Устройство для демонстрации накопления энергии магнитного поля индуктивностью

 

Сущность изобретения: устройство содержит ферромагнитный сердечник, индикатор магнитного поля, участки первого провода, второй провод, переключатели, ключи, лампочку накаливания, гальванометр, диод. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к учебным приборам и может быть использовано для демонстрации накопления энергии магнитного поля индуктивностью.

Известно устройство для демонстрации и измерения накопленной индуктивностью энергии, содержащее катушки индуктивности со съемным ферромагнитным сердечником, обмотка которой разбита на секции и подключена через диод к резистору из тонкой константановой проволоки, которая расположена в герметически закрытом стеклянном сосуде [1] В него через пробку введена горизонтальная стеклянная трубка с капиллярным каналом, часть которого заполнена цветной жидкостью. Исходное направление тока выбирается так, чтобы диод был в запертом состоянии, и ток через проволочный резистор не проходил. При размыкании цепи ток самоиндукции проходит через проволочный резистор (диод для этого направления тока отперт), нагревая его. Количество выделившейся энергии пропорционально или близко к накопленной индуктивностью энергии. За счет теплообмена нагревается воздух в закрытом сосуде, давление в нем повышается, и цветная жидкость в капилляре смещается. Путем расчета с некоторым приближением можно установить количество выделившейся энергии.

Недостатком устройства является невозможность изменения накапливаемой индуктивностью энергии без изменения силы тока в ней, числа витков в обмотке, по которой течет ток, а также положения сердечника.

Целью изобретения является устранение указанного недостатка.

На фиг. 1 показана схема включения устройства при максимальном значении индуктивности; на фиг.2 приведена схема включения устройства при минимальном значении индуктивности.

Устройство содержит катушку индуктивности с ферромагнитным сердечником 1. Против одного из его концов установлен индикатор 2 магнитного поля, например датчик Холла. Обмотка индуктивности намотана на каркас сложенными вместе и укладываемыми рядом двумя изолированными друг от друга проводами. Один из них разбит на участки 3, 4 и 5, от концов которых сделаны выводы наружу. Другой рядом укладываемый провод 6 на участки не разбивается. Участки сформированы послойно, участок 3 вместе с частью провода 6 занимает два слоя обмотки, участок 4 следующие три слоя обмотки, участок 5 последующие четыре слоя. Участки 3, 4 и 5 соединены последовательно между собой и с проводом 6. Переключатели 7, 8 и 9 позволяют изменять направления токов на участках 3, 4 и 5 независимо друг от друга. К концам обмотки индуктивности с помощью ключа 10 может подключаться лампочка 11 накаливания либо гальванометр 12, работающий в баллистическом режиме, через диод 13 включенный в запорном направлении. Устройство подключено к источнику постоянного тока с соблюдением полярности через ключ 14.

После включения устройство работает следующим образом.

При замыкании ключа 14 ток проходит только через обмотку индуктивности. Те слои обмотки, где направления токов в участках 3, 4 и 5 совпадают с направлением тока в проводе 6, создают магнитное поле обмотки индуктивности. Слои обмотки, в которых направления токов в участках 3, 4 и 5 противоположно направлению тока в проводе 6, магнитного поля не создают и вклада в результирующее магнитное поле обмотки индуктивности не вносят. При размыкании ключа 14 ток самоиндукции через диод 13 замыкается на индикатор выделяющейся энергии лампочку 11 или гальванометр 12. По яркости вспышки лампочки или величине отброса стрелки гальванометра судят о накопленной индуктивностью энергии. При разных комбинациях направления токов на участках 3, 4 и 5, осуществляемых с помощью переключателей 7, 8 и 9, можно получить семь разных значений энергии магнитного поля, создаваемого соответственно 9, 7, 6, 5, 4, 3, 2 слоями обмотки индуктивности, в которых токи в параллельных проводах слоя имеют одинаковое направление (фиг.1). Восьмое нулевое значение энергии и интенсивности магнитного поля получается, когда на всех участках 3, 4 и 5 в проводе 6 направления токов противоположны (фиг.2). Величину интенсивности магнитного поля, измеряемой индикатором 2, сравнивают с измеренной величиной накапливаемой индуктивностью энергии.

Измерение накапливаемой индуктивностью энергии с помощью баллистического гальванометра 12 основывается на следующем. При размыкании ключа 14 ток самоиндукции проходит через диод 13 к гальванометру 12. Работа, совершаемая ЭДС самоиндукции ε ε -L (1) где L индуктивность; i величина тока, равна W εidt LI² (2) где I сила тока в обмотке при размыкании цепи.

С другой стороны: εdt LI (3) εdt ∫Ridt RdQ RQ (4) где R общее сопротивление цепи.

ИЗ (3) и (4) следует, что LI RQ (5).

Подставляя это значение в (2), получают W RIQ (6)
Отброс стрелки гальванометра 12, работающего в баллистическом режиме, пропорционален количеству электричества Q, протекающего через него при размыкании ключа 14, т.е.

N α Q, (7) где α постоянная гальванометра.

Подставляя это значение в (6), получают
W N (8)
Данное изобретение целесообразно использовать в познавательных и учебных целях при изучении электромагнитизма, в частности для установления связи энергии проводника с током с магнитным полем, которое создает ток, и экспериментального подтверждения принципиального положения теории, что магнитное поле носитель энергии. Устройство может быть использовано в качестве лабораторной установки в физическом практикуме, а также демонстрационной установки.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ИНДУКТИВНОСТЬЮ, содержащее источник электропитания, катушку индуктивности с ферромагнитным сердечником и индикатор изменения величины накопленной энергии, отличающееся тем, что катушка индуктивности выполнена в виде намотанных на ее каркас и размещенных рядом двух изолированных проводов, один из которых разбит на участки разной длины, а устройство снабжено переключателями изменения направления тока в каждом из участков, при этом первый вывод источника электропитания соединен через последовательно включенные в общую цепь посредством переключателей соответствующие участки разной длины первого провода с первым выводом второго провода, второй вывод которого соединен с вторым выводом источника электропитания, а индикатор расположен у одного из концов ферромагнитного сердечника.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно имеет последовательно включенные баллистический гальванометр и диод, катод которого соединен с первым выводом источника электропитания, связанного вторым выводом с вторым выводом баллистического гальванометра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2