电感

Physics II

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Overview

资料来源: 陈博士体育永,物理系 & 天文学、 科技大学、 普渡大学、 西拉斐特,在

本实验将使用感应线圈演示电感和电感的概念。磁感应强度将演示使用杆磁铁插入或提取从线圈诱使一个电动势 (emf) 电压线圈,用电压表测量中的核心。本实验还将演示在哪里打开或关闭在一个线圈中流动的电流可以诱导在附近的第二个线圈电动势电压的两个线圈之间的互感。最后,实验将证明一个线圈的自感,当开关电流诱导 emf 来与线圈并联的灯泡点亮。

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JoVE Science Education Database. 物理学精要 II. 电感. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

Principles

根据法拉第定律 (时间依赖型) 的磁场变化 B 会诱使电场,称为电动势 (emf) 字段。如果横向到单回路线圈在磁场中,电势场将穿过线圈的两端生成 emf 电压 V:

Equation 1(方程 1)

在循环中的磁通量是,

Equation 2

其中 A 是环,面积,如果磁场 B 是沿一般方向,B 必须替换其组件垂直于环,和 ΔΦ/δ t 区是其变化率。方程 1中的减号表示感应电动势 (或电压) 方向: 它总是试图反对外部 B 场的变化由产生其自身磁场方向相反的改变B 场的线圈中产生电流。红色的手法治 (换行电流产生的右手握住电流方向、 磁场的方向,拇指尖手指) 线圈中电流的方向与有关感应磁场的方向。例如,如果 B 外场是沿 + x 方向 (环面积是在 yz 平面) 越来越是随着时间的推移,那么产生的感应的电动势和电流的磁场会在-x 方向;如果减小了外部 B 场,感应的电动势和电流会产生磁场在 + x 方向。这是电磁感应的现象。"电磁"线圈匝数 N,由每转一圈产生的电动势电压将添加到总电势电压。在磁感应强度,线圈可以被认为是一个电池,将输出电压和 (如果某些负载相连) 模拟电流。在这个实验中,这种现象将演示使用增加或减少磁场 B 产生的: (1) 永久磁铁移动朝向或远离线圈 (图 1);(2) 另一个线圈的电流我流过线圈,在那里我可以切换或关闭 (图 2);(3) 线圈本身的电流流经的我,在那里我可以切换或关闭 (图 3)。(3) 在诱导称为自感 (和电磁阀为例,"感应器")。例 (2) 和 (3),由于磁通或磁场 (其变化导致感应) 是成正比的电流,感应的电动势电压是比例因子 L 称为个案 (2) mutual inductance 或个案 (3) 自感电流 (轮周/δ t) 的变化率成正比分别:

Equation 3(公式 2)

以类似的方式确定电压 V 方向,如上文所述: emf V 会尝试我,和它自己反对原磁场 B.中的变化的磁场产生电流

Procedure

1.磁感应强度

  1. 获得 (与空心的核心) 的电磁线圈和棒磁铁 (与标记其北极和南极)。
  2. 指示器针获得模拟的双极电流表。针在中间位置零读时,名义上是和会向右或左根据当前流 (积极阅读意味着从向正极和负极里面电流表电流) 的方向偏转。
  3. 连接到电磁的两端"+"和"−"终端的电流表,如图 1所示。可以用夹用电缆连接或香蕉插头到接收端口的文书。
  4. 带杆磁铁靠近线圈和插入它的核心,其北端,如图 1所示。观察电流表并记录其阅读的标志。所有观察值在以下进行,总是记录的标志和阅读的近似大小。
  5. 提取出线圈,磁铁和观察安培计的读数。
  6. 杆磁铁远离线圈,将其翻转过来,现在将更接近南端移动到线圈。南末端插入的线圈,核心和观察安培计的读数。
  7. 再次,提取出线圈磁铁和观察安培计的读数。
  8. 再次重复步骤 1.6 和 1.7 以上 (插入和提取的磁铁的南极),但与速度较慢,然后更快的速度,观察和比较上安培计的读数。

Figure 1
图 1:显示移动朝客场从线圈诱导电流线圈 (磁感应强度) 磁铁的图示。

2.互感

  1. 获取第二电磁线圈 (称为线圈 #2),并使它接近第一个线圈 (称为线圈 #1),如图 2所示。两个线圈近似地沿一个共同的轴对齐。
  2. 连接两端的线圈 #2 到直流电压源与一个开关,如图 2所示。#1 线圈仍连接到模拟电流表。
  3. 与开关打开,将电压源设置为 + V 2、 关闭切换到允许电流的电流线圈 #2 中,然后观察时的开关打开连接到线圈 #1 安培计的读数。
  4. 现在打开开关,并观察安培计的读数。
  5. 设置电压源到 − 2 V (或者,两根电线连接到加号和减号终端电压源的电压和电流的符号应用于线圈 #1 取反的交换),重复步骤 2.3 (开关) 和 2.4 (关闭),并观察电流表接有线圈 #1。
  6. 现在插入线圈 #2 成的核心尽可能充分线圈 #1,重复上面的步骤 2.5,并观察安培计的读数接有线圈 #1。

Figure 2
图 2:图表显示,电流开关打开或关闭在一个线圈中会引起电流线圈 (相互感应) 附近的另一个。

3.自感

  1. 获取一个灯泡和连接它在系列与电流表,然后连接组合到线圈 #2 在平行与伏供电,如图 3所示。伏电源上的电压设置为 1 V。
  2. 关闭开关,让电流通过线圈。发光的灯泡应该是电流的暗淡,因为所述线圈具有更小的阻力比灯泡,和大部分会流过线圈。
  3. 打开开关,伏电源断开其余的电路,并观察灯泡和电流表阅读只是打开开关时。

Figure 3
图 3:图显示电路显示自感,哪里断线圈中的电流整定诱导的瞬态电压和电流在一个灯泡连接到它。

电感器 — — 通常在形式的线圈 — — 常用在许多电路应用。他们的目的是存储时稳态电流的磁场能量。

在形成闭路循环,不断变化的磁场诱导驱动器当前的电动势。这种现象称为电磁感应现象。电感是简单的线圈和它具有的自感系数,涉及电压两端与在它自己的磁场变化的属性。

此视频将说明电感背后的概念,然后演示使用栏诱导实验磁铁和线圈。最后,我们将回顾一些电感器的当前应用程序。

磁通可能被认为是磁场通过区的量。对于均匀磁场 B 垂直于 A 区,磁通 φ 是简单的两个产品。根据法拉第电磁感应定律,一圈电线变化的磁通电动势或生成 EMF,沿循环。此 EMF 是变化的磁通的等于,负随时间率。

磁通的变化率的确定感应电动势的极性。法拉第定律表达式中的负号的意思,如果磁场随时间,EMF 是正面的。如果它随时间增大,EMF 是负面的。当循环是闭合回路,诱导的 EMF 驱动器当前,反过来生成它自己的磁场。这个磁场具有方向由右手定则。如果右手的手指卷曲在回路电流的方向,然后右手拇指将指向生成的磁场的方向。诱导电流必须在创建反对外部磁场的变化率的磁场的方向。

例如,从这磁铁磁场指向上方通过单回路的电线。移动从循环磁铁可降低在循环中的磁场强度。在磁通-由向量指向变化下行-诱使驱动器当前所示的逆时针方向积极 EMF。由右手定则,电流会产生磁场,内循环来反对降低磁场或通点。与此相反的是,移动向循环磁铁可增加那里磁场。由向量指向向上表示磁通的变化。在这种情况下,它诱使驱动器当前按顺时针方向负电势。由右手定则,当前在这个方向会产生磁场,内循环来反对增加磁场或助焊剂点下来。

现在让我们继续前进从循环到电磁阀,这是只是多个回路的电线缠绕的空气或磁性材料的核心。它是一个常用的电感电路中。如果电流流经一个螺线管,它会创建一个磁场感应器内。这个磁场的方向是由右手定则给出了。此字段反过来又产生磁通方向相同的领域和的此磁通量是成正比的电流。因此,如果电流随时间变化,那么磁通。法拉第定律之后, 变化磁通诱导这样感应电流的磁场反对对原磁通的变化驱动电流通过线圈的电压。跨不同电流响应其自身终端电压感应的这种现象称为自感,和电磁阀的总感应的电压是轮 N,乘以电磁场的单回路的数量。

现在,我们已经解释过了基础知识,让我们看看如何研究电磁感应现象中的物理实验室。

所有以下实验使用模拟的双极电流表,有一种针,向右或左零的点,根据电流的方向偏转。

第一,获得电磁空心、 清楚地标记北和南磁极棒磁铁与模拟双极型电流表。然后连接到安培计的电磁阀。第一次审判中,将插入到电磁阀连接到安培计的负面终端年底的磁体的北极。观察电流表和记录的极性和针的挠度近似程度。拉出螺线管磁体和记录的极性和电流表针挠度近似程度。

现在转身磁铁和插入和删除南极从电磁阀连接到安培计的负面终端的末尾。重复这项实验由南极的磁铁插入线圈,然后删除它第一次更慢,然后更快比在第一次审判。当北极移近,并进入电磁阀时,它诱使导致短暂的积极偏折的安培计的电流。当北极从电磁阀时,挠度是负面的。扭转的磁铁方向也反转电流表反应。

最后,移动速度的影响随时间,确定的感应的电压和电流磁场的变化。运动产生的电流越小和更小的阅读能力,和更快的运动诱导更多的电流和较大的阅读的速度缓慢。

自感系数实验中,连接一个灯泡,电感线圈,设置在正面一伏特、 交换机和模拟电流表,如图所示的电压供应。组装的电路开关打开所以没有电流流动。

关闭开关连接到灯泡和电感线圈的电压源。观察了灯泡,似乎昏暗。打开开关断开电路的电源电压。在开关打开的时刻观察灯泡和电流表然后记录结果。发光的灯泡照亮简要和电流表显示积极的阅读,在同一时间。发生这种情况由于自感和几个事件在这短暂的时间内发生。

最初,当开关闭合,电流流过线圈和灯泡,但更多电流通过线圈相比,灯泡,自线圈较低阻力比灯泡。打开开关断开电压源。这将导致电流通过电感减小。

这个变化的电流通过电感引起它的磁通,反过来导致反对减少由原有的电流作为同一方向流动的瞬态电流的变化。两-组合原件及暂态电流 — — 收益率总电感电流,而现在流经灯泡和简要,照亮和在同一时间原因挠度在电流表指示正向电流。

电磁感应法在现代设备中,有很多应用和是一种转移能量、 无身体接触的信息的基本方法。

归纳法是背后运作设备称为变压器的核心原则。变压器有输入端子连接到初级绕组双-或线圈-和一双输出端子连接到次级绕组。组成的钢、 铁素体或甚至只是空气,核心磁夫妇两个绕组。跨一个绕组的电压使电流流经它,创建一个磁场。磁通量或密度的磁场,然后被耦合到通过核心,在那里它产生一个电压的二次绕组。这一原则被称为相互感应。

电感器的另一个应用是交流感应电机,有的主力,由于他们的简单性,耐用性和可靠性的现代工业。异步电动机有只有两个主要部分。第一是固定部分,称为定子,组成的固定线圈周围的腔。在腔内暂停是转子端环上限酒吧圆柱安排一对。三相交流异步电动机使用三相电源,与连接到它自己,单独的一组定子线圈,每个阶段。线圈被排列的一种模式,每个阶段提供的电源产生一个磁场。由此产生的净磁场,称为"定子磁场"与恒速旋转。

旋转磁场产生电流在转子,类似于变压器的初级线圈权力转移辅助的方式。通过酒吧的转子电流反过来创建其自己的磁场,称为"诱发的转子磁场"。这两个领域之间的相互作用产生力对转子,导致它跟随定子磁场,像一根铁条之后的磁铁周围。

你刚看了电磁感应的朱庇特的简介。现在,您应该了解如何时间不同磁场诱导导体电动势及如何产生的电流会产生它自己的磁场。谢谢观赏 !

Results

表 1 和表 2下面总结了代表结果对于什么可能观察电流表阅读部分 1 和 2 (设置在图 1 和图 2)。

过程步骤 取向的杆磁铁 运动的磁铁 在电表上阅读
1.4 南水北调 (北是在右端的杆,如图 1所示) 朝着线圈 (左端) 积极
1.5 南水北调 移动远离线圈 负面
1.6 南北 朝着线圈 负面
1.7 南北 移动远离线圈 积极

表 1:第一部分的代表结果。对于步骤 1.8,观察运动更快的速度给出了一个更大的安培计读数 (大针偏转)。

过程步骤 Volt 提供设置 开关行动 在电表上阅读
2.3 + 2 V 拐弯处 积极
2.4 + 2 V 关闭 负面
2.5 − 2 V 拐弯处 负面
2.5 − 2 V 关闭 积极

表 2:部分 2 代表结果。2.6 的一步,观察在放置线圈 #2 #1 线圈给了一个更大的阅读,(虽然读的迹象保持不变) 中对电表相比步 2.5 每个相应的开关操作。

为 3 节,如果最初由于伏供电 (+ V 1) 电流从右到左的线圈,把它关掉 (开关) 将诱导暂态电流沿同一方向。发光的灯泡将简要,点亮和安培计将注册为连接图 3给出了积极的阅读。

Applications and Summary

在这个实验中,我们证明了如何变化 (通过移动的磁铁) 的磁场感应出电流线圈,以及如何改变线圈中的电流的电流在另一个线圈 (相互感应)。我们还演示了改变线圈中的电流的诱使电压、 电流的相同的线圈 (自感)。

电感器 (通常以线圈的形式) 通常用于在许多电路应用中,如存储时稳态电流的磁场能量。它们被用于电气信号处理;例如,考虑导数或积分的电气信号,滤波,和谐振电路。他们也用于变压器来改变电压的交流信号。

实验的作者承认援助的加里 · 哈德逊的材料制备和 Chuanhsun 李演示视频中的步骤。

1.磁感应强度

  1. 获得 (与空心的核心) 的电磁线圈和棒磁铁 (与标记其北极和南极)。
  2. 指示器针获得模拟的双极电流表。针在中间位置零读时,名义上是和会向右或左根据当前流 (积极阅读意味着从向正极和负极里面电流表电流) 的方向偏转。
  3. 连接到电磁的两端"+"和"−"终端的电流表,如图 1所示。可以用夹用电缆连接或香蕉插头到接收端口的文书。
  4. 带杆磁铁靠近线圈和插入它的核心,其北端,如图 1所示。观察电流表并记录其阅读的标志。所有观察值在以下进行,总是记录的标志和阅读的近似大小。
  5. 提取出线圈,磁铁和观察安培计的读数。
  6. 杆磁铁远离线圈,将其翻转过来,现在将更接近南端移动到线圈。南末端插入的线圈,核心和观察安培计的读数。
  7. 再次,提取出线圈磁铁和观察安培计的读数。
  8. 再次重复步骤 1.6 和 1.7 以上 (插入和提取的磁铁的南极),但与速度较慢,然后更快的速度,观察和比较上安培计的读数。

Figure 1
图 1:显示移动朝客场从线圈诱导电流线圈 (磁感应强度) 磁铁的图示。

2.互感

  1. 获取第二电磁线圈 (称为线圈 #2),并使它接近第一个线圈 (称为线圈 #1),如图 2所示。两个线圈近似地沿一个共同的轴对齐。
  2. 连接两端的线圈 #2 到直流电压源与一个开关,如图 2所示。#1 线圈仍连接到模拟电流表。
  3. 与开关打开,将电压源设置为 + V 2、 关闭切换到允许电流的电流线圈 #2 中,然后观察时的开关打开连接到线圈 #1 安培计的读数。
  4. 现在打开开关,并观察安培计的读数。
  5. 设置电压源到 − 2 V (或者,两根电线连接到加号和减号终端电压源的电压和电流的符号应用于线圈 #1 取反的交换),重复步骤 2.3 (开关) 和 2.4 (关闭),并观察电流表接有线圈 #1。
  6. 现在插入线圈 #2 成的核心尽可能充分线圈 #1,重复上面的步骤 2.5,并观察安培计的读数接有线圈 #1。

Figure 2
图 2:图表显示,电流开关打开或关闭在一个线圈中会引起电流线圈 (相互感应) 附近的另一个。

3.自感

  1. 获取一个灯泡和连接它在系列与电流表,然后连接组合到线圈 #2 在平行与伏供电,如图 3所示。伏电源上的电压设置为 1 V。
  2. 关闭开关,让电流通过线圈。发光的灯泡应该是电流的暗淡,因为所述线圈具有更小的阻力比灯泡,和大部分会流过线圈。
  3. 打开开关,伏电源断开其余的电路,并观察灯泡和电流表阅读只是打开开关时。

Figure 3
图 3:图显示电路显示自感,哪里断线圈中的电流整定诱导的瞬态电压和电流在一个灯泡连接到它。

电感器 — — 通常在形式的线圈 — — 常用在许多电路应用。他们的目的是存储时稳态电流的磁场能量。

在形成闭路循环,不断变化的磁场诱导驱动器当前的电动势。这种现象称为电磁感应现象。电感是简单的线圈和它具有的自感系数,涉及电压两端与在它自己的磁场变化的属性。

此视频将说明电感背后的概念,然后演示使用栏诱导实验磁铁和线圈。最后,我们将回顾一些电感器的当前应用程序。

磁通可能被认为是磁场通过区的量。对于均匀磁场 B 垂直于 A 区,磁通 φ 是简单的两个产品。根据法拉第电磁感应定律,一圈电线变化的磁通电动势或生成 EMF,沿循环。此 EMF 是变化的磁通的等于,负随时间率。

磁通的变化率的确定感应电动势的极性。法拉第定律表达式中的负号的意思,如果磁场随时间,EMF 是正面的。如果它随时间增大,EMF 是负面的。当循环是闭合回路,诱导的 EMF 驱动器当前,反过来生成它自己的磁场。这个磁场具有方向由右手定则。如果右手的手指卷曲在回路电流的方向,然后右手拇指将指向生成的磁场的方向。诱导电流必须在创建反对外部磁场的变化率的磁场的方向。

例如,从这磁铁磁场指向上方通过单回路的电线。移动从循环磁铁可降低在循环中的磁场强度。在磁通-由向量指向变化下行-诱使驱动器当前所示的逆时针方向积极 EMF。由右手定则,电流会产生磁场,内循环来反对降低磁场或通点。与此相反的是,移动向循环磁铁可增加那里磁场。由向量指向向上表示磁通的变化。在这种情况下,它诱使驱动器当前按顺时针方向负电势。由右手定则,当前在这个方向会产生磁场,内循环来反对增加磁场或助焊剂点下来。

现在让我们继续前进从循环到电磁阀,这是只是多个回路的电线缠绕的空气或磁性材料的核心。它是一个常用的电感电路中。如果电流流经一个螺线管,它会创建一个磁场感应器内。这个磁场的方向是由右手定则给出了。此字段反过来又产生磁通方向相同的领域和的此磁通量是成正比的电流。因此,如果电流随时间变化,那么磁通。法拉第定律之后, 变化磁通诱导这样感应电流的磁场反对对原磁通的变化驱动电流通过线圈的电压。跨不同电流响应其自身终端电压感应的这种现象称为自感,和电磁阀的总感应的电压是轮 N,乘以电磁场的单回路的数量。

现在,我们已经解释过了基础知识,让我们看看如何研究电磁感应现象中的物理实验室。

所有以下实验使用模拟的双极电流表,有一种针,向右或左零的点,根据电流的方向偏转。

第一,获得电磁空心、 清楚地标记北和南磁极棒磁铁与模拟双极型电流表。然后连接到安培计的电磁阀。第一次审判中,将插入到电磁阀连接到安培计的负面终端年底的磁体的北极。观察电流表和记录的极性和针的挠度近似程度。拉出螺线管磁体和记录的极性和电流表针挠度近似程度。

现在转身磁铁和插入和删除南极从电磁阀连接到安培计的负面终端的末尾。重复这项实验由南极的磁铁插入线圈,然后删除它第一次更慢,然后更快比在第一次审判。当北极移近,并进入电磁阀时,它诱使导致短暂的积极偏折的安培计的电流。当北极从电磁阀时,挠度是负面的。扭转的磁铁方向也反转电流表反应。

最后,移动速度的影响随时间,确定的感应的电压和电流磁场的变化。运动产生的电流越小和更小的阅读能力,和更快的运动诱导更多的电流和较大的阅读的速度缓慢。

自感系数实验中,连接一个灯泡,电感线圈,设置在正面一伏特、 交换机和模拟电流表,如图所示的电压供应。组装的电路开关打开所以没有电流流动。

关闭开关连接到灯泡和电感线圈的电压源。观察了灯泡,似乎昏暗。打开开关断开电路的电源电压。在开关打开的时刻观察灯泡和电流表然后记录结果。发光的灯泡照亮简要和电流表显示积极的阅读,在同一时间。发生这种情况由于自感和几个事件在这短暂的时间内发生。

最初,当开关闭合,电流流过线圈和灯泡,但更多电流通过线圈相比,灯泡,自线圈较低阻力比灯泡。打开开关断开电压源。这将导致电流通过电感减小。

这个变化的电流通过电感引起它的磁通,反过来导致反对减少由原有的电流作为同一方向流动的瞬态电流的变化。两-组合原件及暂态电流 — — 收益率总电感电流,而现在流经灯泡和简要,照亮和在同一时间原因挠度在电流表指示正向电流。

电磁感应法在现代设备中,有很多应用和是一种转移能量、 无身体接触的信息的基本方法。

归纳法是背后运作设备称为变压器的核心原则。变压器有输入端子连接到初级绕组双-或线圈-和一双输出端子连接到次级绕组。组成的钢、 铁素体或甚至只是空气,核心磁夫妇两个绕组。跨一个绕组的电压使电流流经它,创建一个磁场。磁通量或密度的磁场,然后被耦合到通过核心,在那里它产生一个电压的二次绕组。这一原则被称为相互感应。

电感器的另一个应用是交流感应电机,有的主力,由于他们的简单性,耐用性和可靠性的现代工业。异步电动机有只有两个主要部分。第一是固定部分,称为定子,组成的固定线圈周围的腔。在腔内暂停是转子端环上限酒吧圆柱安排一对。三相交流异步电动机使用三相电源,与连接到它自己,单独的一组定子线圈,每个阶段。线圈被排列的一种模式,每个阶段提供的电源产生一个磁场。由此产生的净磁场,称为"定子磁场"与恒速旋转。

旋转磁场产生电流在转子,类似于变压器的初级线圈权力转移辅助的方式。通过酒吧的转子电流反过来创建其自己的磁场,称为"诱发的转子磁场"。这两个领域之间的相互作用产生力对转子,导致它跟随定子磁场,像一根铁条之后的磁铁周围。

你刚看了电磁感应的朱庇特的简介。现在,您应该了解如何时间不同磁场诱导导体电动势及如何产生的电流会产生它自己的磁场。谢谢观赏 !

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