А. Взаємодія двох котушок.

Встановіть на магнітопровіді котушку 220 В і закріпіть на магнітопровіді конусні наконечники. Для цього поставте на шліфувальних площинах магнітопроводу призматичну частину наконечників і закрипіть їх за допомогою затискачів 4; вставивши пластини затискача виступами в пази планок магнітопроводу, ввертаючи гвинт, затисніть наконечник до магнітопроводу і потім закрутіть контргайки. Проміжок між площинами наконечників повинен забезпечити вільне обертання котушки-мотка. Під’єднавши до джерел струму котушки, спостерігайте поворот котушки-мотка навколо своєї осі. Варто продемонструвати залежність напрямку повороту котушки-мотка від напрямку струму в котушці 220 В і в котушці-мотку.

Цей дослід дозволяє також демонструвати принцип дії електромотора, вимірювальних приладів з обертовою котушкою і т.д.

Дослід 3. Вплив залізного магнітопроводу на магнітну дію котушки

Підключивши котушку 220 В до джерелу струму, як описано в попередньому досліді, установлюють магнітну стрілку на такій відстані від котушки, на якій стрілка майже не відхиляється від свого нормального положення під час проходження струму через котушку. Потім вводять у котушку ярмо 3 і спостерігають значне відхилення стрілки.

Дослід наочно демонструє посилення магнітного поля котушки при введенні залізного магнітопроводу.

Дослід 4. Притягання електромагнітом дрібних залізних предметів

У котушку 220 В уставляють ярмо і підключають котушку до джерела постійного струму 10-20 В через реостат. Замкнувши вимикач, насипають зверху на ярмо залізні ошурки й одержують картину як на рисунку.

Дослід повторюють, кидаючи на ярмо дрібні цвяхи. При вимиканні струму цвяхи відпадають.

Дослід 5. Підсилення магнітної дії при замкнутому магнітопроводі

На U-подібному магнітопроводі 2 встановлюють котушку 220 В і накладають ярмо 3 шліфованою площиною на шліфовані площини магнітопроводу. Потім котушку підключають через вимикач до джерела постійного струму 4–8 В. При замиканні вимикача ярмо з великою силою притягується до магнітопроводу, що можна продемонструвати, піднявши трансформатор за ярмо. При цьому магнітопровід з котушкою утримується.

Дослід демонструє значне посилення магнітної дії при замиканні U-подібного магнітопроводу. рокладаючи між шліфованою площиною ярма і шліфованих площин U-подібного магнітопроводу тонкі прошарки паперу, можна помітити послаблення магнітної дії.

Дослід 6. Одержання індукційного струму за допомогою рухомого магнітного поля

Покладіть котушку 220 В і підключіть провідники від демонстраційного гальванометра до затискачів 220 В. Досліди проводяться в такому порядку:

А. Швидко вставляють у котушку одним яким-небудь кінцем (наприклад, північним) лінійний магніт і демонструють, що індукційний струм виникає тільки в моменти руху магніту, тобто за умови перетинання магнітними силовими лініями провідників. Потім швидко забирають магніт і демонструють, що індукційний струм має протилежний напрямок.

Б. Повторюють дослід, швидко вставивши і вийнявши магніт, але вже іншим його кінцем (наприклад, південним). Тепер напрямок струму буде протилежним у порівнянні з попереднім дослідом.

В. Демонструють відхилення стрілки гальванометра, якщо магніт цілком просунути через котушку. Спочатку вставте в котушку магніт північним полюсом, вийнявши магніт з іншого боку котушки (дослід 1). Повторіть дослід, тільки вставте магніт південним полюсом (дослід 2).

Дослід 7. Одержання індукційного струму при замиканні і розмиканні струму в первинній котушці

Збирають електричне коло з котушки 6/6 В із вставленим ярмом, джерелом струму, амперметра і вимикача. За джерело струму варто використовувати джерело живлення ВС-4-12. Досліди проводять у такій послідовності:

Розмикають вимикачем коло первинної котушки; при цьому виявляють, що в момент розмикання стрілка гальванометра відхиляється від нуля. Цей дослід показує, що, коли в первинній котушці зникає магнітне поле, у вторинній котушці індукується струм. При цьому відхилення стрілки відбувається у протилежному напрямку в порівнянні з попереднім дослідом.

Перевірку напрямку індукційного струму проводять, керуючись правилом, що у випадку зникнення чи ослаблення магнітного поля, створюваного первинною котушкою, індукційний струм у вторинній котушці буде мати той же напрямок, що й у первинній.

Контрольні запитання

1. Змоделюйте процес демонстрації ліній магнітної індукції для прямого провідника, колового провідника та соленоїда.

2. Поясніть з якою метою застосовують феромагнітні матеріали?

3. Від чого і як залежить магнітна проникність феромагнетиків?

4. Опишіть будову електровимірювального приладу електромагнітної сис­теми?

5. Вкажіть, як можна продемонструвати індукція струму в магнітному полі Землі.

6. Магніт вставляють у котушку і виймають з неї спочатку повільно, апотім швидким рухом. Що спостерігають?

7. Перерахуйте основні відмінності вихрового електричного поля та електростатичного (стаціонарного)?

Лабораторна робота № 10

Демонстраційний експеримент по темі:

“Електромагнітна індукція. Самоіндукція”

Дослід 1. Правило Ленца

Обладнання: 1) прилад для демонстрування правила Ленца (прилад Петраєвського); 2) трансформатор універсальний з дросельною котушкою; 3) кільце алюмінієве; 4) вимикач; 5) провідники; 6) джерело постійної напруги.

Для вивчення правила Ленца демонструють досліди в яких зміна магнітного потоку замкнутого контура обумовлена в одному випадкові відносним механічним переміщенням, а в другому зміною струму в сусідньому контурі.

1. Для першого досліду використовують прилад, що складається з двох кілець, склепаних планкою і зрівноважених на вістрі. Розміри і вага обох кілець однакові, але одне з них розрізане.

Суцільне кільце відштовхується від магніта, який встановлюють в нього і рухається за магнітом, якщо останній виймають з кільця. Далі дослід повторюють з розрізаним кільцем і показують, що при будь-якому рухові кільце залишається нерухомим. Це явище можна пояснити так. Причиною виникнення індукційного струму в одному випадкові є наближення магніту до кільця, а в другому – віддалення. Як показує дослід, магнітне поле індукційного струму протидіє як одному, так і другому рухові.

Треба мати на увазі, що ефект досліду залежить від якості магніту.

2. Для проведення другого досліду в дросельну котушку вставляють ярмо від універсального трансформатора так, щоб його кінець виступав на 4-6 см. Щоб ярмо не рухалося, його в котушці заклинюють.

На ярмо накладають щільно до котушки алюмінієве кільце. При під’єднанні до котушки постійної напруги 110-120В кільце різко зсовується до кінця ярма, при включенні струму кільце повертається до котушки. Аналіз явища показує, що струм в котушці і індукційний струм в кільці в кожному випадкові направлені в протилежні сторони.

Дослід 2. Індукція в суцільних провідниках

Обладнання: 1) трансформатор універсальний з дросельною котушкою; 2) кільце алюмінієве; 3) вимикач; 4) провідники.

З деталей універсального трансформатора складають електромагніт з полюсними наконечниками, повернутими плоскими кінцями один до одного. Під гайку одного із гвинтів затискують стояк з маятником у вигляді суцільного алюмінієвої пластини (див. мал.). Положення маятника і полюсних наконечників регулюють так, щоб зазори між пластиною і наконечниками були по можливості менші. Маятник, приведений в рух, коливається з дуже малим затуханням. При під’єднанні до котушки постійної напруги 110-120В маятник майже миттю зупиняється. Замінивши в маятникові суцільну алюмінієву пластину іншою таких самих розмірів, але з прорізами, повторюють дослід.

При під’єднанні струму спостерігається помітне гальмування маятника, але він не відразу зупиняється, а здійснює декілька затухаючих коливань. Дослід можна ставити з іншими котушками при менших силах струму, але в описаному досліді ефект отримується найбільшим.

Дослід 3. Самоіндукція при замиканні і розмиканні кола

Обладнання: 1) трансформатор універсальний з дросельною котушкою; 2) реостати на 500 Ом; 3) лампи маловольтні на підставках – 2 шт.; 4) лампа неонова на 127В на підставці; 5) вимикач; 6) провідники.

1. Після збирання установки (див. мал.) вмикають струм і підбирають таку напругу, щоб лампа у верхній вітці горіла нормальним накалом. Яскравість горіння нижньої лампи регулюють реостатом, добиваючись, щоб лампи горіли однаково. Неонову лампу від’єднують.

При під’єднанні струму лампи загоряються не одночасно: першою – нижня, в момент увімкнення, а верхня – із запізненням на 1с. Дослід повторюють декілька разів і цим показують, що при замиканні кола навколо осердя індукується вихрове електричне поле, яке протидіє електричному струму в котушці. Варто показати, що при швидкому замиканні і розмиканні струму верхня лампа не загоряється зовсім. На цей дослід в подальшому можна послатися при введенні поняття про індуктивний опір.

2. Щоб показати явище самоіндукції при розмиканні кола, потрібно від’єднати нижню вітку (вивернути із патрона лампу) і до котушки під’єднати неонову лампу. Тепер при розмиканні кола різка зміна струму індукує настільки, наскільки сильне вихрове поле, що неонова лампа яскраво спалахує, не зважаючи на те, що напруга необхідна для її запалення значно вища від тієї, що живить коло.

Дослід 4. Використання самоіндукції для запалення люмінесцентної лампи

Обладнання: 1) люмінесцентна лампа на щиткові; 2) провідники.

Цікаво знати, що в сучасній люмінесцентній лампі мають місце такі фізичні явища, як теплове розширення тіл, нагрівання провідників струмом, термоелектрична емісія, електричний розряд в газах, ультрафіолетове випромінювання, люмінесценція.

Через те, що всі ці явища вивчаються в різних розділах фізики, найбільш доцільно розглянути люмінесцентну лампу при вивченні самоіндукції.

Лампа являє собою скляну трубку з двома електродами-спіральками із активованого вольфрамового дроту. Балон лампи з нанесеним на його стінки люмінофором містить пари ртуті і аргон при тискові декілька міліметрів ртутного стовпчика. Для вмикання в освітлювальну мережу обидві спіралі з’єднують послідовно з дроселем і стартером, який забезпечує автоматичне запалення лампи (див. схему).

Стартер являє собою маленьку неонову лампочку з електродами у вигляді біметалевих пластинок. При включенні в мережу виникає тліючий розряд між електродами стартера. Внаслідок нагрівання газовим розрядом електроди вигинаються і торкаються один одного, замикаючи коло. Струм швидко нагріває спіралі, а в цей час біметалеві електроди встигають охолонути і розмикають коло. При розмиканні кола, завдяки явищу самоіндукції, на кінцях дроселя з’являється значний імпульс напруги, який викликає ударну іонізацію і розряд в лампі. Виникненню розряду сприяє емісія електронів в нагрівних спіралях. В подальшому висока напруга спіралей підтримується струмом, що проходить через лампу. Якщо після першого імпульсу лампа не загоряється, то стартер повторить всі операції.

Під час горіння лампи дросель виконує роль індуктивного опору, що обмежує струм в лампі.

В даному досліді найбільшу увагу приділяють самоіндукції. Тому перед дослідом треба зняти стартер і показати, що для запалення лампи досить замкнути коло за допомогою кнопки і розімкнути його, коли розжаряться спіралі. При цьому лампа загориться. Якщо лампа не запалиться після першого замикання, то все повторюють.

Пояснивши дію дроселя, показують і пояснюють автоматичне запалення лампи за допомогою стартера.

Контрольні запитання

1. Виділіть головну умову виникнення явища електромагнітної індукції.

2. Встановіть, чи матиме місце явище електромагнітної індукції, при демонструванні індукції струму за допомогою трансформатора.

3. Перерахуйте досліди, які передбачені програмою при вивченні явища самоіндукції.

4. Доведіть, що при замиканні кола постійного струму в ньому виникає і ЕРC самоіндукції.

5. Продумайте, як показати, що індуктивність котушки залежить від кіль­кості витків і магнітних властивостей середовища.

6. Наведіть приклади, коли явище самоіндукції приносить користь, а коли шкоду.

7. Запропонуйте свої варіанти дослідів для явища самоіндукції.