XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Бесконтактное сопротивление
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность исследовательской работы заключается в том, что отклик RLC-цепи, подключенной к источнику переменного тока, можно изменить, поместив в катушку индуктивности немагнитный металлический или ферромагнитный стержень. По отклику цепи можно определить магнитные и электрические характеристики вставленного стержня?
Оборудование: катушка с различным количеством витков, резистор 15 Ом, конденсатор 100 мкФ, вольтметр, миллиамперметр, источник переменного тока, генератор высокой частоты, немагнитные металлические стержни диаметрами 0.8 см, 1 см, 1.2см, 3 см.
Цель: Определение магнитных и электрических характеристик немагнитного металлического стержня вставленного в катушку подключенную к источнику переменного тока
Задачи:
-
Определить зависимость силы тока, напряжения, индуктивного сопротивления и индуктивности катушки от диаметра стержня
-
Определить магнитные характеристики немагнитного металлического стержня
-
Определить электрические характеристики немагнитного металлического стержня.
ГЛАВА 1. ЗАВИСИМОСТЬ СИЛЫ ТОКА, НАПРЯЖЕНИЯ, ИНДУКТИВНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ И ИНДУКТИВНОСТИ КАТУШКИ ОТ ДИАМЕТРА СТЕРЖНЯ
1.1 Зависимость силы тока и напряжения на катушке от диаметра сердечника
Была сконструирована электрическая схема, показанная на рисунке 1.
Рисунок 1. – Электрическая схема
Катушка: N=1000 витков
Стержни металлические:
l1=l2=l3 =30 см (рисунок 2), (таблица1).
Рисунок 2. – Определение отклика электрической цепи
Таблица 1. – Зависимость силы тока и напряжения на катушке от диаметра сердечника
|
Диаметр стержня, d ст, см |
Сила тока без сердечника,Ι1,мА |
Напряжение без сердечника,U1,В |
Сила тока с сердечником, Ι2, мА |
Напряжение с сердечником, U2,В |
|
0,8 |
40,8 |
2,5 |
40,65 |
3 |
|
1 |
40,8 |
2,5 |
40,6 |
3,1 |
|
1,2 |
40,8 |
2,5 |
40,55 |
3,2 |
|
0,8+1+1,2 |
40,8 |
2,5 |
40,4 |
3,9 |
Было обнаружено, что при увеличении диаметра стержня, сила тока (Ι1) и напряжение(U1) без сердечника оставалась неизменной, однако с сердечником были выявлены изменения: сила тока (Ι2) уменьшилась, а напряжение (U1), наоборот, стало повышаться.
При увеличении диаметра стержня уменьшается Ι, увеличивается U на катушке (рисунок 3).
Рисунок 3. – Вольт-амперная характеристика
Сплавы металлов, не реагирующие на магнит, не оказывали влияния на RLC-цепь (рисунок 4,5).
Рисунок 4,5. – Набор стержней
1.2 Зависимость индуктивного сопротивления и индуктивности катушки от диаметра сердечника
Пример: Стержень №1 (d=0,8см).
Индуктивное сопротивление – это сопротивление проводника в цепи переменного тока, неимеющего заметного активного сопротивления, но имеющий заметную индуктивность
;
2ПνL; (2) L =0,24 Гн
L без сердечника=0,19 Гн
Индуктивность катушки увеличивается при внесении металлического сердечника (таблица 2).
При увеличении диаметра стержня увеличивается L и (рисунок 6).
Рисунок 6. – График зависимости индуктивности катушки от сопротивления
Таблица 2. – Зависимость индуктивного сопротивления и индуктивности катушки от диаметра сердечника
|
Диаметр стержня, d ст, см |
Сила тока без сердечника,Ι1, мА |
Напряжение без сердечника,U1,В |
Сила тока с сердечником, Ι2,мА |
Напряжение с сердечником, U2,В |
Индуктив-ность сопротивления,Хl,.Ом |
Индуктив-ность,L,Гн |
|
0,8 |
40,8 |
2,5 |
40,65 |
3 |
74 |
0,240 |
|
1 |
40,8 |
2,5 |
40,6 |
3,1 |
76 |
0,245 |
|
1,2 |
40,8 |
2,5 |
40,55 |
3,2 |
78 |
0,248 |
|
0,8+1+1,2 |
40,8 |
2,5 |
40,4 |
3,9 |
96 |
0,308 |
Было отмечено,что при увеличении диаметра стержня, сила тока (Ι1) и напряжение(U1) без сердечника оставалась неизменной, однако с сердечником были выявлены изменения: сила тока (Ι2) уменьшилась, а напряжение (U2), наоборот, стало повышаться. Сопротивление (Х1) и индуктивность (L) также повысили свои показатели.
ГЛАВА 2. МАГНИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕМАГНИТНОГО МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СЕРДЕЧНИКА
а) Магнитная проницаемость сердечника
;
= (4)
Пример: Стержень №1 (d=0,8 см)
= =26 (углеродистая сталь)
=27 = 16 – 640 (никель-цинковый сплав)
=28
=34
Магнитная проницаемость сердечника увеличивается с увеличением его диаметра. Магнитная проницаемость – величина не постоянная, зависит от индукции внешнего поля В.
б) Напряженность магнитного поля внутри катушки
Н= (5)
Пример. Стержень (d=0,8 см)
= =407
= 406
= 405
= 404
Напряженность магнитного поля уменьшается с увеличением диаметра стержня
Напряженность внутри катушки, в воздушной полости сердечника, в сердечника одинаковые (граничное условие магнетизма) (таблица 3).
Таблица 3. – Зависимость магнитной проницаемости сердечника, напряженности магнитного поля внутри катушки, магнитной индукции сердечника от диаметра сердечника
|
Диаметр стержня, d ст, см |
Магнитная проницаемость, |
Напряженность, Н, А/М |
Магнитная индукция, В, мТЛ |
|
0,8 |
26 |
407 |
13,65 |
|
1 |
27 |
406 |
13,63 |
|
1,2 |
28 |
405 |
13,61 |
|
0,8+1+1,2 |
34 |
404 |
13,56 |
Было выявлено,что при увеличении диаметра стержня, магнитная проницаемость ( ) и напряженность(Н) и магнитная индукция (В) постепенно снижались.
в) Коллаж
С увеличением диаметра сердечника катушки увеличивается магнитная проницаемость, уменьшается напряженность магнитного поля Н и магнитная индукция В (рисунок 7).
Рисунок 7. – Магнитные характеристики
ГЛАВА 3.ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СЕРДЕЧНИКА
а) Магнитосопротивление
Пример. Стержень № 1
d=0,8 см ν=50 Гц R= (7)
= =61 Ом – без сердечника
= =74 Ом – с сердечником
= =74 Ом – 61 Ом = 13 Ом (таблица 4).
Магниторезистивный эффект: в магнитном поле сопротивление материала возрастает (1856 г. Уильям Томсон)
Таблица 4. – Зависимость магнитосопротивления от частоты переменного тока
|
№ опыта |
ν, Гц |
R, Ом |
|
1 |
180 |
25,6 |
|
2 |
190 |
26 |
|
3 |
200 |
26,5 |
|
4 |
210 |
27 |
|
5 |
220 |
27,5 |
|
6 |
230 |
28 |
|
7 |
600 |
48 |
С увеличением частоты переменного тока возрастает магнитосопротивление материала (таблица 5).
б) Электропроводность
Зависимость электропроводности материала от частоты переменного тока приведена в таблице 5.
Таблица 5. – Зависимость электропроводности материала от частоты переменного тока
|
№ опыта |
ν, Гц |
R, Ом |
ρ, Ом∙м∙ |
|
1 |
180 |
25,6 |
8,96 |
|
2 |
190 |
26 |
9,1 |
|
3 |
200 |
26,5 |
9,27 |
|
4 |
210 |
27 |
9,45 |
|
5 |
220 |
27,5 |
9,63 |
|
6 |
230 |
28 |
9,8 |
|
7 |
600 |
48 |
16,8 |
Таким образом, было установлено, что при увеличении частоты переменного тока электропроводность материала снижается.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Для катушки с переменным током:
-
При увеличении диаметра сердечника уменьшается сила тока и напряженность катушки, увеличивается ее индуктивное сопротивление и индуктивность
Для сердечника катушки с переменным током:
-
При увеличении диаметра сердечника увеличивается его магнитная проницаемость, уменьшается магнитная индукция
-
С увеличением частоты переменного тока в цепи увеличивается магнитосопротивление сердечника и уменьшается его электропроводность
Сердечник в катушке с переменным током позволяет:
-
Увеличить эффективность катушки
-
Уменьшить потери энергии катушки
-
Собранный пучок магнитных линий снижает влияние внешних электромагнитных полей
Применение:
-
Трансформаторы
-
Фильтры электромагнитных помех
-
Радиоприемники и радиопередатчики в которых необходима точная настройка на определенную радиоволну
Устройства для запуска электрических устройств
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ
-
Детлаф, А.А. Курс общей физики / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. – М. Высшая школа, 2017. – 245 с.
-
Савельев, И. В. Курс общей физики. В 3 т. Том 2. Электричество и магнетизм. Волны: учебное пособие для вузов / И. В. Савельев. – 16-е изд., стер. – Санкт-Петербург: Лань, 2022. – 500 с.
-
Зуева, Ольга Стефановна. Физика : учебное пособие / О. С. Зуева, В. Л. Матухин, Ю. Ф. Зуев. – Казань: КГЭУ, 2019. – 313 с.