RU2534981C1

RU2534981C1 - Apparatus investigating self-induction phenomenon

Info

Publication number: RU2534981C1
Application number: RU2013128252/12A
Authority: RU
Inventors: Александр Иванович Алтухов; Валерий Константинович Ковнацкий; Максим Алексеевич Аниськович
Priority date: 2013-06-19
Filing date: 2013-06-19
Publication date: 2014-12-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: hall sensor is placed near a cryostat such that magnetic field lines coming out of the end of an inductance coil enter a plane in which current terminals TT and voltage terminals X-X of the Hall sensor are located. The current terminals T-T are connected through a first rheostat to terminals of a direct current source and voltage terminals X-X are connected to voltmeter leads. Timer leads are connected to terminals of the direct current source. The common contact of a three-way switch is connected through a second rheostat to the second lead of the inductance coil. The contact of the first position of the three-way switch is free, and contacts of the second and third positions are respectively connected to the negative and positive terminals of the direct current source.

EFFECT: broader functional capabilities and high measurement accuracy.

5 dwg

Description

Изобретение относится к учебным приборам и может быть использовано в лабораторном практикуме в высших и средних специальных учебных заведениях по курсу физики для получения и углубления знаний физических законов и явлений. 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 obtain and deepen knowledge of physical laws and phenomena.

Известно устройство для исследования явления самоиндукции (Шахмаев Н.М. и Каменецкий С.Е. Демонстрационные опыты по электродинамике. Издание 2-е, переработанное. Пособие для учителей. М.:Просвещение», 1973 г., с.256, рис.227). Оно состоит из последовательно соединенных катушек индуктивности с величиной индуктивности L, амперметра, источника постоянного тока и ключа. Замкнув ключом цепь, можно продемонстрировать рост тока в цепи до установившегося значения I₀=ε/R, где - ε - ЭДС источника постоянного тока, R - общее сопротивление цепи.A device for studying the phenomenon of self-induction (Shakhmaev N.M. and Kamenetsky S.E. Demonstration experiments in electrodynamics. 2nd edition, revised. A manual for teachers. M.: Education ", 1973, S. 256, Fig. 227). It consists of series-connected inductors with an inductance L, an ammeter, a direct current source and a key. Having closed the circuit with a key, it is possible to demonstrate an increase in the current in the circuit to a steady-state value I ₀ = ε / R, where - ε is the emf of the DC source, R is the total resistance of the circuit.

Особое впечатление на обучающихся производит процесс медленного изменения тока, тогда можно точно измерить постоянную времени цепи τ=L/R. Нарастание тока происходит тем медленнее, чем больше постоянная времени цепи τ. Большую τ можно получить за счет увеличения L или уменьшения R. Однако с увеличением L за счет числа витков катушки индуктивности происходит увеличение сопротивления провода самой катушки. Таким образом, известное устройство предназначено только для демонстрации явления самоиндукции, но на нем нельзя точно определить постоянную времени цепи τ.The students are especially impressed by the process of slow current changes, then the circuit time constant τ = L / R can be accurately measured. The increase in current occurs the slower, the greater the time constant of the circuit τ. A large τ can be obtained by increasing L or decreasing R. However, with an increase in L due to the number of turns of the inductor, the resistance of the wire of the coil itself increases. Thus, the known device is intended only to demonstrate the phenomenon of self-induction, but it cannot accurately determine the time constant of the circuit τ.

Известно также устройство для исследования явления самоиндукции (там же на с.257, рис.229 и 230). Оно содержит последовательно соединенные источник постоянного тока, катушку индуктивности и лампочку. Параллельно лампочке подключен вход электронного осциллографа. В качестве ключа используют поляризационное реле РП-4. Данное устройство позволяет наблюдать A device is also known for studying the phenomenon of self-induction (ibid., P.257, Fig. 229 and 230). It contains a series-connected source of direct current, an inductor and a light bulb. In parallel with the light bulb, the input of an electronic oscilloscope is connected. As a key, use a polarization relay RP-4. This device allows you to observe

на экране осциллографа экспоненциальное нарастание тока в цепи. На нем можно демонстрировать влияние индуктивности L и общего сопротивления R на скорость нарастания тока в цепи. На экране осциллографа можно приблизительно измерить постоянную времени цепи τ. Однако на нем нельзя увидеть впечатляющий процесс медленного изменения тока в цепи и точно измерить τ в зависимости от R и L.On the oscilloscope screen, an exponential increase in current in the circuit. It can demonstrate the effect of the inductance L and the total resistance R on the slew rate of the current in the circuit. On the oscilloscope screen, you can approximately measure the circuit time constant τ. However, one cannot see the spectacular process of slowly changing the current in the circuit and accurately measure τ depending on R and L.

Наиболее близкой к предлагаемой установке является экспериментальная установка со сверхпроводящей электрической цепью (Патрунов Ф.Г. Холод и техника. М.: Московский рабочий, 1981 г., с.17, рис.4). Она представлена на фиг.1 и содержит криостат, источник постоянного тока, катушку индуктивности, расположенную внутри криостата, и первый вывод ее соединен с положительной клеммой источника постоянного тока. На этой установке можно реализовать явление самоиндукции за счет замыкания и размыкания цепи, содержащей катушку индуктивности. За счет терморегулирования в криостате можно создать требуемую температуру и, соответственно, стремящегося к нулю сопротивления катушки индуктивности r и стремящейся к бесконечности постоянной времени τ цепи.Closest to the proposed installation is an experimental installation with a superconducting electric circuit (Patrunov F.G. Kholod and tekhnika. M: Moscow Worker, 1981, p.17, Fig. 4). It is presented in figure 1 and contains a cryostat, a direct current source, an inductor located inside the cryostat, and its first output is connected to the positive terminal of the direct current source. On this installation, the phenomenon of self-induction can be realized due to the closure and opening of the circuit containing the inductor. Due to the temperature control in the cryostat, it is possible to create the required temperature and, accordingly, the resistance of the inductor r tending to zero and the circuit tending to infinity.

Однако на этой установке нельзя наблюдать медленный процесс нарастания или убывания тока соответственно за счет замыкания и размыкания цепи с индуктивностью и при этом точно измерить постоянную времени цепи τ в зависимости от общего сопротивления R. Введением дополнительного регулируемого сопротивления R₂ в цепь катушки индуктивности можно получать различные общие сопротивления R=R₂+r_k и проводить исследования зависимости постоянной времени τ=L/(R₂+r_k) от общего сопротивления цепи. Таким образом, на данной установке можно продемонстрировать кроме наличия тока сверхпроводимости также явление самоиндукции по созданному током магнитному полю катушки индуктивности.However, one cannot observe the slow process of increasing or decreasing current, respectively, due to the closure and opening of the circuit with the inductance, nor can one accurately measure the time constant of the circuit τ depending on the total resistance R. By introducing an additional adjustable resistance R ₂ into the circuit of the inductor, various total resistances R = R ₂ + r _k and study the dependence of the time constant τ = L / (R ₂ + r _k ) on the total resistance of the circuit. Thus, in this installation, in addition to the presence of a superconducting current, the phenomenon of self-induction along the magnetic field of the inductor created by the current can also be demonstrated.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей прототипа и повышение точности измерения. The technical result of the invention is to expand the functionality of the prototype and improve the accuracy of the measurement.

Указанный технический результат достигается тем, что в известную установку для исследования явления самоиндукции, содержащую криостат, источник постоянного тока, катушку индуктивности, расположенную внутри криостата, и первый вывод ее соединен с положительной клеммой источника постоянного тока, согласно изобретению введены первый и второй реостаты, вольтметр датчик Холла, расположенный рядом с криостатом так, чтобы магнитные силовые линии, выходящие The specified technical result is achieved by the fact that in the known installation for studying the phenomenon of self-induction, containing a cryostat, a direct current source, an inductor located inside the cryostat, and its first output is connected to the positive terminal of the direct current source, according to the invention, the first and second rheostats, a voltmeter are introduced Hall sensor located next to the cryostat so that the magnetic lines of force exiting

из торца катушки индуктивности, входили в плоскость, в которой расположены токовые выводы Т-Т и выводы напряжения Х-Х датчика Холла, при этом токовые выводы Т-Т через первый реостат соединены с клеммами источника постоянного тока, а выводы напряжения Х-Х соединены с вводами вольтметра, электронный счетчик времени, вводы которого соединены с клеммами источника постоянного тока, переключатель на три положения, общий контакт которого соединен через второй реостат со вторым вводом катушки индуктивности, контакт первого положения переключателя на три положения - свободный, а контакты второго и третьего положений его соединены соответственно с отрицательной и положительной клеммами источника постоянного тока.from the end of the inductor, entered the plane in which the current leads TT and voltage leads Х-Х of the Hall sensor are located, while the current leads ТТ through the first rheostat are connected to the terminals of the direct current source, and the voltage leads XX are connected with voltmeter inputs, an electronic time counter, the inputs of which are connected to the terminals of the direct current source, a three-position switch, the common contact of which is connected through the second rheostat to the second input of the inductor, the contact of the first position is switched For three positions - free, and the contacts of its second and third positions are connected respectively to the negative and positive terminals of the DC source.

На фиг.1 изображен прототип; на фиг.2 - общий вид предлагаемой установки; на фиг.3-5 - чертежи, поясняющие принцип работы установки.Figure 1 shows a prototype; figure 2 is a General view of the proposed installation; figure 3-5 - drawings explaining the principle of operation of the installation.

Предлагаемая установка (фиг.2) содержит следующие элементы: 1 - криостат; 2 - источник постоянного тока; 3 - катушка индуктивности; 4 - датчик Холла; 5 - первый реостат; 6 - вольтметр; 7 - второй реостат; 8 - переключатель на три положения; 9 - электронный счетчик времени.The proposed installation (figure 2) contains the following elements: 1 - cryostat; 2 - a direct current source; 3 - inductor; 4 - Hall sensor; 5 - the first rheostat; 6 - voltmeter; 7 - second rheostat; 8 - switch to three positions; 9 - electronic time counter.

Рассмотрим теоретические положения, которые легли в основу предлагаемой установки. Текущий в каком-либо контуре с индуктивностью L электрический ток создает пронизывающий этот контур магнитный поток. Изменение силы тока сопровождается изменением магнитного потока, вследствие чего в контуре индуцируется ЭДС. Это явление называется самоиндукцией.Consider the theoretical provisions that formed the basis of the proposed installation. An electric current flowing in any circuit with inductance L creates a magnetic flux penetrating this circuit. A change in the current strength is accompanied by a change in the magnetic flux, as a result of which an EMF is induced in the circuit. This phenomenon is called self-induction.

По правилу Ленца индукционный ток, возникающий вследствие самоиндукции, направлен так, чтобы противодействовать изменению тока в цепи. Это приводит к тому, что установление тока при замыкании цепи и убывании тока при размыкании цепи происходит не мгновенно, а постепенно. Закон изменения силы тока при включении и отключении источника постоянного тока ε в цепи, содержащей катушку индуктивности L и общее сопротивление цепи R=R₂+r_k, где R₂ - сопротивление реостата, а r_k - сопротивление самой катушки, можно исследовать на схеме, представленной на фиг.3.According to the Lenz rule, the induction current resulting from self-induction is directed so as to counteract the change in current in the circuit. This leads to the fact that the establishment of current when the circuit is closed and the current decreases when the circuit is opened does not occur instantly, but gradually. The law of change of current strength when turning on and off a constant current source ε in a circuit containing an inductor L and the total resistance of the circuit R = R ₂ + r _k , where R ₂ is the resistance of the rheostat and r _k is the resistance of the coil itself, can be studied in the diagram presented in figure 3.

В случае включения в цепь источника ЭДС (фиг.3, положение «в» ключа К) ток в цепи изменяется по следующему закону:In the case of inclusion in the circuit of the EMF source (Fig. 3, position "C" of key K), the current in the circuit changes according to the following law:

$I = I_{0} (1 - e^{- \frac{R t}{L .}}), (1)$

I = I_{0} (one - e^{- \frac{R t}{L .}}), (one)

где $I_{0} = \frac{ε}{R}$

- максимальное значение силы тока в цепи. Внутренним сопротивлением источника постоянного тока пренебрегаем.Where

I_{0} = \frac{ε}{R}

- the maximum value of the current in the circuit. The internal resistance of the DC source is neglected.

Из выражения (1) видно, что при включении в цепь источника ЭДС ток в цепи не сразу достигает значения I₀, но достигает его постепенно (фиг.4). Нарастание силы тока происходит тем быстрее, чем больше отношение R/L, т.е. чем меньше индуктивность цепи L и больше ее общее сопротивление R.From the expression (1) it is seen that when the EMF source is included in the circuit, the current in the circuit does not immediately reach the value I ₀ , but reaches it gradually (Fig. 4). The increase in current strength occurs the faster, the greater the ratio R / L, i.e. the smaller the inductance of the circuit L and the greater its total resistance R.

При выключении источника ЭДС (фиг.5, положение «с» ключа К) ток в цепи изменяется по следующему закону:When you turn off the source of the EMF (figure 5, the position "C" of the key K), the current in the circuit changes according to the following law:

$I = I_{0} e^{- \frac{R t}{L}} . (2)$

I = I_{0} e^{- \frac{R t}{L}} . (2)

Выражение (2) показывает, что сила тока при выключении источника ЭДС спадает по экспоненциальному закону (фиг.5). Сила тока в цепи постепенно уменьшается от начального значения I₀ до нуля, причем тем быстрее, чем больше сопротивление цепи R и чем меньше ее индуктивность L.Expression (2) shows that the current strength when the EMF source is turned off decreases exponentially (Fig. 5). The current strength in the circuit gradually decreases from the initial value I ₀ to zero, and the faster, the greater the resistance of the circuit R and the lower its inductance L.

Скорость убывания определяется имеющей размерность времени величиной τ=L/R, которую называют постоянной времени цепи. Принято считать, что τ=I₀/e, то есть это время, в течение которого сила тока уменьшается в е раз. Из фиг.4 и 5 видно, что чем больше постоянная времени τ, тем медленнее изменяется ток в цепи.The rate of decrease is determined by the time dimension τ = L / R, which is called the time constant of the circuit. It is generally accepted that τ = I ₀ / e, that is, this is the time during which the current strength decreases e times. It can be seen from FIGS. 4 and 5 that the larger the time constant τ, the slower the current in the circuit changes.

ЭДС самоиндукции в начальный момент после разрыва цепи значительно превосходит ЭДС источника тока, действующую в цепи до ее разрыва. Если разорвать простую (последовательную) цепь, то место разрыва будет обладать очень большим сопротивлением. В цепи возникает высокое индуцированное напряжение, создающее искру или дугу в месте разрыва. Поэтому применяют двойной ключ, позволяющий отключать источник ЭДС от цепи без ее размыкания. Это достигается тем, что промежуток между неподвижными контактами (а, в, с) ключа К (фиг.3) несколько уже ширины подвижного контакта. Поэтому при передвижении подвижного контакта из положения «в» в положение «с» цепь не размыкается, а источник ЭДС отключается от цепи.The EMF of self-induction at the initial moment after a circuit breakdown significantly exceeds the EMF of the current source acting in the circuit until it breaks. If you break a simple (sequential) chain, then the gap will have a very large resistance. A high induced voltage arises in the circuit, creating a spark or arc at the point of break. Therefore, a double key is used, which allows disconnecting the emf source from the circuit without opening it. This is achieved by the fact that the gap between the fixed contacts (a, b, c) of the key K (Fig. 3) is somewhat narrower than the width of the movable contact. Therefore, when moving the movable contact from position “c” to position “c”, the circuit does not open, and the emf source is disconnected from the circuit.

Согласно закону Био-Савара-Лапласа магнитная индукция В поля катушки индуктивности пропорциональна силе тока I, создающего поле. Магнитная индукция поля В может быть измерена с помощью датчика Холла, напряжение U на выходе которого пропорционально магнитной индукции В. Отсюда следует, что ток I в катушке индуктивности и созданное напряжение U на выходе датчика Холла пропорциональны друг другу: U=кI. Пропорциональность напряжения U силе тока I имеет место при отсутствии ферромагнетиков, окружающих катушку индуктивности. Таким образом, по закону изменения напряжения U можно судить о законе изменения тока I в цепи катушки индуктивности. Шкалу вольтметра датчика Холла можно проградуировать в значениях тока в цепи катушки индуктивности. Рассмотрим взаимодействие элементов в предлагаемой установке (фиг.2). Она включает в себя криостат 1, источник постоянного тока 2, катушку индуктивности 3, расположенную внутри криостата 1, и первый вывод ее соединен с положительной клеммой источника постоянного тока 2. При протекании тока через катушку индуктивности 3 она создает магнитное поле с индукцией B. Для регистрации магнитного поля установка содержит датчик Холла 4, который расположен рядом с криостатом 1 так, чтобы магнитные силовые линии, создаваемые катушкой индуктивности 3, выходили из торца и входили в плоскость, в которой расположены токовые выводы T-T и выводы напряжения X-X датчика Холла, при этом токовые выводы T-T датчика Холла через первый резистор 5 соединены с клеммами источника постоянного тока 2, а выводы напряжения X-X датчика Холла соединены с вводами вольтметра 6.According to the Bio-Savard-Laplace law, the magnetic induction B of the field of the inductor is proportional to the strength of the current I creating the field. The magnetic induction of field B can be measured using a Hall sensor, the output voltage U of which is proportional to the magnetic induction B. It follows that the current I in the inductance coil and the generated voltage U at the output of the Hall sensor are proportional to each other: U = кI. The proportionality of the voltage U to the current strength I takes place in the absence of ferromagnets surrounding the inductor. Thus, according to the law of changing the voltage U, one can judge the law of changing the current I in the circuit of the inductor. The scale of the voltmeter of the Hall sensor can be calibrated in the current values in the circuit of the inductor. Consider the interaction of elements in the proposed installation (figure 2). It includes a cryostat 1, a direct current source 2, an inductor 3 located inside the cryostat 1, and its first output is connected to the positive terminal of a direct current source 2. When current flows through the inductor 3, it creates a magnetic field with induction B. For The magnetic field registration system contains a Hall sensor 4, which is located next to the cryostat 1 so that the magnetic lines of force generated by the inductor 3 come out of the end and enter the plane in which the current leads are located s T-T and outputs a voltage X-X of the Hall sensor, wherein the current output terminals T-T of the Hall sensor through the first resistor 5 are connected to terminals of the DC power source 2, and outputs a voltage X-X of the Hall sensor are connected to inputs of the voltmeter 6.

Первый реостат 5 предназначен для установки величины тока, проходящего от источника постоянного тока 2 через токовые выводы T-T датчика Холла. Второй реостат 7 предназначен для установки требуемой величины сопротивления в цепи катушки индуктивности 3.The first rheostat 5 is designed to set the magnitude of the current passing from the DC source 2 through the current leads T-T of the Hall sensor. The second rheostat 7 is designed to set the desired resistance value in the circuit of the inductor 3.

Для исследования явления самоиндукции при включении и отключении источника постоянного тока 2 в цепи служит переключатель на три положения 8, общий контакт которого соединен через второй реостат 7 со вторым вводом катушки индуктивности 3. Контакт первого положения переключателя 8 должен быть свободным. В этом положении переключателя 8 исследуемая цепь отключена. Контакты второго и третьего положений переключателя 8 соединены соответственно с отрицательной и положительной клеммами источника постоянного тока 2.To study the phenomenon of self-induction when turning on and off the DC source 2 in the circuit, a three-position switch 8 is used, the common contact of which is connected through the second rheostat 7 to the second input of the inductor 3. The contact of the first position of the switch 8 must be free. In this position of the switch 8, the test circuit is disconnected. The contacts of the second and third positions of the switch 8 are connected respectively to the negative and positive terminals of the DC source 2.

Для определения постоянной времени цепи τ при включении и отключении источника постоянного тока 2 служит электронный счетчик времени 9, вводы которого соединены с клеммами источника постоянного тока 2.To determine the time constant of the circuit τ when turning on and off the constant current source 2, an electronic time counter 9 is used, the inputs of which are connected to the terminals of the constant current source 2.

Рассмотрим работу предлагаемой установки (фиг.2). Пусть в исходном состоянии криостат 1, входящий в состав установки, включен. С помощью терморегулятора устанавливаем требуемую температуру криостата 1, при этом устанавливается соответствующее сопротивление r_k катушки индуктивности 3. Если переключатель на три положения 8 находится в первом положении «а», то внешняя цепь установки отключена.Consider the work of the proposed installation (figure 2). Suppose that in the initial state, cryostat 1, which is part of the installation, is turned on. Using the thermostat, we set the required temperature of the cryostat 1, and the corresponding resistance r _k of the inductor 3 is set. If the switch to three positions 8 is in the first position “a”, then the external circuit of the unit is disconnected.

С помощью первого реостата 5 устанавливаем требуемый ток в датчике Холла 4. Напряжение на выходе датчика Холла 4 должно равняться нулю. Устанавливаем с помощью реостата 7 требуемое сопротивление R₂, а электронный счетчик времени 9 - в нулевое положение.Using the first rheostat 5, we set the required current in the Hall sensor 4. The voltage at the output of the Hall sensor 4 should be zero. Using rheostat 7 we set the required resistance R ₂ , and the electronic time counter 9 is in the zero position.

Переводим переключатель на три положения 8 во второе положение «в», в цепь катушки индуктивности 3 включается источник постоянного тока 2, наблюдается медленный рост тока в цепи по закону (1) до величины I₀=ε/(R₂+r_к). Это соответствует максимальному значению U₀ на вольтметре 6 датчика Холла 4.We transfer the switch to three positions 8 to the second position “c”, a DC current source 2 is connected to the inductor 3 circuit, a slow increase in current in the circuit is observed according to the law (1) to the value I ₀ = ε / (R ₂ + r _k ). This corresponds to the maximum value of U ₀ on the voltmeter 6 of the Hall sensor 4.

Устанавливаем переключатель на три положения 8 в третье положение «с» и одновременно запускаем электронный счетчик времени 9, наблюдаем медленное убывание тока по закону (2). Когда ток достигает величины I₀/е и, соответственно, напряжение на вольтметре 6 датчика Холла 4 будет U₀/е, снимаем показание счетчика времени 9. Это и будет постоянная времени τ.We set the switch to three positions 8 in the third position “c” and simultaneously start the electronic time counter 9, we observe a slow decrease in current according to the law (2). When the current reaches the value I ₀ / e and, accordingly, the voltage on the voltmeter 6 of the Hall sensor 4 will be U ₀ / е, we take the time counter 9. This will be the time constant τ.

С помощью второго реостата 7 устанавливаем различные сопротивления R₂ и проводим опыты для получения разных τ. По измеренным τ строим зависимости I=f(t), как показано на фиг.5.Using the second rheostat 7, we establish various resistances R ₂ and conduct experiments to obtain different τ. From the measured τ, we build the dependences I = f (t), as shown in Fig. 5.

Если принять величину R₂=0, то можно снять зависимость сопротивления r_k катушки индуктивности 3 от температуры T криостата 1 и построить график зависимости r_k=f(T).If we take the value of R ₂ = 0, then we can remove the dependence of the resistance r _k of the inductor 3 on the temperature T of the cryostat 1 and construct a graph of the dependence r _k = f (T).

Claims

Installation for studying the phenomenon of self-induction, containing a cryostat, a direct current source, an inductor located inside the cryostat, and its first output is connected to the positive terminal of the direct current source, characterized in that the first and second rheostats, a voltmeter, a Hall sensor located next to the cryostat so that the magnetic lines of force extending from the end of the inductor enter the plane in which the current leads TT and voltage leads XX of the Hall sensor are located, while The T-T terminals through the first rheostat are connected to the terminals of the DC source, and the voltage terminals XX are connected to the voltmeter inputs, an electronic time counter, the inputs of which are connected to the terminals of the DC source, a three-position switch, the common contact of which is connected through the second the rheostat with the second input of the inductor, the contact of the first position of the switch to three positions is free, and the contacts of the second and third positions are connected respectively to the negative and positive terminals and source of direct current.