Інформація для викладачів
Опис
Експериментальна установка
Для того, щоб збільшити густину магнітного потоку і, таким чином, магнітну індукцію в трансформаторах, в обмотки трансформаторів зазвичай вставляють м'які залізні осердя.
Відносна магнітна проникність повітря дорівнює одиниці, тоді як відносна магнітна проникність залізного осердя набагато більша за одиницю. Це означає, що густина магнітного потоку котушки із залізним осердям зростає в стільки ж разів, що й відносна магнітна проникність заліза. Магнітна проникність залежить від намагніченості матеріалу.
Додаткова інформація для викладачів (1/2)
попередні знання
Учні мають знати закон електромагнітної індукції та бути знайомі з основами електрики. Вони також мають вивчити взаємозв'язок між силою струму та результуючою напруженістю магнітного поля тонкої циліндричної котушки.
Принцип
Магнітна проникність - це відношення індукції магнітного поля (густини магнітного потоку) до напруженості магнітного поля .
де - постійна магнітного поля (магнітна проникність вакууму) і - відносна магнітна проникність досліджуваного матеріалу.
Додаткова інформація для викладачів (2/2)
Мета навчання
Цей експеримент має допомогти учням зрозуміти, що магнітна проникність матеріалу може збільшити густину магнітного потоку.
Завдання
- Виміряйте індукцію магнітного поля (густину магнітного потоку) двох котушок постійного струму із залізним осердям і без нього залежно від сили струму. Обчисліть магнітну проникність залізного осердя.
- Виміряйте індукцію магнітного поля (густину магнітного потоку) двох котушок змінного струму із залізним осердям і без нього. Обчисліть магнітну проникність і порівняйте результат з першим завданням.
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 частково використовується змінний струм, а не постійний. Резистор необхідний для обмеження струму, щоб котушки не перегрівалися.
Інформація для студентів
Мотивація
Трансформатор високої напруги
Принцип роботи трансформаторів заснований на законі електромагнітної індукції. Магнітне поле, що змінюється в часі, індукує в них електричне поле, яке, своєю чергою, генерує струм. Як у високовольтних трансформаторах, так і, наприклад, у великих кранах з електромагнітами на звалищі металобрухту, для посилення бажаного ефекту в котушках зазвичай використовують м'які залізні осердя.
Причиною цього є так звана магнітна проникність, що залежить від намагнічуваності матеріалу. Залізні осердя мають високу відносну магнітну проникність і, таким чином, підсилюють густину магнітного потоку. У цьому експерименті Ви дізнаєтеся про магнітну проникність.
Завдання
- Виміряйте індукцію магнітного поля (густину магнітного потоку) двох котушок постійного струму із залізним осердям і без нього залежно від сили струму. Обчисліть магнітну проникність залізного осердя.
- Виміряйте індукцію магнітного поля (густину магнітного потоку) двох котушок змінного струму із залізним осердям і без нього. Обчисліть магнітну проникність і порівняйте результат з першим завданням.
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, 300 витків, d=25 мм | 11007-03 | 1 |
| 6 | Індукційна котушка, 75 витків, d=25 мм | 11007-07 | 1 |
| 7 | Залізне осердя, круглий, d = 16 мм, l = 200 мм | 11005-00 | 1 |
| 8 | З'єднувальний провідник, 500 мм, чорний | 07361-05 | 4 |
| 9 | З'єднувальний провідник, 500 мм, синій | 07361-04 | 2 |
| 10 | З'єднувальний провідник, 500 мм, червоний | 07361-01 | 1 |
| 11 | 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)
Зберіть експериментальну установку, як показано на рисунку зліва: Для цього послідовно підключіть джерело живлення (постійного струму), амперметр і котушку з витками.
Виберіть досить великий діапазон вимірювання струму на амперметрі. Встановіть джерело живлення на 0 А (лівий упор) і 12 В (правий упор). Тепер, коли обмеження струму активовано таким чином, можна регулювати силу струму.
Увімкніть джерело живлення.
Експериментальна установка
Підготовка (3/4)
Запустіть програму measureAPP на планшеті та увімкніть датчик магнітного поля Cobra SMARTsense (утримуйте кнопку вводу/виводу приблизно 3 секунди).
Виберіть датчик в measureAPP і підключіть його до програми. Необхідно виконати наступні налаштування:
- Тонкий діапазон вимірювання (- 5 мТл ... + 5 мТл)
- Частота вимірювання: 200 Гц
Також виберіть вимірювання одним натисканням кнопки.
Підготовка (4/4)
У розділі "Вимірювальний канал" виберіть тільки поздовжній напрямок датчика, щоб вимірювати тільки густину магнітного потоку в напрямку поздовжньої осі датчика.
Розмістіть датчик у котушці так, щоб його наконечник знаходився в центрі котушки. Відкалібруйте датчик на нуль:
"Налаштування" > "Встановити на нуль".
Виконання роботи (1/5)
- Розташуйте кінчик датчика на кінці котушки, збільшуйте силу струму з кроком 0,1 А і запишіть точку вимірювання для кожної сили струму одним натисканням кнопки. Таким чином, вісь абсцис відповідає вимірюванню: .
Максимально допустимий струм для цієї котушки становить .
- Після останнього виміряного значення відрегулюйте силу струму до нуля і збережіть виміряні значення.
- Вставте в котушку залізне осердя і повторіть вищевказане вимірювання.
- Запишіть другу серію вимірювань, встановіть силу струму на нуль і вимкніть джерело живлення.
Виконання роботи (2/5)
- Замініть встановлену котушку на котушку з кількістю витків і знову увімкніть джерело живлення.
- Збільшуйте силу струму, як і раніше, з кроком 0,1 А, починаючи з нуля, і знову відзначайте точку вимірювання для кожного сили струму, натискаючи кнопку.
- Повторіть вимірювання з вставленим залізним осердям і вимкніть блок живлення після останнього виміряного значення.
Кожна серія вимірювань має бути заново збережена.
Виконання роботи (3/5)
Експериментальна установка (змінна напруга)
Змініть експериментальну установку, як показано на рисунку.
Для цього послідовно з'єднайте блок живлення, резистор 10 Oм, амперметр і котушку з 300 витками.
Використовуйте роз'єми для джерела живлення 6 В змінного струму для кола на блоці живлення.
Спочатку залізне осердя не вставлено до котушки, а блок живлення вимкнено.
Тепер у додатку measureAPP знову вимкніть вимірювання одним натисканням кнопки, щоб виміряні значення записувалися безперервно.
Виконання роботи (4/5)
- Розташуйте кінчик датчика на кінці котушки, почніть вимірювання і увімкніть джерело живлення на кілька секунд під час вимірювання.
Увага: не підключайте котушки до змінного струму без резистора 10 Ом, інакше котушки можуть перегрітися.
- Збережіть результати вимірювань, вставте залізне осердя в котушку і повторіть вищевказані вимірювання.
- Також запишіть другу серію вимірювань і переконайтеся, що блок живлення вимкнено.
- Визначте максимальне відхилення відповідної густини магнітного потоку для обох вимірювань за допомогою інструментів оцінки і занесіть значення в таблицю в протоколі.
Виконання роботи (5/5)
- Замініть встановлену котушку на котушку з витків.
- Повторіть обидва вимірювання (із залізним осердям і без нього) для цієї котушки. Запускайте по одному вимірюванню і знову вмикайте джерело живлення на кілька секунд.
- Визначте максимальну густину магнітного потоку за допомогою інструментів оцінки, запишіть отримані значення в таблицю в протоколі і збережіть відповідні вимірювання.
Протокол
Таблиця
Визначте зростання точок вимірювання для чотирьох вимірювань з постійним струмом і введіть його в таблицю: . Визначте максимальні значення густини магнітного потоку , для чотирьох вимірювань зі змінним струмом, і також запишіть їх у таблицю. Потім визначте коефіцієнти для всіх пар вимірювань (із залізним осердям і без нього) за градієнтами або максимальними густинами магнітного потоку і також запишіть їх у таблицю.
Котушка /
Залізне осердя
300 / з
300 / без
75 / з
75 / без
Завдання 1
Питання
Завдання 2
Вставте слова в тексті в потрібне місце Серії вимірювань із ____ осердям і без нього суттєво відрізняються, оскільки ____ в результаті сильно відрізняється. У цьому випадку виміряна густина магнітного потоку із залізним осердям значно більша, ніж ____ нього. Причиною цього є ____ за рахунок так званою ____ заліза \mu_r, яка зазвичай на кілька ____ вища, ніж у повітря (\mu_r = 1) і залежить від ____ матеріалу.
Завдання 3
Вставте слова в тексті в потрібне місце ____ повітря приблизно однакова з магнітною проникністю ____ і, таким чином, близька до 1. З іншого боку, для ____ вона за замовчуванням знаходиться в діапазоні 300 < \mu_r < 10.000. Виміряне відношення \mu^\ast значно нижче цього значення. Основною причиною цього є те, що ____ не повністю заповнює внутрішню частину ____.
Завдання 4
Питання
Завдання 5
Питання