157. Виртуальная лабораторная работа по физике «Определение индуктивности катушки в цепи переменного тока» - http://efizika.ru/html5/157/index.html.

 Цель работы: экспериментальное определение индуктивного сопротивления катушки и её индуктивности из закона Ома для цепи переменного тока и сравнение с теоретическим значением индуктивности катушки.

Приборы и принадлежности: катушка с изменяемыми характеристиками, источник переменного тока, вольтметр, амперметр, реостат, ключ, соединительные провода.

157. Virtual laboratory assignments in physics«Determination of inductance of a coil in an alternating current circuit» - http://efizika.ru/html5/157/index.html.

The purpose of the work: experimental determination of the inductive resistance of the coil and its inductance from Ohm's law for an alternating current circuit and comparison with the theoretical value of the inductance of the coil.

Devices and accessories: a coil with variable characteristics, an alternating current source, a voltmeter, an ammeter, a rheostat, a key, connecting wires.

Лабораторная работа № 157

Определение индуктивности катушки в цепи переменного тока

         Цель: экспериментальное определение индуктивного сопротивления катушки и её индуктивности из закона Ома для цепи переменного тока и сравнение с теоретическим значением индуктивности катушки.

Перечень средств обучения: катушка с изменяемыми характеристиками, источник переменного тока, вольтметр, амперметр, реостат, ключ, соединительные провода, методические рекомендации по выполнению лабораторной работы, шаблон отчёта, виртуальная лаборатория по физике «Определение индуктивности катушки в цепи переменного тока» - http://efizika.ru/html5/157/index.html

Инструктаж на рабочем месте проводится согласно инструкции по охране труда при работе в лаборатории организации и принципов построения информационных систем № 408 ИОТ – 363-2022.

Краткая теория

Индуктивность возникает в цепях, содержащих катушки или другие элементы, которые создают магнитное поле при прохождении через них переменного тока. При изменении тока в такой цепи, магнитное поле меняется и создается электродвижущая сила (ЭДС), которая противодействует изменению тока. Это явление называется самоиндукцией.

Математически, индуктивность определяется как отношение магнитного потока, создаваемого током в катушке, к току, который создает этот поток. Таким образом, L = Ф/I, где Ф - магнитный поток, а I - ток.

Индуктивность в цепи переменного тока ведет себя по-разному в зависимости от частоты тока. При низких частотах индуктивность может быть рассмотрена как чисто активное сопротивление, а при высоких частотах ее поведение становится более сложным, и она может вести себя как пассивное сопротивление, что может приводить к снижению эффективности электрических цепей.

Сопротивление, обусловленное наличием индуктивности в цепи переменного тока, называют индуктивным сопротивлением . Оно прямо пропорционально индуктивности  и круговой частоте :

.

Так как , где  циклическая частота тока, то

.

Из закона Ома для участка цепи переменного тока, содержащего ёмкостное сопротивление, действующее значение тока в цепи равно: 

.

Из формулы следует, что в цепи с конденсатором переменный ток изменяется прямо пропорционально изменению ёмкости конденсатора при неизменной частоте тока.

Теоретическое значение индуктивности катушки определяется ее параметрами по формуле:

,

где m - магнитная проницаемость сердечника катушки,  Гн/м – магнитная постоянная, N – число витков катушки, S=pr² – площадь поперечного сечения катушки, r – радиус катушки и l – длина катушки.

5. Перечень вопросов для допуска к лабораторной работе:

Решить кроссворд, найти ключевое слово.

6. Экспериментальная часть лабораторной работы:

6.1.  Ознакомьтесь с основными элементами интерактивной виртуальной лаборатории: http://efizika.ru/html5/157/index.html.

6.2.  Ознакомьтесь с таблицей, заполните установочные параметры эксперимента в шаблоне отчёта согласно варианта (номер компьютера): U, , m, N, l, rв системе СИ.

Таблица 1

Таблица 2

6.3.       Замкните электрическую цепь с помощью ключа и снимите показания силы тока в цепи и напряжения на катушке. Данные запишите в шаблон отчёта.

6.4.       Передвиньте ползунок реостата и снимите новые показания силы тока и напряжения для эксперимента №2. Данные запишите в шаблон отчёта.

6.5.       Повторите пункт 6.3 еще 3 раза изменяя положение реостата для экспериментов 3-5 соответственно. Данные запишите в шаблон отчёта.

6.6.       Для каждого эксперимента рассчитайте ёмкостное сопротивление конденсатора по закону Ома для участка цепи переменного тока: . Полученные данные перенесите в шаблон отчёта.

6.7.       Для каждого эксперимента рассчитайте индуктивность катушки: . Полученные данные перенесите в шаблон отчёта.

6.8.       Вычислите теоретическую индуктивность катушки: . Полученные данные перенесите в шаблон отчёта.

6.9.       Найдите относительные погрешности измерений показателей ёмкости конденсатора в цепи переменного тока: . Полученные данные перенести в шаблон отчёта.

6.10.   Заполните шаблон отчёта.

1. Сформулируйте вывод по проделанной работе.
2. Контрольные вопросы:
   1. Какое сопротивление называется индуктивным? Почему оно является реактивным сопротивлением?
   2. От чего и как зависит индуктивное сопротивление?
   3. Выполняется ли закон Ома для участка цепи переменного тока, содержащего индуктивное сопротивление?
   4. Катушка с индуктивностью L= 1 Гн включена в цепь переменного тока, частота которого 50 Гц. Определить её индуктивное сопротивление и силу тока в цепи, если разность потенциалов между его обкладками 100 В.

9. Требования к оформлению отчета:

1. Тема лабораторного занятия.

2. Цель.

3. Перечень средств обучения.

4. Схема лабораторной установки.

5. Решенный кроссворд с ключом на отдельном листе.

6. Краткое описание хода лабораторной работы с указанием условий проведения эксперимента. Запись результатов измерений и вычислений в таблице.

7. Вывод.

8. Ответы на контрольные вопросы.

Установочные параметры эксперимента по вариантам

Кроссворд на тему «Переменный ток»

По горизонтали

2. Ток, протекающий через обмотку источника или через потребитель

4. Сопротивление таких элементов (например, резистор), на которых происходит безвозвратное преобразование электрической энергии в другой вид энергии

5. Соединение трехфазной системы, при котором концы обмоток источника или концы потребителя соединены в одной точке

7. Элемент цепи, обладающий реактивно индуктивным сопротивлением

9. Система из трех синусоидальных ЭДС, имеющих одинаковую частоту, амплитуду, но сдвинутых по фазе друг относительно друга на 120⁰

10. Единица измерения активной мощности

12. Устройство, которое позволяет изменять напряжение переменного тока

13. Резонанс, наблюдаемый в электрической цепи с последовательно включенными активным сопротивлением, индуктивностью и емкостью

15. Соединение трехфазной системы, при котором начало одной фазы соединяется с концом другой фазы

16. Сопротивление таких элементов, которые создают угол сдвига фаз между током и напряжением (например, катушка индуктивности и конденсатор)

17. Значение напряжения или силы тока, которые показывают электроизмерительные приборы

18. Значение напряжения или силы тока в конкретный момент времени

По вертикали

1. Напряжение между двумя линейными проводами или напряжение между двумя любыми фазами

3. Явление резкого возрастания амплитуды электрических колебаний, возникающее при совпадении частоты источника с частотой собственных колебаний колебательного контура

4. Максимальное значение напряжения или силы тока

6. Величина, обратная периода, показывающая количество полных колебаний за единицу времени

8. Ток, изменяющий свое значение и направление с течением времени

10. Единица измерения реактивной мощности

11. Ток в режиме резонанса напряжений принимает …… значение

14. Элемент цепи, обладающий реактивно емкостным сопротивлением

Ключи кроссворда

Виртуальная лабораторная работа: Определение индуктивности катушки в цепи переменного тока

Цели работы:

1. Изучить принцип работы катушки индуктивности в цепи переменного тока.

2. Научиться определять индуктивность катушки с помощью измерений.

3. Ознакомиться с основными параметрами переменного тока.

Оборудование:

- Катушка индуктивности (известная или неизвестная)

- Генератор переменного тока

- Вольтметр

- Амперметр

- Осциллограф (по возможности)

- Резистор (известное сопротивление)

- Частотомер (по возможности)

Теоретическая часть:

В цепи переменного тока катушка индуктивности вызывает сдвиг фазы между напряжением и током. Индуктивность L катушки определяется по формуле:

    L = U/2 π f I

где:

- U — напряжение на катушке (в вольтах),

- f — частота переменного тока (в герцах),

- I — ток через катушку (в амперах).

Процедура работы:

Часть 1: Подготовка цепи

1. Сборка схемы: Подключите катушку индуктивности, резистор и генератор переменного тока в последовательную цепь.

2. Подключение измерительных приборов: Установите вольтметр параллельно катушке, а амперметр последовательно с цепью.

Часть 2: Измерение параметров

1. Настройка генератора: Установите генератор на определенную частоту (например, 50 Гц).

2. Измерение тока и напряжения: Запустите генератор и запишите показания вольтметра и амперметра.

3. Изменение частоты: Измените частоту генератора (например, на 100 Гц, 150 Гц и т.д.) и повторите измерения для каждого значения.

4. Запись данных: Запишите все полученные значения напряжения, тока и частоты.

Часть 3: Расчет индуктивности

1. Расчет индуктивности: Используя формулу L = U/2 π f I, рассчитайте индуктивность для каждого набора измеренных данных.

2. Среднее значение: Найдите среднее значение индуктивности по всем измерениям.

Анализ результатов:

- Обсудите полученные значения индуктивности и их зависимость от частоты.

- Оцените точность измерений и возможные источники ошибок.

- Сравните полученные результаты с теоретическими значениями индуктивности, если они известны.

Заключение:

Подведите итоги работы, отметив важность измерения индуктивности в электрических цепях и применение катушек индуктивности в различных устройствах.

Дополнительные задания:

1. Исследуйте влияние изменения сопротивления в цепи на индуктивность.

2. Попробуйте провести эксперимент с различными типами катушек индуктивности и сравнить их характеристики.

Эта виртуальная лабораторная работа поможет вам лучше понять свойства индуктивных элементов и их поведение в цепях переменного тока.