Opóźnienie prądu w cewce (dwie żarówki)

Podstawy programowe: APC, Sek II

Otwórz pełną wersję ↗

Cel

Zaobserwować, jak cewka opóźnia narastanie prądu po włączeniu obwodu.

Układ

Źródło 6 V i wyłącznik (rozwarty). Dwie równoległe gałęzie z żarówkami 6 V / 0,5 W: dolna — żarówka i opornik 20 Ω, górna — żarówka i cewka 100 H o oporze uzwojenia 20 Ω.

Przebieg doświadczenia

1. Zamknąć wyłącznik i obserwować obie żarówki.
2. Rozewrzeć wyłącznik.
3. Na karcie parametrów cewki zmniejszyć indukcyjność do 10 H i powtórzyć.

Oczekiwany wynik

Żarówka z opornikiem zapala się od razu; żarówka z cewką zapala się mniej więcej sekundę lub dwie później, a potem obie świecą jednakowo jasno: opory gałęzi są równe. Po rozwarciu wyłącznika obie żarówki gasną razem, w ciągu około pół sekundy: prąd cewki płynie dalej w pętli utworzonej przez obie gałęzie i przechodzi przez obie żarówki. Czas narastania prądu wynosi około \(L / R\). Przy 10 H opóźnienie jest dziesięć razy krótsze — około jednej dziesiątej sekundy, ale oko wciąż może je zauważyć. Cewka 100 H z uzwojeniem 20 Ω jest bardzo duża: dla szkolnych cewek z rdzeniem żelaznym \(L / R\) to ułamek sekundy i opóźnienie w rzeczywistym układzie jest równie krótkie.

Pytania

1. Dlaczego cewka nie pozwala, aby prąd narósł natychmiast?
2. Dlaczego w stanie ustalonym żarówki świecą jednakowo jasno?

Odpowiedzi

1. Gdy prąd się zmienia, zmienia się pole magnetyczne cewki, które indukuje SEM samoindukcji, proporcjonalną do szybkości zmian, \(L \cdot \Delta I / \Delta t\), i skierowaną przeciwnie do tej zmiany. Nagły skok wymagałby nieskończenie dużej SEM, więc prąd narasta stopniowo, w czasie około \(L / R\): w tym układzie, przy 100 H, od jednej do dwóch sekund.
2. W stanie ustalonym prąd już się nie zmienia, więc nie ma SEM samoindukcji, a cewka działa jak jej uzwojenie o oporze 20 Ω. W obu gałęziach jest wtedy żarówka połączona szeregowo z 20 Ω przy tym samym napięciu, więc natężenia prądów i jasności są równe.