Запаздывание тока в катушке (две лампы)

Программы: APC, Sek II

Открыть полную версию ↗

Цель

Пронаблюдать, как катушка индуктивности задерживает нарастание тока при включении цепи.

Установка

Источник 6 В и выключатель (разомкнут). Две параллельные ветви с лампочками 6 В / 0,5 Вт: нижняя — лампочка и резистор 20 Ом, верхняя — лампочка и катушка индуктивности 100 Гн с сопротивлением обмотки 20 Ом.

Ход работы

1. Замкните выключатель и наблюдайте за обеими лампочками.
2. Разомкните выключатель.
3. В карточке параметров катушки уменьшите индуктивность до 10 Гн и повторите опыт.

Ожидаемый результат

Лампочка с резистором загорается сразу; лампочка с катушкой загорается примерно на одну-две секунды позже, и после этого их яркость одинакова: сопротивления ветвей равны. После размыкания выключателя обе лампочки гаснут вместе, примерно за полсекунды: ток катушки продолжает течь по контуру из двух ветвей и проходит через обе лампочки. Время нарастания тока — порядка \(L / R\). При 10 Гн задержка в десять раз меньше — около десятой доли секунды, но глаз ещё может её заметить. Катушка 100 Гн с обмоткой 20 Ом очень велика: у школьных катушек с железным сердечником \(L / R\) составляет доли секунды, и задержка на реальной установке такая же короткая.

Вопросы

1. Почему катушка индуктивности не даёт току нарасти мгновенно?
2. Почему в установившемся режиме лампочки светятся одинаково ярко?

Ответы

1. При изменении тока меняется магнитное поле катушки и наводит ЭДС самоиндукции, пропорциональную скорости изменения, \(L \cdot \Delta I / \Delta t\), и направленную против изменения. Для резкого скачка нужна была бы бесконечно большая ЭДС, поэтому ток растёт постепенно, за время порядка \(L / R\): одна-две секунды при 100 Гн в этой установке.
2. В установившемся режиме ток больше не меняется, поэтому ЭДС самоиндукции нет, и катушка ведёт себя как её обмотка сопротивлением 20 Ом. Тогда в обеих ветвях лампочка включена последовательно с 20 Ом под одним и тем же напряжением, поэтому токи и яркость одинаковы.