Генератор переменного тока

1) В разделе «Модели» выберите пункт 1.17.

2) В компьютерной модели можно изменять индукцию магнитного поля B, частоту вращения рамки f и ее площадь S. На экране дисплея можно наблюдать периодические изменения магнитного потока Φ и ЭДС индукции _инд(t). Обратите внимание, что изменение ЭДС индукции отстает от изменения магнитного потока по фазе на угол π / 2.

Рис.5.9

3) Проведите моделирование для различных значений магнитной индукции и при различных частотах вращения.

4) Зарисуйте рисунок в тетрадь, запишите полученные результаты, либо распечатайте результат на принтере.

5) Выберите мышью «Журнал». Обнулите результаты в таблице, нажав кнопку «Сброс результатов».

6) Проведите минитестирование. Ответьте на вопросы из раздела «Вопросы» и решите задачи из раздела «Задачи». Результат сообщите преподавателю.

7) Дома проработайте модель 1.16 из раздела «Модели».

8) Напишите вывод.

Контрольные вопросы

1) Что является причиной возникновения ЭДС индукции в замкнутом проводящем контуре?

2) От чего и как зависит ЭДС индукции, возникающая в контуре?

3) Сформулируйте закон электромагнитной индукции Фарадея.

4) Что такое индукционный ток? Сформулируйте правило Ленца.

5) В чем состоит явление самоиндукции?

6) В чем заключается физический смысл индуктивности контура?

7) Объясните явление взаимной индукции.

8) Как определяется энергия магнитного поля? Что такое объемная плотность энергии?

Лабораторная работа № 6

Электромагнитные колебания и волны

Краткая теория

Квазистационарные процессы. RC- и RL-цепи window.top.document.title = "2.1. Квазистационарные процессы. RC- и RL-цепи";

В цепях постоянного тока распределение электрических зарядов на проводниках и токов на участках цепи стационарно, то есть неизменно во времени. Электромагнитное поле в таких цепях состоит из электростатического поля неподвижных зарядов и магнитного поля постоянных токов. Эти поля существуют независимо друг от друга.

Если на каком-то участке цепи происходят изменения силы тока или напряжения, то другие участки цепи могут «почувствовать» эти изменения только через некоторое время, которое по порядку величины равно времени τ распространения электромагнитного возмущения от одной точки цепи к другой. Так как электромагнитные возмущения распространяются с конечной скоростью, равной скорости света c, то , где l – расстояние между наиболее удаленными точками цепи. Если это время τ много меньше длительности процессов, происходящих в цепи, то можно считать, что в каждый момент времени сила тока одинакова во всех последовательно соединенных участках цепи. Процессы такого рода в электрических цепях называются квазистационарными. Квазистационарные процессы можно исследовать с помощью законов постоянного тока, если применять эти законы к мгновенным значениям сил токов и напряжений на участках цепи.

Из-за огромного значения скорости света время установления электрического равновесия в цепи оказывается весьма малым. Поэтому к квазистационарным можно отнести многие достаточно быстрые в обычном смысле процессы. Например, быстрые колебания в радиотехнических цепях с частотами порядка миллиона колебаний в секунду и даже выше очень часто еще можно рассматривать как квазистационарные.

Простыми примерами квазистационарных процессов могут служить процессы, происходящие в RC- и RL-цепях при подключении и отключении источника постоянного тока.

На рис. 6.1 изображена электрическая цепь, состоящая из конденсатора с емкостью C, резистора с сопротивлением R и источника тока с ЭДС, равной ε.

Рис. 6.1.

RI + U = ,

где J – мгновенное значение силы тока в цепи, U – мгновенное значение напряжения на конденсаторе. Сила тока I в цепи равна изменению заряда q конденсатора в единицу времени:

Напряжение U на конденсаторе в любой момент времени равно q / C. Из этих соотношений следует

Мы получили дифференциальное уравнение, описывающее процесс зарядки конденсатора. Если конденсатор вначале не был заряжен, то решение этого уравнения имеет вид

,

где τ = RC – так называемая постоянная времени цепи, состоящей из резистора и конденсатора. Величина τ является характеристикой скорости процесса. При t → ∞, U(t) → ε. Процесс зарядки конденсатора через резистор изображен на рис. 6.2(I).

Рис. 6.2.

Если после того, как конденсатор полностью зарядился до напряжения ε, ключ K перебросить в положение 2, то начнется процесс разрядки. Внешний источник тока в цепи разрядки отсутствует (ε = 0). Процесс разрядки описывается выражением

U(t) = ε exp (–t / τ).

Зависимость U(t) в процессе разрядки изображена на рис. 6.2(II). При t = τ напряжение на конденсаторе уменьшается в e ≈ 2,7 раза.

Аналогично протекают процессы в цепи, содержащей катушку с индуктивностью L и резистор с сопротивлением R (рис. 6.3).

Рис. 6.3.

Если в цепи, изображенной на рис. 6.3, ключ K сначала был замкнут, а затем внезапно разомкнут, то начнется процесс установления тока. Этот процесс описывается уравнением

Это уравнение по виду совпадает с уравнением, описывающим зарядку конденсатора, только теперь переменной величиной является сила тока I. Решение этого уравнения имеет вид

где постоянная времени τ = L / R. Аналогичным образом можно получить закон убывания тока в RL-цепи после замыкания ключа K:

Следует отметить, что процессы в RC- и RL-цепях аналогичны механическим процессам при движении тела в вязкой жидкости.