля?

2. Как формулируется закон Ампера? Единица измерения индукции магнитного поля.

3. Дать определение потока вектора магнитной индукции. Единица его измерения.

4. Что такое индуктивность контура? Единица ее измерения.

5. Сформулировать закон Фарадея и правило Ленца.

6. В чем заключается явление самоиндукции? Э Д С. самоиндукции катушки.

7.Явление взаимной индукции. Практическое применение этого явления.

8.Написать уравнения Максвелла в интегральной форме.

9. Вывести рабочие формулы для расчета полного сопротивления (импеданса) и коэффициента самоиндукции катушки индуктивности.