Міністерство освіти і науки України
Вінницький національний технічний університет
Кафедра загальної фізики
Лабораторна робота №3-5
Вінниця – 2019
Тема роботи: Визначення індуктивності соленоїда.
Мета роботи: засвоєння навичок експериментального визначення індуктивності соленоїда та дослідження залежності індуктивності від магнітних властивостей осердя і сили струму.
Прилади і матеріали: дві котушки із спільним рухомим осердям; амперметр; вольтметр; ватметр; автотрансформатор; омметр.
Теоретичні відомості
Явище виникнення електричного струму в замкнутому контурі при зміні магнітного потоку, що охоплений контуром провідника, називається електромагнітною індукцією. Струм, який виникає в провідникові, називається індукційним.
Але струм провідності в замкненому колі може виникнути лише під дією стороннього електричного поля. Звідки випливає, що в замкненому контурі під дією змінного магнітного поля виникає електричне поле. Енергетичною характеристикою цього поля є електрорушійна сила (ЕРС) електромагнітної індукції εі , величина якої визначається законом Фарадея:
(1)
де К – коефіцієнт пропорційності, величина якого залежить від вибору системи одиниць;
Ф = B (S (cos( – магнітний потік через поверхню S охоплену контуром;
( – кут між зовнішньою нормаллю до поверхні S і вектором індукції магнітного поля B.
Закон Фарадея доповнюється законом Лєнца, згідно з яким при всякій зміні магнітного потоку через поверхню, яка охоплена замкненим контуром, в останньому виникає індукційний струм такого напрямку, що його магнітне поле протидіє зміні магнітного потоку. Враховуючи це і беручи всі величини в формулі (1) в одиницях СІ (при цьому К=-1), закон електромагнітної індукції запишемо в кінцевому вигляді:
(2)
тобто, електрорушійна сила електромагнітної індукції дорівнює швидкості зміни магнітного потоку з протилежним знаком.
Явище електромагнітної індукції має місце у всіх випадках зміни магнітного потоку, охопленого контуром. Зокрема, цей потік може створюватись струмом, що протікає в самому контурі. Тому при зміні сили струму в якому-небудь контурі в ньому ж виникає ЕРС індукції, яка викликає додатковий струм в контурі. Це явище носить назву самоіндукції, а електрорушійна сила- ЕРС самоіндукції. Розглянемо, від чого вона залежить. Величина магнітного поля в будь-якій точці пропорційна силі струму І в контурі, тому й магнітний потік Ф , охоплений контуром, пропорційний струмові:
Ф = LI . (3)
Коефіцієнт пропорційності L називається індуктивністю контура. За одиницю індуктивності приймається 1 генрі (Гн). Це індуктивність такого контура, в якому при силі струму 1 А виникає магнітний потік 1 Вб:
Застосовуючи до явища самоіндукції основний закон електромагнітної індукції (2), одержимо для ЕРС самоіндукції вираз: (4) Визначимо індуктивність безмежно довгого соленоїда. Напруженість магнітного, поля всередині такого соленоїда:
(5)
де N – загальне число витків;
l – довжина соленоїда;
n – число витків на одиницю довжини соленоїда.
Якщо площа перерізу соленоїда S, то магнетний потік через один виток буде:
а повний потік через всі N витків: (6)
Співставляючи формули (6) і (3), приходимо до висновку, що індуктивність соленоїда: (7)
де V – об’єм соленоїда.
Таким чином, ми переконались, що індуктивність залежить від форми та розмірів контура, а також від магнітних властивостей ( навколишнього середовища. Якщо навколишнє середовище є феромагнетиком, то ( складна функція від І, тому і залежність L від I досить складна. Якщо ж ( не залежить від I, тобто при відсутності феромагнетика, тоді L=const і формула (4) набуває вигляду:
(8)
Розглянемо електричне коло, яке складається з послідовно з’єднаних резистора R, індуктивності L та ємності С (Рис. 1). Ввімкнемо в це коло змінну напругу, яка описується законом:
(9)
У колі виникне струм тієї ж частоти амплітуда I0 і фаза ( якого, очевидно, визначатиметься параметрами...
