Индуктивности соленоида

Цель работы: используя законы переменного тока, определить индуктивность соленоида.

Приборы и принадлежности: соленоид, железный сердечник, источник переменного тока, ЛАТР, амперметр, вольтметр.

Изучите теоретический материал по одному из учебных пособий: [1, гл. VIII § 64, 92; 2, гл. XIX § 19.4; 3, гл. IX § 44; 4, гл. IV § 33, 34].

При подготовке к лабораторной работе необходимо твердо усвоить суть открытого экспериментально в 1831 г. английским физиком М.Фарадеем явления электромагнитной индукции, заключающегося в том, что в замкнутом проводящем контуре при всяком изменении потока магнитной индукции, пронизывающего этот контур, возникает электрический ток, называемый индукционным.

Возникновение индукционного тока указывает на наличие в цепи электродвижущей силы, называемой электродвижущей силой электромагнитной индукции.

Значение индукционного тока, а следовательно, и ЭДС электромагнитной индукции _i зависит только от скорости изменения магнитного потока, пронизывающего площадь контура:

_i .                               (7.1)

Уравнение (7.1) есть математическая запись закона электромагнитной индукции (или закона Фарадея – Ленца).

Знак минус, стоящий в правой части выражения (7.1), показывает, что увеличение потока вызывает ЭДС _i <0, т.е. магнитное поле индукционного тока направлено навстречу потоку; уменьшение потока вызывает _i >0, т.е. направление потока и направление магнитного поля индукционного тока совпадают.

Кроме того, знак минус в формуле (7.1) является математическим выражением правила Ленца – общего правила для нахождения направления индукционного тока из закона сохранения энергии: индукционный ток в контуре всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует изменению магнитного потока, вызвавшего этот индукционный ток.

Самоиндукция есть частный случай явления электромагнитной индукции. Это явление заключается в следующем.

Пусть в замкнутом проводящем контуре течет ток I. Этот ток создает магнитное поле. Таким образом, площадь, ограниченную контуром, пронизывает поток магнитной индукции Ф _с. Он называется потоком самоиндукции. Если ток в контуре будет изменяться, то будет изменяться и поток самоиндукции. Вследствие этого в контуре возникнет ЭДС, которая в этом случае называется ЭДС самоиндукции _с.

Магнитный поток, создаваемый текущим в контуре током, пропорционален силе тока:

Ф _с =LI.                                     (7.2)

Здесь величина L, называемая индуктивностью контура, зависит от формы контура, его размеров и от наличия вблизи контура ферромагнитных материалов (сердечника).

Для уяснения физического смысла L рассмотрите соотношение (7.1), в которое подставлено значение магнитного потока из формулы (7.2):

_с .                      (7.3)

Таким образом, ЭДС самоиндукции зависит от индуктивности контура L и от скорости изменения в нем силы тока.

Знак минус, обусловленный правилом Ленца, показывает, что наличие индуктивности в контуре приводит к замедлению темпа изменения тока в нем. При возрастании тока в контуре  ЭДС самоиндукции _с , следовательно, ток самоиндукции направлен навстречу току, обусловленному внешним источником, и тормозит его возрастание.

При убывании тока со временем  ЭДС самоиндукции _с . Поэтому ток самоиндукции имеет такое же направление, как и убывающий ток в контуре, и замедляет его убывание. Таким образом, контур, обладающий индуктивностью, приобретает электрическую инертность.

Из уравнения (7.3) следует физический смысл L: индуктивность контура численно равна ЭДС самоиндукции при скорости изменения силы тока в контуре 1 А/с.