Інформація для викладачів
Опис
Експериментальна установка
У котушці, через яку тече струм, створюється магнітне поле. Електромагнітну енергію можна використовувати, наприклад, для переміщення намагнічених металів на звалищі за допомогою екскаватора з електромагнітами.
Проте, для перетворення напруги за допомогою трансформатора, важлива зміна магнітного поля в часі. На первинну обмотку, відповідно, подається змінна напруга. Полярність магнітного поля змінюється залежно від частоти напруги на первинній обмотці.
За допомогою датчика магнітного поля можна спостерігати за частотою змінної напруги. Частота мережі (на території Європейського Союзу) дорівнює .
Додаткова інформація для викладачів (1/2)
попередні знання
Принцип
Студенти мають бути ознайомлені з поняттями "індукція магнітного поля", "густина магнітного потоку" і знати, що котушка, через яку проходить струм, створює магнітне поле.
Величина магнітної індукції (густини магнітного потоку) всередині довгої тонкої котушки практично постійна і швидко падає поза котушкою. Магнітна індукція у центрі довгої котушки дорівнює:
де - це магнітна проникність, - сила струму, - кількість витків котушки і - довжина котушки або так звана щільність намотування.
Додаткова інформація для викладачів (2/2)
Мета навчання
Змінне магнітне поле котушки має таку ж частоту, як і змінний струм від джерела живлення. Студенти повинні зрозуміти, як кількісно виміряти магнітне поле, що періодично змінюється.
Завдання
1 Виміряйте індукцію магнітного поля (густину магнітного потоку) котушки при змінному струмі в часі.
2. Обчисліть частоту за виміряними даними.
Інструкції з техніки безпеки
До цього експерименту застосовуються загальні інструкції щодо безпечного проведення експериментів на уроках під час викладання природничих наук.
Примітки
У цьому експерименті використовується змінний, а не постійний струм. Резистор необхідний для обмеження струму, щоб котушки не перегрівалися.
Інформація для студентів
Мотивація
Високовольтна лінія електропередач
Змінний струм доступний у більшості домогосподарств як напруга в електромережі. Причина полягає в тому, що для транспортування електроенергії з низькими втратами по землі, як правило, низька напруга перетворюється на високу напругу. Для магнітної індукції, основного принципу роботи трансформатора, зміна індукції (напруженості) магнітного поля з часом має особливе значення.
На території Європейського Союзу частота мережі, тобто кількість перемикань напруги на секунду, становить і може відрізнятися від інших регіонів світу.
У цьому експерименті Ви навчитеся за допомогою датчика магнітного поля вимірювати змінне магнітне поле. Це також дає змогу визначити частоту змінної напруги мережі.
Завдання
- Виміряйте індукцію магнітного поля (густину магнітного потоку) котушки при змінному струмі в часі.
- Обчисліть частоту за виміряними даними.
Матеріал
| Позиція | Матеріал | Пункт №. | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Cobra SMARTsense 3-Axis Magnetic field - Датчик для вимірювання магнітного поля по 3 осях ±130 мТл / ±5 мТл (Bluetooth + USB) | 12947-00 | 1 |
| 2 | PHYWE Джерело живлення пост. струм: 0...12 В, 2 A / змін. струм: 6 В, 12 В, 5 A | 13506-93 | 1 |
| 3 | Опір 10 Ом, модуль SB | 05612-10 | 1 |
| 4 | З'єднувальний прямий з роз'ємом модуль SB | 05601-10 | 2 |
| 5 | Індукційна котушка, 100 витків, d=40 мм | 11007-05 | 1 |
| 6 | З'єднувальний провідник, 500 мм, чорний | 07361-05 | 3 |
| 7 | measureAPP - безкоштовне програмне забезпечення для вимірювання для всіх кінцевих пристроїв | 14581-61 | 1 |
Підготовка (1/4)
Для вимірювання за допомогою датчиків Cobra SMARTsense необхідне додаток PHYWE measureAPP. Цей застосунок можна безкоштовно завантажити з відповідного магазину додатків (QR-коди дивіться нижче). Перед запуском додатка, будь ласка переконайтеся, що на Вашому пристрої (смартфоні, планшеті, персональному комп'ютері) активовано Bluetooth.
iOS
Android
Windows
Підготовка (2/4)
Експериментальна установка
Зберіть експериментальну установку, як показано на рисунку.
Для цього послідовно підключіть джерело живлення, резистор 10 Ом і котушку.
На джерелі живлення використовуйте роз'єми для джерела живлення змінного струму - 6 В.
Підготовка (3/4)
Запустіть застосунок measureAPP на планшеті та увімкніть датчик Cobra SMARTsense - Магнітне поле (Cobra SMARTsense magnetic field) (утримуйте кнопку вводу/виводу приблизно 3 с).
Виберіть датчик у застосунку measureAPP і підключіть його до програми. Необхідно виконати такі налаштування:
- Точний діапазон вимірювання (- 5 мТл ... + 5 мТл).
- Частота вимірювання: 200 Гц
- Безперервне вимірювання
Підготовка (4/4)
У розділі "Вимірювальний канал" виберіть тільки поздовжній напрямок датчика, щоб вимірювати тільки густину магнітного потоку в напрямку поздовжньої осі датчика.
Розташуйте датчик у котушці так, щоб наконечник знаходився в середині котушки. Відкалібруйте датчик на нуль: "Налаштування" > "Встановити на нуль".
Виконання роботи (1/2)
Почніть вимірювання і увімкніть джерело живлення.
Вимкніть джерело живлення приблизно через 10 секунд і зупиніть вимірювання.
Використовуйте функцію лупи, щоб збільшити масштаб даних вимірювань. Наприклад, виберіть інтервал часу - 1 секунда.
Виконання роботи (2/2)
Підрахуйте періоди в певному діапазоні часу (наприклад, 1 с) і обчисліть результуючу частоту змінної напруги на джерелі живлення.
Під час вимірювання частоти синусоїдальної напруги, наприклад, f= 50 Гц з частотою дискретизації 200 Гц синусоїдальна крива відображається не повністю.
Для більш точного вимірювання необхідно підключити датчик через USB. Це дозволяє збільшити частоту дискретизації до 1000 Гц.
Протокол
Завдання 1
Питання
Завдання 3
Питання
Завдання 4
Питання
Завдання 2
Питання