Лабораторная работа № 214. Изучение явления электромагнитной индукции. 214.1. Цель работы: Экспериментальное изучение явления электромаг-нитной индукции, самоиндукции и взаимной индукции.


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВ
АНИЯ И НАУКИ РОССИЙС
КОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВОЛЖСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕ
СКИЙ ИНСТИТУТ ФИЛИА
Л

ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДА
РСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГ
О ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО
УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО П
РОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБР
АЗОВАНИЯ

ВОЛГ
О
ГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕ
ННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИ
ВЕРС
ИТЕТ»



КАФЕДРА ПРИКЛАДНАЯ
ФИЗИКА И МАТЕМАТИКА
»





М.М. Кумыш





ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНД
УКЦИИ


Методические указания















Волгоград

201
5


УДК
53 075.5





Рецензент:


Канд.

тех.
н
аук
, доцент

А.Л. Суркаев




Издается по р
ешению редакционно

издательского совета

Волгоградского государственного технического университета







М.М. Кумыш
,
И
зучение явления электромагнитной индукции
[
Электро
н
ный ресурс
]
: методические указания //Сборник Методические указания» Выпуск
3.

Электрон.
текстовые дан.1файл:141K
b


Волжский: ВПИ филиал ГОУВПО
ВолгГТУ, 201
5
.

Систем.требования:Widos 95 и выше; ПК с пр
о
цессором 486;
D

ROM
.





Методические указания содержат рекомендации к выполнению лабор
а
торной работы, представленной в
о

втор
ой части
практикума кафедры


Прикладная физика
и математика»
Волжского пол
и
технического института.

Предназначены для студентов всех форм обучения.










Волгоградский

государственный
технический

униве
р
ситет, 201
5


Волжский

политехнич
е
ский
институт, 201
5








3


Лабораторная работа № 214


ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ


214.1. Це
ль работы:
Экспериментальное изучение явления электрома
г
нитной индукции, самоиндукции и взаимной индукции. Определение и
н
дуктивнос
ти к
а
тушки и взаимной индуктивности контуров.


214.2. Описание лабораторной установки


Для изучения явления электромагнитной индукции в данной работе и
с
пользуется тороидальный трансформатор, к обмоткам которого можно
подключаться по раздельности.










Внешний вид установки показан на рис.214.1. Электрическая схема
смонтирована в блоке 1. Характеристики электрической цепи замеряются с
помощью миллиамперметра 2 и вольтметра 3. Для создания переменного
напряжения используется звуковой генератор 4.




S
1

Вкл

Выкл

S
2





S
3





Сеть

Схема






R

1

2

3

Рис.214.
1

ЗГ

4







4


214
.3. Методика эксперимента


Магнитное поле создается электрическими токами. Существует и обра
т
ное явление:
магнитное поле вызывает появление электрических токов
.
Это явление н
о
сит название электромагнитной индукции, и было открыто
М. Фарадеем в 1831 г. В за
мкнутом проводящем контуре при всяком изм
е
нении потока магнитной и
н
дукции, через поверхность ограниченную этим
контуром, возникает электрический ток, получивший название
индукцио
н
ного.
Результаты опытов Фарадея в последствии проанализировал Дж.
Максвелл и
установил,
что возникающая электродвижущая сила ЭДС
электромагнитной индукции пропорциональна быстроте изменения ма
г
нитного потока через площадь, ограниченную контуром.
Российский ф
и
зик Э. Ленц установил закон, позволяющий определить направление и
н
дукцио
нного тока

правило Ленца, которое гласит:
индукционный ток
всегда направлен таким образом, что его действие противоположно де
й
ствию причины, вызвавшей этот ток
.

Закон электромагнитной индукции выражается следующей форм
у
лой:

t
d
d
Ф
i



.
4

Знак 

» соответствует правилу Ленца.

Так как поток магнитной индукции определяется по формуле


cos
BS
Ф
, то изменение его можно произвести тремя сп
о
собами:

1


изменяя индукцию


t
B
B



;

2


изменяя площадь контура


t
S
S

;

3


изменяя угол


t



.

Таким образом, в замкнутом контуре не обязательно проводящем во
з
никает ЭДС электромагнитной индукции
i

в любом из указанных случаев.
К
роме того, если этот поток
Ф
создается током

, текущем в самом ра
с






5


сматриваемом проводящем контуре, то изменение силы тока в нем выз
ы
вает дополнительный ток в контуре. Это явление называется
самоиндукц
и
ей
, а дополнительные токи, вызываемые ЭДС самоиндукции



экстрат
о
ками самоиндукции
.

Магнитная индукция
B

в любой точке поля пропорциональна силе тока

в контуре. Поэтому и полный магнитный поток потокосцепление, пр
о
низывающий контур, пропорционален току:


L


,

где
коэффициент пропорциональности
L
называется
индуктивностью
конт
у
ра
. Индуктивность какого

либо контура зависит от его формы и
размеров, а также от свойств окружающей среды. В СИ индуктивность в
ы
ражается в
генри

Гн
.

Применяя к явлению самоиндукции основн
ой закон электромагнитной
инду
к
ции, получаем для ЭДС самоиндукции выражение:















dt
L
d

dt

d
L
dt
L
d
S
.

Если индуктивность
L
не изменяется, при изменении тока, а это возмо
ж
но, е
с
ли:

а контур жесткий, т. е. не деформируется,


б вблизи контура нет ферромагнетиков,

тогда:
0

L
d
и
t
d

d
L
S



.


Как видно, ЭДС самоиндукции пропорциональна быстроте изменения
тока. Экстратоки
самоиндукции, в соответствии с законом Ленца всегда
препятствуют изменениям тока, их вызвавших. При включении в цепь и
с
точника тока экстратоки направлены противоположно току, создава
е
мому
источником, т. е. они препятствуют нарастанию тока. При выключении и
с
точника тока экстратоки поддерживают ослабевающий ток исто
ч
ника.







6


Рассматривая два контура с током, например, два круговых витка 1 и 2
рис.
214.2
 можно видеть, что часть линий сплошные линии индукции
магнитного поля, создаваемого контуром 1, будет прохо
дить через контур
2, т.е. будет сцеплена с этим контуром. И, обратно, определенное число
линий магнитной индукции прерывистые линии создаваемых контуром 2,
будет сцеплено с контуром 1. В этом случае говорят, что между обоими
контурами существует ма
г
нитна
я связь.

Индукция поля контура 1 пропорциональна силе тока

1
в этом контуре.
Следовательно, полный магнитный поток

12
через контур 2, создаваемый контуром
1, также пропорционален току

1
:

1
12
12

L


.

Совершенно также, если в контуре 2 им
е
ет
ся ток

2
, то он создает магнитный п
о
ток

21
ч
е
рез контур 1, причем:

2
21
21

L


.

Коэффициенты
L
12
,
L
21
называются
взаимной индуктивностью
конт
у
ров.

Взаимная индуктивность зависит от формы и размеров контуров и от их


взаимного расположения, а
также от окружающей среды. В отсу
т
ствии
ферромагнет
и
ков
L
12

L
21
.

Наличие магнитной связи между контурами проявляется в том, что при
всяком изменении силы тока в одном из контуров, в другом контуре поя
в
ляется ЭДС индукции:

t
d

d
L
t
d
d
1
12
12
2






;
t
d

d
L
dt
d
2
21
21
1






,

где

2


ЭДС индукции, возникающая в контуре 2, при изменении тока

1
в
1

ом контуре;

1


ЭДС индукции, возникающая в контуре 1, при измен
е
нии т
о
ка

2
во 2

ом контуре.

1
B


1

2

Рис.
214.2


1


2

2
B








7


Для изучения явления самоиндукции используется электрическая цепь
р
ис.

214.
3
, содержащая
тороидальный трансформатор Тр, первичная
обмотка которого имеет индуктивность
L
Т
1

с сопротивлением
r
, а втори
ч
ная обмотка имеет индуктивность
L
Т
2
, реостат
R
, источник
постоянного
т
о
ка
переменный ток

преобразуется
диодным мостом
в
постоянный
, исто
ч
ник переменного напряжения 3Г, переключател
и

S
1
,
S
2
,
S
3
,
миллиамперметр
m
А и воль
т
метр
V
.

Переключате
ль

S
1

в
ключа
ет установку.
Переключателем
S
2
можно по
д
ключать либо источник постоянного тока, либо источник переменного н
а
пряжения 3Г. Переключателем
S
3

электрический ток, выбранный перекл
ю
чателем
S
2
, подключается
к
первичной или вторичной
катушк
ам

индуктивности
тороидальн
ого
трансформатор
а
.

1.
Измеряя, с помощью миллиамперметра
mA
установившееся значение
силы постоянного то
ка

m
в цепи катушки
L
и напряжения
U
_ с помощью
вольтметра
V
 на ее концах, определяется ее сопротивл
е
ние
r
по формуле:


m

_
U
r

,

214.1

где
U
_

напряжение постоянного тока на концах катушки индукти
вн
о
сти;

m


сила установившегося постоянного тока.








2.

Затем переключателем
S
3
подключается источник переменного тока
3Г к
первичной
катушке
L
. Измеряя эффективные значения силы тока


в
цепи катушки
L
и напряжения
U

на ее концах, определяются
индукти
в
ность к
а
тушки
L
по формуле:





S
2

S
1

mA

Тр

S
3

R

V

V









Рис.214
.
3







8









r

U
L



2
2
2
.
214.2

и ЭДС самоиндукции

S
по формуле:




2
2
2
r

U
L


L




эф
,
S







.

214.3

3.

Для изучения явления взаимной индукции вместо катушки индук
ти
в
ности
L
используется только источник переменного тока 3Г.

Для определения взаимной индуктивности
L
21
вольтметр подключается к
первичной обмотке. Для определения взаимной индуктивности
L
12
обмо
т
ки трансформатора меняются местами в схеме подключения, т.
е. воль
т
метр подключается ко вторичной обмотке.


214.4. Порядок выполнения работы


Установка собрана и готова к работе.

1. Переключатель
S
3
поставьте в положение 

» 
подключена первичная
обмотка трансформатора
.

2.
Включите блок 1 в цепь рис.21
4
.1.

3
.
Включит
е
в сеть звуковой генератор 3Г и прогре
йте
его 2

3 мин.
Установит
е
частоту




50

Гц
.

4
. Установит
е
на вольтметре предел измерения 20
В
с у
четом рода тока:
переменный »;
постоянный 

». Установит
е
на миллиамперметре пр
е
дел
измерения 150
мА
с у
четом рода тока 


»
или


»
.

5
.
Переключатель
S
1
поставьте в положение 
Вкл
»
.

6
.
Переключатель
S
2
поставьте в положение 

» измерение постоянного
электрического т
о
ка.

7.
Установит
е
реостатом
R
в цепи
первичной
катушки
L
ток




50

мА

или уменьшенное з
начение согласно п.1
2
, и запи
шите
в таблицу
214.
1.

8
. Измерь
те
вольтметром напряжение
U
_,
и запи
шите
в таблицу
214.
1.







9


9
.
Переключатель
S
2
поставьте в положение 

» измерение
переменного

электрического т
о
ка.

10
. Установит
е
реостатом значение тока





50

мА
, или уменьшенное
значение согласно п.1
2
, и запи
шите
в таблицу 214.1.

11
. Сн
имите
показания вольтметра
U

, и запи
шите
в таблицу 214.1.

1
2
. Повторит
е
п.п.
6
,…,1
0
, уменьшая ток

каждый раз на 5
мА
, вплоть
до 30

мА
.

13. Для изучения явления взаимной индук
ции
п
ереключатель
S
3

о
ставьте
в положение 

» 
подключена
перви
чная обмотка трансформатора

, при
этом соедини
те
вольтметр
V
с
о
вторичной обмоткой
L
Т2
тороида
с кле
м
мами блока 1, обозначенными 

»
.

14. Установит
е
на вольтметре предел измерения 20
В
для п
еременного
тока



»
.

15. Установит
е
на миллиамперметре предел измерения 150
мА
для пер
е
менного тока



»
.

16.
Переключатель
S
2
поставьте в положение 

» измерение
переменн
о
го
электрического т
о
ка.

17. Установит
е
реостатом в цепи первичной обмотки ток

1



50

мА
, или
уменьшенное значение согласно п.
19
и занеси
те
в таблицу 214.2.

18. Измер
ьте
напряжение вольтметром на вторичной обмотки
U
2
и зн
а
чение занеси
те
в таблицу 214.2.

19
. Повторит
е
п.п. 17,…,1
8
уменьшая ток

на 5
мА
каждый раз вплоть
до 30
мА
.

20
.
Для изучения явления взаимной индукции
п
ереключатель
S
3
п
о
ставьте в положение 


» 
подключена вторичная обмотка трансформат
о
ра
, при этом соедини
те
вольтметр
V
с
первич
ной обмоткой
L
Т
1
тороида
с
клемм
а
ми блока 1, обозначенными 

»
.

21. П
овторит
е
п.п. 17
,…,
19
, при этом вместо

1
будет

2
, вместо
U
2
б
у
дет
U
1
.








10



Таблица 214.1.
Результаты
изучения явления самоиндукции




,


,

м
A

U

,

В

U

,

В

ε
S
,

В

r
,

Ом

<
r

>,

Ом

L
,

10

6

Гн

<
L

>,

10

6

Гн

1

50






2







3







4







5

30









Табли
ца 214.2.
Результаты
изучения явления взаимной индукции




1
,

м
A

U
2
,

В


2
,

В

U
1

,

В

L
2,1
,

10

6

Гн

L
1,2
,

10

6

Гн

<
L
2,1
>,

10

6

Гн

<

L
1,2

>,

10

6

Гн

1

50


50




2







3







4







5

30


30







Примечание:
возможны другие установочные
значения силы тока

,



задаваемые преподавателем.


214.5. Обработка результатов измерений


1. По формуле 214.1 рассчита
йте
активное сопротивление
r
катушки

для каждого опыта, рассчитайте среднее арифметическое значение
<
r

>

и
зан
е
си
те результаты
в та
блицу 214.1.

2
. По формулам 214.
2
 и 214.
3
 рассчита
йте
величину
L
и ЭДС самои
н
дукции

ε
S

, возникающей в катушке, результаты занеси
те
в таблицу 214.1.

3
. Рассчита
йте
значени
е
коэффициент
ов

L
21

и
L
21

для каждого опыта:




2
1
21
2

U
L

,




1
2
12
2

U
L

,







11


рассчитайте средние арифметические значения
<
L
21

>
и
<
L
21

>

и

занеси
те

в таблицу 214.2.


4. Сравните значения
<
L
21

>
и
<
L
21

>
и сделайте вывод.


214.6. Контрольные вопросы


1. В чем заключается основное свойство магнитного поля?

2. Что та
кое магнитный поток?

3. В чем заключается явление электромагнитной индукции?

4. Что такое индукционный ток?

5. Сформулируйте и запишите закон электромагнитной индукции ура
в
нение Фарадея.

6. Сформулируйте правило Ленца.

7. В чем заключается явление самоин
дукции?

8. Что такое потокосцепление?

9. Что такое индуктивность контура?

10. Чему равна ЭДС самоиндукции?

11. Выведите формулы для тока при замыкании и размыкании цепи, с
о
держащей индуктивность.

12. В чем заключается явление взаимной индукции?

13. Что та
кое коэффициенты взаимной индуктивности?

14. От каких факторов зависят случайные погрешности в данной эксп
е
риментальной работе?













12


Литература, рекомендуемая для обязательной проработки:
[

1
],
§§9.1,…, 9.7; [

2
], §§100, …, 107; [

3
], §§55,…, 63; [

4
], §§64, 65; [

5
], §§122,…,
130; [

6
], §§
V
.8.1,…,
V
.8.5.


ЛИТЕРАТУРА


1
.

Иродов И.Е.
Эле
ктромагнетизм. Основные законы: Учебное пособие
для физич. спец. вузов.

9

е изд.

М.: БИНОМ. Лаборатория знаний
,

2013.

319 с.

2
.

Калашников С.Г. Электричество.


6

е изд.
,
стер.



М.: ФИЗМАТЛИТ
,

2003.

624 с.

3
.

Савельев И.В. Курс общей физики

в 4

х томах.

Электричество и магн
е
тизм. Волны. Оптика
.


М.: КноРус
,

2012
.

Т.
2
.


576
с.

4
.

Сивухин Д.В. Общий курс физики.

Электричество.


М.: ФИЗМАТЛИТ
,

2
009.


Т.
3
.


656
с.

5
.

Трофимова Т.И. Курс физики.


20

е изд.
,
стер.

М.:
Изд

во

Акад
е
мия
»
,

2014
.


560
с.

6
.

Явор
ский Б.М.
,
Детлаф А.А. Справочник по физике.


8

е изд.
,
испр. и
перераб.



М.: Изд

во

Оникс»
,
200
8
.

1056 с.


















Учебное издание


Михаил Маркович
Кумыш



ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНД
УКЦИИ


Методические указания


в авторской редак
ции

Темплан 2007 г., поз.№ __27. В_

Лицензия ИД №

04790 от 18.05.2001 г.


Подписано в печать _________. Формат 60
x
84 1/16.

Усл. печ. л. _1,16___.

Уч.

изд. л. _1,2 на магнитоносителе

Волгоградский государственный технический университет.

400131, г. Волгог
рад, просп. им. В.И. Ленина 28.




РПК “Политехник” Волгоградского государственного

технического университета.

400131, Волгоград, ул. Советская, 35.




Приложенные файлы

  • pdf 1199738
    Размер файла: 293 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий