Przejdź do treści

Samoindukcja przy rozwarciu obwodu

Podstawy programowe: APC, Sek II

Otwórz pełną wersję ↗

Cel

Zaobserwować SEM samoindukcji przy rozwarciu obwodu zawierającego cewkę.

Układ

Źródło 6 V, wyłącznik (zamknięty) i cewka 20 H o oporze uzwojenia 50 Ω; równolegle do cewki — żarówka 6 V / 0,5 W. W ciągu paru sekund po otwarciu doświadczenia prąd w cewce narasta do około 0,12 A, 1,4 raza więcej niż prąd żarówki (0,083 A).

Przebieg doświadczenia

  1. Odczekać parę sekund, aż prąd cewki się ustali.
  2. Ustawić szybkość zegara symulacji na pasku narzędzi na ×0.1, aby błysk był lepiej widoczny, rozewrzeć wyłącznik i obserwować żarówkę.
  3. Przywrócić szybkość ×1, zamknąć wyłącznik, ponownie odczekać parę sekund i rozewrzeć go.
Oczekiwany wynik

Po rozwarciu wyłącznika żarówka błyska trzy razy jaśniej niż zwykle i gaśnie w ciągu kilku dziesiątych części sekundy (przy ×0.1 — w ciągu paru sekund). Cewka podtrzymuje swój prąd, który płynie przez żarówkę — około 0,12 A, 1,4 raza więcej niż jej prąd znamionowy; napięcie na żarówce na chwilę rośnie do około 9,3 V — więcej niż napięcie źródła. Cewka jest dobrana tak, aby jej prąd był tylko nieco większy od prądu żarówki: przy cewce, w której narasta trzy razy większy prąd, żarówka przepaliłaby się przy pierwszym rozwarciu wyłącznika.

Pytania

  1. Skąd pochodzi energia błysku?
  2. Dlaczego równolegle do uzwojenia przekaźnika włącza się diodę?
Odpowiedzi
  1. Z pola magnetycznego cewki. Przy 0,12 A cewka gromadzi \(W = L \cdot I^2 / 2\) = 20 · 0,12² / 2 ≈ 0,14 J; po rozwarciu wyłącznika ta energia podtrzymuje przepływ prądu przez żarówkę i zamienia się w ciepło i światło we włóknie oraz w ciepło w uzwojeniu 50 Ω.
  2. Gdy przekaźnik jest wyłączany, jego cewka podtrzymuje przepływ swojego prądu, tak jak cewka w tym układzie. Jeśli ten prąd nie ma drogi, napięcie samoindukcji rośnie tak bardzo, że wywołuje iskrzenie na stykach wyłącznika albo przebicie tranzystora sterującego cewką. Dioda, w normalnej pracy spolaryzowana zaporowo, daje prądowi zamkniętą pętlę wokół cewki, tak jak żarówka w tym układzie, więc na wyłączniku pojawia się napięcie niewiele wyższe od napięcia zasilania.