Самоиндукция при размыкании

Программы: APC, Sek II

Открыть полную версию ↗

Цель

Пронаблюдать ЭДС самоиндукции при размыкании цепи, содержащей катушку индуктивности.

Установка

Источник 6 В, выключатель (замкнут) и катушка индуктивности 20 Гн с сопротивлением обмотки 50 Ом; параллельно катушке — лампочка 6 В / 0,5 Вт. Катушка набирает ток за пару секунд после открытия лабораторной работы: около 0,12 А, в 1,4 раза больше тока лампочки (0,083 А).

Ход работы

1. Подождите пару секунд, пока ток катушки не установится.
2. Установите на панели инструментов скорость часов симуляции ×0.1, чтобы вспышку было легче увидеть, разомкните выключатель и наблюдайте за лампочкой.
3. Верните скорость ×1, замкните выключатель, снова подождите пару секунд и разомкните его.

Ожидаемый результат

После размыкания выключателя лампочка вспыхивает втрое ярче обычного и гаснет за десятые доли секунды (при ×0.1 — за пару секунд). Катушка поддерживает свой ток, и он течёт через лампочку — около 0,12 А, в 1,4 раза больше её номинального тока; напряжение на лампочке кратковременно поднимается примерно до 9,3 В — выше, чем у источника. Катушка подобрана так, чтобы её ток был лишь немного больше тока лампочки: с катушкой, которая набирает втрое больший ток, лампочка перегорела бы при первом же размыкании выключателя.

Вопросы

1. Откуда берётся энергия вспышки?
2. Зачем параллельно обмотке реле включают диод?

Ответы

1. Из магнитного поля катушки. При 0,12 А катушка запасает \(W = L \cdot I^2 / 2\) = 20 · 0,12² / 2 ≈ 0,14 Дж; после размыкания выключателя эта энергия поддерживает ток через лампочку и превращается в тепло и свет в нити накала и в тепло в обмотке 50 Ом.
2. Когда реле выключают, его катушка поддерживает свой ток, как и катушка в этой установке. Если этому току некуда идти, напряжение самоиндукции вырастает настолько, что между контактами выключателя проскакивает искра или пробивается транзистор, который управляет катушкой. Диод, в обычном режиме включённый в обратном направлении, даёт току замкнутый контур вокруг катушки — эту роль в установке играет лампочка, — и на выключателе оказывается лишь немногим больше напряжения питания.