Определение индуктивности катушки

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНДУКТИВНОСТИ КАТУШКИ

Методические указания к лабораторной работе №19

по физике

(Раздел «Электричество и магнетизм»)

Ростов-на-Дону

УДК 530.1

Составители: В.С. Ковалева, Н.Н. Фролова

Определение индуктивности катушки: метод. указания к лабораторной работе №19 по физике. – Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2012. – 11 с.

Указания содержат краткую теорию переменного тока в цепи, содержащую катушку индуктивности, и методику определения индуктивности катушки методом вольтамперметра.

Методические указания предназначены для студентов инженерных специальностей всех форм обучения, в программу учебного курса которых входит выполнение лабораторных работ по физике (раздел «Электричество и магнетизм»).

Печатается по решению методической комиссии факультета

«Нанотехнологии и композиционные материалы»

Рецензент д-р. техн. наук, проф. В.С. Кунаков

определение индуктивности катушки - student2.ru ©Издательский центр ДГТУ, 2012

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНДУКТИВНОСТИ КАТУШКИ

Цель работы: 1) определить индуктивность катушки;

2) исследовать зависимость индуктивности катушки от силы тока при наличии в катушке стального сердечника.

Оборудование: источники постоянного и переменного тока, амперметр, вольтметр, реостат, ключ, катушка индуктивности, соединительные провода, стальной сердечник.

Теоретическая часть

Явление возникновения электродвижущей силы (ЭДС) в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока в нем называется электромагнитной индукцией.

Электрический ток, появляющийся в этом случае, называется индукционным.

Направление индукционного тока определяется по правилу Ленца:

Индукционный ток всегда направлен так, что его магнитное поле противодействует изменению магнитного потока, вызвавшего появление данного тока.

Возникновение ЭДС индукции в электрической цепи вследствие изменения в ней силы тока называется самоиндукцией.

ЭДС самоиндукции пропорциональна скорости изменения силы тока в контуре

определение индуктивности катушки - student2.ru . (1)

Коэффициент пропорциональности определение индуктивности катушки - student2.ru называется индуктивностью и измеряется в генри (Гн). Индуктивность контура является мерой его "инертности" по отношению к изменению силы тока в нем и зависит от размеров и формы контура, а также от магнитной проницаемости определение индуктивности катушки - student2.ru окружающей среды.

Реальная катушка, обладающая активным сопротивлением определение индуктивности катушки - student2.ru и индуктивностью определение индуктивности катушки - student2.ru , в цепи переменного тока соответствует последовательно включенным определение индуктивности катушки - student2.ru и определение индуктивности катушки - student2.ru . Рассмотрим цепь переменного тока, содержащую последовательно соединенные активное сопротивление определение индуктивности катушки - student2.ru и катушку индуктивности определение индуктивности катушки - student2.ru (рис. 1).

Пусть ток в цепи изменяется по гармоническому закону

определение индуктивности катушки - student2.ru , (2)

определение индуктивности катушки - student2.ru определение индуктивности катушки - student2.ru

где определение индуктивности катушки - student2.ru - амплитудное значение силы тока, определение индуктивности катушки - student2.ru циклическая частота переменного тока.

Напряжение на резисторе определяется законом Ома

определение индуктивности катушки - student2.ru , (3)

где определение индуктивности катушки - student2.ru определение индуктивности катушки - student2.ru – амплитудное значение напряжения на резисторе. Сравнивая (2) и (3), заключаем, что напряжение и сила тока на резисторе изменяются в одинаковой фазе (синфазно).

При протекании переменного тока через катушку индуктивности определение индуктивности катушки - student2.ru в ней возникнет ЭДС самоиндукции, определяемая выражением (1). Тогда закон Ома для участка цепи, содержащего катушку определение индуктивности катушки - student2.ru , будет иметь вид:

определение индуктивности катушки - student2.ru ,

где определение индуктивности катушки - student2.ru – напряжение на катушке индуктивности.

Отсюда имеем

определение индуктивности катушки - student2.ru

и, учитывая (2), получаем

определение индуктивности катушки - student2.ru , (4)

где определение индуктивности катушки - student2.ru – амплитудное значение напряжения на катушке,

а определение индуктивности катушки - student2.ru называют реактивным индуктивным сопротивлением.

Сравнивая (2) и (4), заключаем, что напряжение на катушке индуктивности опережает ток на определение индуктивности катушки - student2.ru .

Общее напряжение на участке определение индуктивности катушки - student2.ru - определение индуктивности катушки - student2.ru цепи имеет вид:

определение индуктивности катушки - student2.ru .

определение индуктивности катушки - student2.ru Соотношения между переменными токами и напряжениями делаются особенно наглядными, если изображать их с помощью векторов.

Выберем ось токов и отложим на ней амплитудное значение силы тока. Тогда амплитудные значения напряжений определение индуктивности катушки - student2.ru и определение индуктивности катушки - student2.ru расположатся так, как показано на рис.2. Из диаграммы следует, что:

определение индуктивности катушки - student2.ru ,

или

определение индуктивности катушки - student2.ru ,

где определение индуктивности катушки - student2.ru - амплитудное значение результирующего напряжения.

Откуда амплитуда силы тока имеет значение

определение индуктивности катушки - student2.ru .

Величина

определение индуктивности катушки - student2.ru (5)

называется полным сопротивлением цепи катушки и активного сопротивления. Угол определение индуктивности катушки - student2.ru дает разность фаз между напряжением определение индуктивности катушки - student2.ru и силой тока определение индуктивности катушки - student2.ru .

Из выражения (5) получаем индуктивность катушки

определение индуктивности катушки - student2.ru , (6)

где определение индуктивности катушки - student2.ru =50 Гц – частота переменного тока.

Порядок выполнения работы

Задание 1.Определение активного сопротивления катушки методом вольтамперметра.

  1. Собрать цепь по схеме, изображенной на рис.3, и подключить к источнику постоянного напряжения.
  2. определение индуктивности катушки - student2.ru Определить цену деления амперметра определение индуктивности катушки - student2.ru и вольтметра определение индуктивности катушки - student2.ru ; записать в таблицу 1.
  3. Установить по заданию преподавателя первое значение силы тока, заметить при этом соответствующее значение напряжения, записать показания амперметра определение индуктивности катушки - student2.ru и вольтметра определение индуктивности катушки - student2.ru в делениях в таблицу 1.
  4. Изменяя ток с помощью реостата, измерить еще два значения напряжения, записать показания приборов в делениях в таблицу.
  5. Вычислить значения силы тока и напряжения соответственно по формулам:

определение индуктивности катушки - student2.ru , определение индуктивности катушки - student2.ru

  1. Вычислить активное сопротивление катушки по формуле определение индуктивности катушки - student2.ru для каждого значения силы тока определение индуктивности катушки - student2.ru .
  2. Вычислить среднее значение определение индуктивности катушки - student2.ru , определить абсолютную погрешность определение индуктивности катушки - student2.ru и среднее значение определение индуктивности катушки - student2.ru .
  3. Определитьотносительную погрешность определение индуктивности катушки - student2.ru по формуле определение индуктивности катушки - student2.ru , результаты записать в табл. 1.
  4. Вставить стальной сердечник в катушку при тех же значениях напряжения и убедиться, что показания амперметра не зависят от наличия сердечника (активное сопротивление катушки не зависит от наличия сердечника), однако при внесении или удалении сердечника показания амперметра изменяются. Сделать выводы, как и почему изменяются в этом случае показания амперметра.

Таблица 1

cA nA I cV nV U R <R> ∆R <∆R> εR
  А/дел A В/дел B Ом Ом Ом Ом %
                     
           
           

определение индуктивности катушки - student2.ru Задание 2.Определение полного сопротивления цепи катушки без сердечника и вычисление индуктивности.

  1. Собрать цепь по схеме, изображенной на рис. 4, и подключить к источнику переменного напряжения.
  2. Определить цену деления амперметра определение индуктивности катушки - student2.ru и вольтметра определение индуктивности катушки - student2.ru ; записать в таблицу 2.
  3. Установить по заданию преподавателя первое значение силы тока, заметить при этом соответствующее значение напряжения, записать показания амперметра определение индуктивности катушки - student2.ru и вольтметра определение индуктивности катушки - student2.ru в делениях в таблицу 2.
  4. Изменяя ток с помощью реостата, измерить еще два значения напряжения, записать показания приборов в делениях в таблицу.
  5. Вычислить значения силы тока и напряжения соответственно по формулам:

определение индуктивности катушки - student2.ru , определение индуктивности катушки - student2.ru

  1. Вычислить полное сопротивление катушки по формуле определение индуктивности катушки - student2.ru для каждого значения силы тока определение индуктивности катушки - student2.ru .
  2. Вычислить среднее значение определение индуктивности катушки - student2.ru , определить абсолютную погрешность определение индуктивности катушки - student2.ru и среднее значение определение индуктивности катушки - student2.ru .
  3. Вычислить относительную погрешность полного сопротивления катушки по формуле определение индуктивности катушки - student2.ru , результаты записать в таблицу 2.
  4. Используя найденные значения определение индуктивности катушки - student2.ru из таблицы 1, определение индуктивности катушки - student2.ru из таблицы 2 и значение частоты определение индуктивности катушки - student2.ru Гц, определить индуктивность катушки определение индуктивности катушки - student2.ru по формуле (6) для каждого значения определение индуктивности катушки - student2.ru .
  5. Вычислить среднее значение определение индуктивности катушки - student2.ru , определить абсолютную погрешность определение индуктивности катушки - student2.ru и ее среднее значение определение индуктивности катушки - student2.ru .
  6. Вычислить относительную погрешность индуктивности по формуле определение индуктивности катушки - student2.ru , результаты записать в таблицу 2.

Таблица 2

cA nA I cV nV U Z ∆Z eZ L ∆L εL
  А/дел A В/дел B Ом Ом % Гн Гн %
Без сердечника                      
               
               
Ср. знач. определение индуктивности катушки - student2.ru определение индуктивности катушки - student2.ru определение индуктивности катушки - student2.ru определение индуктивности катушки - student2.ru определение индуктивности катушки - student2.ru определение индуктивности катушки - student2.ru          

Задание 3.Исследование зависимости полного сопротивления и индуктивностикатушки с сердечником от величины переменного тока.

  1. Использовать схему, изображенную на рис. 4.
  2. Вставить внутрь катушки стальной сердечник. Изменяя последовательно силу тока (шаг изменения силы тока задает преподаватель) 10 раз, снять соответственно 10 значений напряжения. Результаты измерений занести в таблицу 3.
  3. Рассчитать соответствующие значения определение индуктивности катушки - student2.ru по формуле определение индуктивности катушки - student2.ru и определение индуктивности катушки - student2.ru по формуле (6), используя определение индуктивности катушки - student2.ru из таблицы 1.
  4. Построить графики зависимости определение индуктивности катушки - student2.ru .

Таблица 3

cA nA I cV nV U Z L
  А/дел A В/дел B Ом Гн
С сердечником                
             
. . .            
           

Контрольные вопросы

  1. В чем состоит явление электромагнитной индукции, самоиндукции?
  2. Запишите основной закон электромагнитной индукции.
  3. Сформулируйте правило Ленца.
  4. Напишите формулу полного сопротивления цепи, содержащей катушку индуктивности.
  5. Объясните, в какую сторону и почему изменятся показания амперметра, если при неизменном напряжении в катушку внести стальной сердечник?
  6. Изобразите векторную диаграмму и с ее помощью определите сдвиг по фазе между током в определение индуктивности катушки - student2.ru - цепи и напряжением на ее концах.
  7. Сформулируйте закон Ома для цепи переменного тока, содержащей определение индуктивности катушки - student2.ru – участки.
  8. Что такое индуктивность, и от каких параметров она зависит?

Литература

1. Трофимова Т.И. Курс физики / Т.И. Трофимова. – М.: Высш. шк., 2004.

2. Яворский Б. М. Справочник по физике / Б.М. Яворский, А.А. Детлаф. – М.:Наука, 2006

Техника безопасности

1. К работе с установкой допускаются лица, ознакомленные с ее устройством и принципом действия.

2. Электрическую схему включать в сеть только после проверки преподавателем правильности ее сборки.

Составители: Ковалева В.С., Фролова Н.Н.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНДУКТИВНОСТИ КАТУШКИ

Методические указания к лабораторной работе №19

по физике

(Раздел «Электричество и магнетизм»)

Редактор Т.В. Колесникова

________________________________________________________

В печать 30.03.2012.

Объем 0,75 усл.п.л. Офсет. Формат 60x84/16.

Бумага тип №3. Заказ № Тираж 60 экз. Цена свободная

________________________________________________________

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия:

определение индуктивности катушки - student2.ru 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. гагарина, 1.

определение индуктивности катушки - student2.ru

Наши рекомендации