RU2308095C1 - Device for researching loading characteristics of a current supply - Google Patents
Device for researching loading characteristics of a current supply Download PDFInfo
- Publication number
- RU2308095C1 RU2308095C1 RU2006118673/28A RU2006118673A RU2308095C1 RU 2308095 C1 RU2308095 C1 RU 2308095C1 RU 2006118673/28 A RU2006118673/28 A RU 2006118673/28A RU 2006118673 A RU2006118673 A RU 2006118673A RU 2308095 C1 RU2308095 C1 RU 2308095C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- rheostat
- emf
- switch
- sectioned
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Current Or Voltage (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к учебным приборам и может быть использовано в лабораторном практикуме в высших и средних специальных учебных заведениях по курсу физики для изучения и углубления знаний физических законов.The invention relates to educational devices and can be used in laboratory practice in higher and secondary special educational institutions at the rate of physics to study and deepen knowledge of physical laws.
Известна установка для исследования нагрузочных характеристик (Элементарный учебник физики. Т.2. Электричество и магнетизм. Под редакцией академика Г.С.Лансберга. М.: Наука, 1971 г., с.204, рис.134), содержащая источник ЭДС, выводы которого соединены с вводами вольтметра, а источник ЭДС включен в последовательную цепь с амперметром и реостатом. Эта установка позволяет исследовать только нагрузочные характеристики источника тока. Однако на ней нельзя экспериментально проверить закон Ома, закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме, сравнить плотность тока смещения с плотностью тока проводимости в проводнике, определить скорость дрейфа носителей в проводнике, а также определить циркуляцию вектора напряженности вихревого электрического поля.A known installation for the study of load characteristics (Elementary textbook of physics. T.2. Electricity and magnetism. Edited by Academician G.S. Lansberg. M .: Nauka, 1971, p.204, Fig. 134), containing a source of EMF, the conclusions of which are connected to the voltmeter inputs, and the emf source is included in a serial circuit with an ammeter and a rheostat. This setup allows you to study only the load characteristics of the current source. However, it is impossible to experimentally verify Ohm's law, the Joule-Lenz law in differential form, to compare the bias current density with the conduction current density in the conductor, to determine the carrier drift velocity in the conductor, and also to determine the circulation of the vortex electric field intensity vector.
Известны секционированные реостаты (Л.Н.Лебедев. Счетно-решающие устройства. М.: Машиностроение, 1966 г., с.101, рис.47), с помощью которых можно дискретно изменять сопротивление любых внешних цепей источника тока, что позволяет исключить амперметр из экспериментальной установки. Однако с помощью только секционированного реостата нельзя исследовать нагрузочные характеристики источника тока.Sectioned rheostats are known (L.N. Lebedev. Counting devices. M.: Mashinostroenie, 1966, p. 101, Fig. 47), with which you can discretely change the resistance of any external circuits of the current source, which eliminates the ammeter from the experimental setup. However, using only a sectioned rheostat, the load characteristics of a current source cannot be investigated.
Наиболее близкой к предлагаемой установке является установка для исследования вихревого электрического поля (RU патент №2269823, 10.02.06. Бюл. №4. Авторы: Белокопытов Р.А. и Ковнацкий В.К.). Она содержит регистратор ЭДС и длинный соленоид, подключенный к генератору гармонического напряжения, планшет, на котором перпендикулярно закреплен длинный соленоид. Эта установка позволяет создать плоскопараллельное вихревое электрическое поле. Однако на ней невозможно исследовать нагрузочные характеристики источника тока.Closest to the proposed installation is the installation for the study of a vortex electric field (RU patent No. 2269823, 02/10/06. Bull. No. 4. Authors: Belokopytov R.A. and Kovnatsky V.K.). It contains an EMF recorder and a long solenoid connected to a harmonic voltage generator, a tablet on which a long solenoid is mounted perpendicularly. This setup allows you to create a plane-parallel vortex electric field. However, it is impossible to investigate the load characteristics of the current source.
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей этой установки. Эта цель достигается тем, что в нее введены: круговой проводник, который охватывает длинный соленоид и закреплен на планшете, а концы его соединены с вводами регистратора ЭДС; секционированный реостат, содержащий n-2 секций, сопротивления которых образуют изменяющуюся дискретно внешнюю нагрузку, а первый ввод его соединен с первым вводом регистратора ЭДС; переключатель на n положений, подвижный контакт которого соединен со вторым вводом регистратора ЭДС, а неподвижные контакты его соединены с соответствующими выводами секционированного реостата, причем n-ый неподвижный контакт переключателя остается свободным для имитации разомкнутой внешней цепи, n-1 неподвижный контакт его соединен со вторым вводом секционированного реостата, а первый неподвижный контакт соединен с первым вводом секционированного реостата.The aim of the invention is to expand the functionality of this installation. This goal is achieved by the following: a circular conductor, which covers a long solenoid and is mounted on the tablet, and its ends are connected to the inputs of the EMF recorder; a sectioned rheostat containing n-2 sections, the resistances of which form a discrete external load, and its first input is connected to the first input of the EMF recorder; a switch for n positions, the movable contact of which is connected to the second input of the EMF recorder, and its fixed contacts are connected to the corresponding outputs of the partitioned rheostat, the nth fixed contact of the switch remains free to simulate an open external circuit, n-1 its fixed contact is connected to the second input sectioned rheostat, and the first fixed contact is connected to the first input sectioned rheostat.
На фиг.1 представлен чертеж, поясняющий принцип работы предлагаемой установки. На фиг.2 изображен ее общий вид.Figure 1 presents a drawing explaining the principle of operation of the proposed installation. Figure 2 shows its General view.
Предлагаемая установка содержит: 1 - длинный соленоид; 2 - генератор гармонического напряжения; 3 - круговой проводник; 4 - планшет; 5 - регистратор ЭДС; 6 - секционированный реостат; 7 - переключатель.The proposed installation contains: 1 - a long solenoid; 2 - harmonic voltage generator; 3 - circular conductor; 4 - tablet; 5 - EMF recorder; 6 - sectioned rheostat; 7 - switch.
Максвелл утверждал, что всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле. Рассмотрим вихревое электрическое поле, созданное переменным магнитным полем в длинном соленоиде. Оно является плоскопараллельным (плоским). На фиг.1 показаны силовые линии плоского вихревого электрического поля. Здесь r0 - радиус соленоида, расположенного перпендикулярно плоскости, в которой расположены силовые линии. Рассмотрен случай, когда вектор магнитной индукции направлен к нам и возрастает.Maxwell argued that any alternating magnetic field excites a vortex electric field in the surrounding space. Consider a vortex electric field created by an alternating magnetic field in a long solenoid. It is plane-parallel (flat). Figure 1 shows the lines of force of a flat vortex electric field. Here r 0 is the radius of the solenoid located perpendicular to the plane in which the lines of force are located. The case when the magnetic induction vector is directed towards us and increases is considered.
Если круговой проводник с радиусом R и длиной l=2πR поместить в вихревое электрическое поле , как показано на фиг.1, то поле приводит к возникновению ЭДС ε и вызывает движение электронов по замкнутым траекториям. Сторонними силами являются силы вихревого электрического поля. Циркуляция вектора этого поля по замкнутому контуру l равна ЭДС электромагнитной индукции:If a circular conductor with a radius R and a length l = 2πR is placed in a vortex electric field , as shown in figure 1, the field leads to the emergence of EMF ε and causes the movement of electrons along closed paths. Extraneous forces are the forces of a vortex electric field. Vector Circulation this field in a closed loop l is equal to the EMF of electromagnetic induction:
Из фиг.1 видно, что напряженность вихревого электрического поля одинакова во всех точках замкнутого кругового проводника, а вектор направлен по касательной к окружности с центром в точке О и совпадает с вектором . Тогда циркуляция вектора по замкнутому контуру l Figure 1 shows that the strength of the vortex electric field is the same at all points of a closed circular conductor, and the vector is directed along the tangent to the circle centered at the point O and coincides with the vector . Then the circulation of the vector closed loop l
Сопоставляя выражения (1) и (2), получим, что напряженность электрического поля внутри кругового проводникаComparing expressions (1) and (2), we obtain that the electric field inside the circular conductor
Зная величину Е в замкнутом круговом проводнике можно вычислить плотность тока j, определяемую законом Ома в дифференциальной формеKnowing the value of E in a closed circular conductor, we can calculate the current density j determined by Ohm's law in differential form
а также удельную мощность тока Pуд, определяемую законом Джоуля-Ленца в дифференциальной формеand also the specific current power P beats defined by the Joule-Lenz law in differential form
Здесь σ - удельная электрическая проводимость кругового проводника.Here, σ is the electrical conductivity of a circular conductor.
Для синусоидально изменяющегося электрического поля с частотой ν E(t)=Emsin2πνt действующее значение плотности тока смещения в проводникеFor a sinusoidally changing electric field with a frequency ν E (t) = E m sin2πνt, the effective value of the bias current density in the conductor
где ε - электрическая постоянная.where ε is the electric constant.
При приложении электрического поля Е к круговому проводнику электроны в нем приобретают скорость дрейфа, которую можно рассчитать по формуле:When an electric field E is applied to a circular conductor, the electrons in it acquire a drift velocity, which can be calculated by the formula:
где n - концентрация электронов в проводнике, е - заряд электрона.where n is the electron concentration in the conductor, e is the electron charge.
В круговом проводнике фиг.1 будет наводиться ЭДС, поэтому его можно рассматривать как источник переменного тока. Так как применяем переменный ток низкой частоты, а также не принимаем во внимание малые индуктивности и емкости цепи, поэтому будем рассматривать электрическую цепь как элементарную цепь активного сопротивления. При расчете цепи переменного тока будем пользоваться понятиями действующего значения ЭДС ε, тока I и напряжения U.EMF will be induced in the circular conductor of FIG. 1, so it can be considered as an alternating current source. Since we use an alternating current of low frequency, and also do not take into account small inductances and capacitances of the circuit, we will therefore consider the electric circuit as an elementary circuit of active resistance. When calculating the AC circuit, we will use the concepts of the effective value of the EMF ε, current I and voltage U.
Полная мощность, развиваемая источником тока в замкнутой электрической цепи, определяется по формуле:The total power developed by a current source in a closed electrical circuit is determined by the formula:
где ε - ЭДС источника тока, I - ток, текущий в цепи.where ε is the EMF of the current source, I is the current flowing in the circuit.
Если напряжение на концах внешнего участка цепи равна U, то полезная мощность выражается формулой:If the voltage at the ends of the outer section of the circuit is U, then the net power is expressed by the formula:
Коэффициент полезного действия (КПД) источника тока определяется из следующего соотношения:The efficiency (efficiency) of the current source is determined from the following ratio:
Таким образом, на предлагаемой установке можно снять зависимости мощностей Pn и Р, а также КПД η от тока нагрузки, т.е. исследовать нагрузочные характеристики источника тока.Thus, at the proposed installation, it is possible to remove the dependences of the powers P n and P, as well as the efficiency η on the load current, i.e. to study the load characteristics of the current source.
Рассмотрим работу предлагаемой установки для исследования вихревого электрического поля (фиг.2). Она содержит длинный соленоид 1, подключенный к генератору гармонического напряжения 2. По гармоническому закону будет изменяться магнитное поле в длинном соленоиде 1, которое, в свою очередь, возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле. Индикатором этого поля является круговой проводник 3, который охватывает длинный соленоид так, что оси длинного соленоида 1 и кругового проводника 3 совпадают. Круговой проводник закреплен на планшете 4, установленном перпендикулярно длинному соленоиду 1.Consider the work of the proposed installation for the study of a vortex electric field (figure 2). It contains a long solenoid 1 connected to a harmonic voltage generator 2. According to the harmonic law, the magnetic field in the long solenoid 1 will change, which, in turn, excites an electric field in the surrounding space. An indicator of this field is a
Концы кругового проводника 3 соединены с вводами регистратора ЭДС 5. Круговой проводник 3 следует рассматривать как источник ЭДС с внутренним сопротивлением, равным сопротивлению этого проводника r. В качестве внешней нагрузки используем секционированный реостат 6, который имеет два ввода и (n-2) выводов, по числу секций. Сопротивления секции возрастают, образуя сначала правильную дробь, например, , , , а затем неправильную дробь, например, , , , .... Первый ввод секционированного реостата 6 соединен с первым вводом регистратора ЭДС 5. Для подключения к круговому проводнику 3 (источнику ЭДС) соответствующих секций секционированного реостата 6 используем переключатель 7 на n положений. Подвижный контакт его соединен со вторым вводом регистратора ЭДС 5, а неподвижные контакты соединены с соответствующими выводами секционированного реостата 6.The ends of the
Причем n-ый неподвижный контакт переключателя 7 (i=n) не задействован, остается свободным для имитации разомкнутой внешней цепи (сопротивление нагрузки равно бесконечности), а (n-1) неподвижный контакт переключателя 7 соединен со вторым вводом секционированного реостата 6. Первый неподвижный контакт переключателя 7 соединен с первым вводом секционированного реостата 6.Moreover, the nth fixed contact of switch 7 (i = n) is not used, it remains free to simulate an open external circuit (load resistance is infinity), and (n-1) the fixed contact of switch 7 is connected to the second input of the partitioned rheostat 6. The first fixed the contact of the switch 7 is connected to the first input of the partitioned rheostat 6.
Изменяя величину напряжения, снимаемого с генератора гармонического напряжения 2, меняется ток в длинном соленоиде 1, меняется также магнитная индукция в нем. Соответственно изменяется напряженность вихревого электрического поля и ЭДС, измеряемая регистратором ЭДС 5. По формуле (3) рассчитываем напряженность электрического поля Е, а по формулам (4), (5), (6) и (7) соответственно плотность тока проводимости, удельную мощность тока, плотность тока смещения и скорость дрейфа υдр в проводнике 3. По результатам измерений и расчетов строятся графики функций j=f(E), Pуд=f(E), jсм=f(E) и υдр=f(E). По формуле рассчитываем работу сторонних сил по перемещению, например, одного электрона по замкнутому круговому проводнику 3, а также стороннюю силу .Changing the magnitude of the voltage removed from the harmonic voltage generator 2, the current in the long solenoid 1 changes, the magnetic induction in it also changes. Accordingly, the strength of the vortex electric field and EMF changes, measured by the EMF recorder 5. According to formula (3), we calculate the electric field strength E, and according to formulas (4), (5), (6) and (7), respectively, the conductivity current density, specific power current, bias current density and drift velocity υ dr in
Рассмотрим, каким образом на предлагаемой установке (фиг.2) снимаются нагрузочные характеристики источника тока (кругового проводника 3). Для примера рассмотрим случай, когда число неподвижных контактов у переключателя 7 n=9. В этом случае число секций у секционированного реостата 6 будет n-2=7. Пусть сопротивления секций соответственно равны , , , r, 2r, 3r, 4r. Установим произвольную величину напряжения на генераторе гармонического напряжения 2. При этом в круговом проводнике 3 будет наводиться ЭДС. С помощью переключателя 7 подключаем сопротивления внешней нагрузки к источнику ЭДС. Для измерения ЭДС источника тока устанавливаем переключатель 7 в девятое (i=9) положение. При этом подвижный контакт его соединяется с его девятым неподвижным контактом. В этом случае внешняя цепь разомкнута и регистратор ЭДС 5 измеряет ЭДС, наводимую в круговом витке 3. Если переключатель 7 ставим в первое положение (i=1), то в этом случае источник ЭДС замыкается накоротко, сопротивление нагрузки равно нулю, напряжение на регистраторе ЭДС 5 равно нулю, ток в цепи равен току короткого замыканияConsider how the proposed installation (figure 2) is removed load characteristics of the current source (circular conductor 3). As an example, consider the case when the number of fixed contacts of the switch 7 is n = 9. In this case, the number of sections of the partitioned rheostat 6 will be n-2 = 7. Let the resistances of the sections be respectively equal , , , r, 2r, 3r, 4r. We set an arbitrary value of the voltage at the harmonic voltage generator 2. In this case, the EMF will be induced in the
Далее во втором, третьем, ..., восьмом положениях переключателя 7 подключаются сопротивления нагрузки соответственно , , , r, 2r, 3r, 4r. Регистратор ЭДС 5 показывает соответствующие напряжения U. По формуле U=ε-Ir рассчитываем величины токов, соответствующие этим положениям. Величины сопротивлений нагрузок указаны на передней панели установки рядом с указателем положения переключателя 7 в виде R=0, , , , r, 2r, 3r, 4r, ∞.Further, in the second, third, ..., eighth positions of the switch 7, load resistances are connected, respectively , , , r, 2r, 3r, 4r. The EMF recorder 5 shows the corresponding voltages U. Using the formula U = ε-Ir, we calculate the currents corresponding to these positions. The values of the load resistances are indicated on the front panel of the installation next to the position indicator of switch 7 in the form R = 0, , , , r, 2r, 3r, 4r, ∞.
По формулам (8), (9) и (10) рассчитываем полную мощность, полезную мощность и КПД источника тока. По этим данным строим нагрузочные характеристики источника тока: Рn=f(I), Р=f(I) и η=f(I).By formulas (8), (9) and (10), we calculate the total power, useful power and efficiency of the current source. According to these data, we construct the load characteristics of the current source: P n = f (I), P = f (I) and η = f (I).
Технико-экономическая эффективность предлагаемой установки заключается в том, что она обеспечивает повышение качества усвоения основных законов и явлений физики студентами.The technical and economic efficiency of the proposed installation is that it provides an improvement in the quality of assimilation of the basic laws and phenomena of physics by students.
Предлагаемая установка реализована на кафедре физики и используется в учебном процессе на лабораторных занятиях по электричеству.The proposed installation is implemented at the Department of Physics and is used in the educational process in laboratory studies on electricity.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006118673/28A RU2308095C1 (en) | 2006-05-29 | 2006-05-29 | Device for researching loading characteristics of a current supply |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006118673/28A RU2308095C1 (en) | 2006-05-29 | 2006-05-29 | Device for researching loading characteristics of a current supply |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2308095C1 true RU2308095C1 (en) | 2007-10-10 |
Family
ID=38953036
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006118673/28A RU2308095C1 (en) | 2006-05-29 | 2006-05-29 | Device for researching loading characteristics of a current supply |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2308095C1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2504016C2 (en) * | 2012-04-16 | 2014-01-10 | Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского Министерства обороны Российской Федерации | Apparatus for investigating eddy electric field |
RU2507591C1 (en) * | 2012-07-10 | 2014-02-20 | Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского Министерства обороны Российской Федерации | Apparatus for investigating passive elements of electric circuits |
CN103996339A (en) * | 2014-06-15 | 2014-08-20 | 陈健 | Current-carrying solenoid magnetism presentation device |
CN104021712A (en) * | 2014-06-23 | 2014-09-03 | 江南大学 | Solenoid device for magnetic field measurement |
-
2006
- 2006-05-29 RU RU2006118673/28A patent/RU2308095C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2504016C2 (en) * | 2012-04-16 | 2014-01-10 | Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского Министерства обороны Российской Федерации | Apparatus for investigating eddy electric field |
RU2507591C1 (en) * | 2012-07-10 | 2014-02-20 | Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского Министерства обороны Российской Федерации | Apparatus for investigating passive elements of electric circuits |
CN103996339A (en) * | 2014-06-15 | 2014-08-20 | 陈健 | Current-carrying solenoid magnetism presentation device |
CN104021712A (en) * | 2014-06-23 | 2014-09-03 | 江南大学 | Solenoid device for magnetic field measurement |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN203465407U (en) | Soft-magnetic-material-magnetic-conductivity measurement experiment device based on oscilloscope and signal generator | |
RU2308095C1 (en) | Device for researching loading characteristics of a current supply | |
RU2321074C1 (en) | Device for verifying the ampere law experimentally | |
RU2504017C2 (en) | Apparatus for investigating electrostatic field | |
CN110392827B (en) | Device for characterizing the resistance of a measurement object | |
RU2284581C1 (en) | Device for researching stationary electric field | |
RU2507591C1 (en) | Apparatus for investigating passive elements of electric circuits | |
RU2479868C1 (en) | Plant for investigation of stationary electric field | |
RU2321895C1 (en) | Assembly for studying nonuniform magnetic field | |
CN113985330A (en) | Comprehensive tester for various magnetic fields based on Arduino | |
RU2504016C2 (en) | Apparatus for investigating eddy electric field | |
RU2269823C1 (en) | Installation for testing vorticity electric field | |
CN112164290B (en) | Hall effect experimental instrument | |
RU2357295C1 (en) | Device for investigating magnetic field of rectangular contour with current | |
RU2644098C2 (en) | Installation for solving third maxwell equation | |
RU2170459C1 (en) | Device for investigating magnetic field of straight current-carrying conductor | |
RU2137209C1 (en) | Device for detection of circulation of intensity vector of electric and magnetic field | |
Krasovsky et al. | The System Approach for the Application of Measuring Instruments and Computer Modeling Tools for the Electrical Laboratory for the Bauman Moscow State Technical Univercity | |
RU2292602C1 (en) | Device for definition of circulation of vector voltage of a magnetic field | |
Slavik et al. | Magnetic circuit of electromagnetic flow meter with capacitive electrodes | |
RU2210815C2 (en) | Practice device to study electromagnetic field | |
Barnaal | Analog electronics for scientific application | |
RU2303295C1 (en) | Device for studying vortex electric field in magnetic medium | |
RU2316839C1 (en) | Hall effect investigation unit | |
Lin et al. | High frequency PCB trace current measurement in power converters based on tunnel magnetoresistance |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20080530 |