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Overview

출처: 용피 첸 박사, 물리학 및 천문학학과, 과학 대학, 퍼듀 대학, 웨스트 라파예트, IN

이 실험은 유도제 코일을 사용하여 인덕터 및 유도의 개념을 보여줍니다. 자기 유도는 코일의 코어에 삽입되거나 추출된 로드 자석을 사용하여 코일내과도 의 과도 전기동기력(emf) 전압을 유도하여 볼트미터에 의해 측정된다. 이 실험은 또한 코일에서 흐르는 전류를 켜거나 끄는 두 코일 간의 상호 유도를 보여 주며 근처의 두 번째 코일에서 emf 전압을 유도할 수 있습니다. 마지막으로, 실험은 코일과 병렬로 연결된 전구를 점등하기 위해 emf를 유도하는 전류 오프를 전환할 때 코일의 자체 유도를 보여줍니다.

Principles

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패라데이의 법칙에 따르면, 변화하는 (시간 의존적) 자기장 B는 전기력(emf) 필드로 알려진 전기장을 유도할 것이다. 자기장이 단일 루프 코일로 변환되는 경우 emf 필드는 코일의 두 끝에 걸쳐 emf 전압 V를 생성합니다.

Equation 1(방정식 1)

루프를 통과하는 자기 플럭스는

Equation 2

여기서 A는 루프의 영역이고 자기장 B가 일반적인 방향을 따라 있는 경우 B는 루프 영역에 수직으로 그 성분으로 교체되어야 하며, ΔΦ/Δt는 그 변화의 속도이다. 수학식 1의 마이너스 기호는 유도된 emf(또는 전압)의 방향을 의미합니다: 항상 B 필드 변경의 반대 방향으로 자체 자기장을 생성하는 코일에서 전류를 생성하여 외부 B 필드의 변화에 반대하려고 합니다. 유도된 자기장의 방향은 적색 손 규칙에 의해 코일에서 전류의 방향과 관련이 있습니다(오른손의 손가락을 현재 방향을 중심으로 감싸고, 전류에 의해 생성된 자기장의 방향으로 엄지점). 예를 들어, 외부 B 필드가 +x 방향을 따라 있는 경우(루프의 영역은 yz 평면에 있음) 시간이 지남에 따라 증가하고, 유도된 emf 및 전류에 의해 생성된 자기장이 -x 방향으로 있을 것이다. 외부 B 필드가 감소하는 경우 유도된 emf 및 전류는 +x 방향으로 자기장을 생성합니다. 이것은 자기 유도의 현상입니다. N 회전의 "솔레노이드" 코일의 경우 각 턴에서 생성된 emf 전압이 총 emf 전압까지 추가됩니다. 자기 유도 중에 코일은 전압을 출력하고 (일부 부하가 연결된 경우) 전류를 출력하는 배터리의 유사체로 생각할 수 있습니다. 본 실험에서, 이러한 현상은 코일을 향해 또는 멀리 이동된 영구자석(도 1)에의해 생성된 자기장 B를 증가 또는 감소시키는 것을 사용하여 입증될 것이다. (2) 코일을 통해 흐르는 전류가 있는 또 다른 코일은 전원 을 끌 거나 끌 수있습니다(그림 2); (3) 내가 흐르는 전류로 코일 자체가 켜지거나 끌 수있습니다(그림 3). (3)의 경우, 유도는 자기 유도라고합니다 (그리고 솔레노이드는 "인덕터"의 예입니다). 두 경우(2) 및 (3)의 경우 모두, 자기 플럭스 또는 자기장(그 변화로 인해 유도가 유도됨)이 현재 I에 비례하기 때문에, 유도된 emf 전압은 전류(ΔI/Δt)의 변화 속도에 비례하며, 비례인자 L은 경우(2) 또는 자기 유도인경우(3)와 같이 상호 인덕션으로 알려져 있다.

Equation 3(방정식 2)

전압 V의 방향은 전술한 바와 유사한 방식으로 결정됩니다: emf V는 전류 I를 생성하려고 시도하고, 원래 자기장 B의 변화에 반대하는 자체 자기장.

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Procedure

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1. 자기 유도

  1. 솔레노이드 코일(중공 코어 있음)과 막대 자석(북극과 남극라벨이 표시되어 있음)을 가져옵니다.
  2. 표시기 바늘로 아날로그 양극성 심미터를 가져옵니다. 바늘은 명목상 으로 0 판독에서 중간 위치에 있으며, 전류 흐름의 방향에 따라 좌우로 편향됩니다(양성 판독은 양단에서 심미터 내부의 음수 단자로 전류가 흐른 것을 의미한다).
  3. 그림 1과같이 솔레노이드의 두 끝을 "+" 및 "−" 측정기의 터미널에 연결합니다. 연결은 클램프 또는 바나나 플러그가 있는 케이블로 악기의 수신 포트에 연결할 수 있습니다.
  4. 로드 자석을 코일에 더 가깝게 가져와 그림 1과같이 북쪽 끝을 코어에 삽입합니다. 암경계를 관찰하고 그 독서의 표시를 기록합니다. 다음에서 수행되는 모든 관측에 대해 항상 읽기의 기호와 대략적인 크기를 모두 기록합니다.
  5. 코일에서 자석을 다시 추출하고, 암미터의 판독값을 관찰한다.
  6. 로드 자석이 코일에서 멀리 떨어져 있는 지금, 뒤집어서 남쪽 끝을 코일에 더 가깝게 이동시다. 남쪽 끝을 코일의 코어에 삽입하고 심미터의 판독값을 관찰합니다.
  7. 다시 코일에서 자석을 추출하고, 암미터에 있는 판독값을 관찰합니다.
  8. 위의 1.6 및 1.7 단계를 반복합니다 (자석의 남극을 삽입하고 추출)하지만 느리고 빠른 속도로 심미터의 판독값을 관찰하고 비교합니다.

Figure 1
그림 1: 코일에서 전류를 유도하기 위해 코일에서 또는 멀리 이동하는 자석을 보여주는 다이어그램(자기 유도).

2. 상호 교제

  1. 두 번째 솔레노이드 코일(코일 #2라고 함)을 얻고 도 2에도시된 바와 같이 첫 번째 코일(코일 #1라고 함)에 가깝게 가져온다. 두 코일은 공통 축을 따라 대략 정렬됩니다.
  2. 그림 2와같이 코일 #2 두 끝을 스위치와 함께 DC 전압 소스에 연결합니다. 코일 #1 여전히 아날로그 암미터에 연결되어 있습니다.
  3. 스위치를 열면 전압 소스를 +2 V로 설정한 다음 스위치를 닫아 전류가 #2 코일에서 흐를 수 있도록 하고 스위치가 켜져 있을 때 코일 #1 연결된 심미터의 판독값을 관찰합니다.
  4. 이제 스위치를 열고 경마계의 판독값을 관찰합니다.
  5. 전압 소스를 -2 V로 설정 (또는 대안으로, 코 #1일에 적용되는 전압 및 전류의 기호를 반전전압 소스의 플러스 및 마이너스 단자에 연결된 두 와이어를 교환), 반복 단계 2.3 (스위치 켜기) 및 2.4 (스위치 끄기), 코일에 연결된 심미터를 관찰#1.
  6. 이제 코일 #2 코일 의 코어에 가능한 한 완전히 #1 삽입하고 위의 단계 2.5를 반복하고 코일 #1 연결된 심미터의 판독값을 관찰합니다.

Figure 2
그림 2: 코일에서 전류를 켜거나 끄는 다이어그램은 다른 근처의 코일(상호 유도)에서 전류를 유도합니다.

3. 자기 유도

  1. 전구를 구형구를 구하고 경마계와 연재하여 연결한 다음, 도 3에도시된 바와 같이 볼트 공급과 병렬로 코일 #2 조합을 연결한다. 볼트 공급의 전압은 1V로 설정됩니다.
  2. 스위치를 닫아 전류가 코일을 통해 흐르도록 합니다. 코일이 전구보다 훨씬 작은 저항성을 가지고 있으며 대부분의 전류가 코일을 통해 흐르기 때문에 전구가 어두워야 합니다.
  3. 스위치를 열어 볼트 공급이 회로의 나머지 부분에서 분리되도록 하고 스위치가 막 열릴 때 전구와 심미터 판독값을 관찰합니다.

Figure 3
그림 3: 코일에서 전류를 튜닝하면 연결된 전구에서 과도 전압과 전류를 유도하는 자가 유도를 입증하는 회로를 보여주는 다이어그램.

인덕터는 일반적으로 코일 의 형태로 많은 회로 응용 프로그램에서 일반적으로 사용됩니다. 그들의 목적은 안정된 상태 전류가 흐를 때 자기 에너지를 저장하는 것입니다.

폐쇄 회로를 형성하는 루프에서 변화하는 자기장은 전류를 구동하는 전기 동기 힘을 유도합니다. 이 현상은 전자기 유도라고합니다. 인덕터는 단순히 와이어의 코일이며 자체 자기장의 변화와 말단의 전압과 관련된 자기 유도의 특성을 가지고 있습니다.

이 비디오는 인덕턴스의 개념을 설명하고 바 자석과 코일을 사용하여 유도 실험을 시연합니다. 마지막으로, 우리는 인덕터에 대한 현재 응용 프로그램 중 일부를 검토 할 것입니다.

자기 플럭스는 영역을 통과하는 자기장의 양으로 생각될 수 있다. 영역 A에 수직으로 균일 한 자기장 B의 경우, 자기 플럭스 피는 단순히 두 가지의 제품입니다. 패라데이의 유도 법칙에 따르면, 와이어 루프에서 변화하는 자기 플럭스는 루프를 따라 전기 동기 힘 또는 EMF를 생성합니다. 이 EMF는 시간이 지남에 따라 자기 플럭스의 변화 속도의 음수와 같습니다.

자기 플럭스의 변화 속도는 유도된 전기동기력의 극성을 결정한다. 패라데이 법칙의 음수 징후는 자기장이 시간에 따라 감소하면 EMF가 긍정적이라는 것을 의미합니다. 시간이 지남에 따라 증가하면 EMF는 음수입니다. 루프가 폐쇄 회로인 경우 유도된 EMF는 전류를 구동하여 자체 자기장을 생성합니다. 이 자기장은 오른손 규칙에 의해 주어진 방향이 있습니다. 오른손의 손가락이 루프의 전류 방향을 중심으로 컬을 하면 오른손의 엄지 손가락이 생성된 자기장의 방향을 가리킵니다. 유도된 전류는 외부 자기장의 변화 속도에 반대하는 자기장을 생성하는 방향으로 흐어야 합니다.

예를 들어 이 자석의 자기장은 단일 와이어 루프를 통해 위쪽으로 가리킵니다. 자석을 루프에서 멀리 이동하면 루프를 통해 자기장 강도가 감소합니다. 아래쪽을 가리키는 벡터로 표현되는 자기 플럭스의 변화는 현재의 반시계 방향으로 구동하는 양성 EMF를 유도한다. 오른손 규칙에 따라 전류는 감소하는 자기장 또는 플럭스를 반대하기 위해 루프 내에서 가리키는 자기장을 만듭니다. 대조적으로, 자석을 루프쪽으로 이동하면 자기장이 증가합니다. 자성 플럭스의 변화는 위쪽을 가리키는 벡터로 표시됩니다. 이 경우 현재 를 시계 방향으로 구동하는 음의 EMF를 유도합니다. 오른손 규칙에 따라 이 방향의 전류는 증가하는 자기장 또는 플럭스를 반대하기 위해 루프 내에서 아래로 가리키는 자기장을 만듭니다.

이제 루프에서 솔레노이드로 이동하여 공기 또는 자기 물질의 코어 주위에 여러 개의 와이어 상처루프를 사용하게 됩니다. 전기 회로에서 일반적으로 사용되는 인덕터입니다. 전류가 솔레노이드를 통해 흐르는 경우 인덕터 내에서 자기장을 생성합니다. 이 자기장의 방향은 오른손 규칙에 의해 제공됩니다. 이 필드는 차례로 필드의 것과 동일한 방향으로 자기 플럭스를 생성하고,이 플럭스의 양은 전류에 비례합니다. 따라서 전류가 시간에 따라 변경되면 자기 플럭스도 마찬가지입니다. 패라데이의 법칙에 따라, 변화하는 플럭스는 유도된 전류의 자기장이 원래 플럭스의 변화에 반대할 수 있도록 코일을 통해 전류를 구동하는 전압을 유도한다. 다양한 전류에 대응하여 자체 단자에 걸쳐 전압 유도 현상을 자체 유도라고 하며, 솔레노이드를 가로지르는 총 유도 전압은 단일 루프의 EMF를 곱한 회전 N의 수입니다.

이제 기본 을 설명했습니다, 물리학 실험실에서 전자기 유도를 공부하는 방법을 보자.

다음의 모든 실험은 전류 흐름의 방향에 따라 0점의 오른쪽 또는 왼쪽으로 편향되는 바늘을 가지고 있는 아날로그 양극성 심미터를 사용합니다.

첫째, 중공 코어, 북극과 남극으로 명확하게 표시된 막대 자석, 아날로그 양극성 심미터가 있는 솔레노이드를 획득한다. 그런 다음 솔레노이드를 암미터에 연결합니다. 첫 번째 시험의 경우, 심미터의 음의 단말에 연결된 솔레노이드의 끝에 자석의 북극을 삽입한다. 심계를 관찰하고 바늘의 편향의 극성과 대략적인 크기를 기록합니다. 자석을 솔레노이드에서 꺼내 서 극성 및 심미터 바늘의 편향의 대략적인 크기를 기록합니다.

이제 자석을 돌리고 자궁경마계의 음극에 연결된 솔레노이드 의 끝에서 남극을 삽입하고 제거합니다. 자석의 남극을 코일에 삽입한 다음 첫 번째 시험보다 더 느리게 제거하여 이 실험을 반복하십시오. 북극이 근처에서 이동하고 솔레노이드에 들어가면, 그것은 암미터의 순간적인 긍정적 편향을 일으키는 전류를 유도한다. 북극이 솔레노이드에서 제거되면 편향은 음수입니다. 자석의 방향을 반전하면 암미터 응답이 역전됩니다.

마지막으로 이동 속도는 시간이 지남에 따라 자기장의 변화에 영향을 미치며, 이는 유도된 전압과 전류를 결정합니다. 느린 움직임은 전류가 적고 판독값이 작아지며, 더 빠른 움직임은 더 많은 전류와 더 큰 판독을 유도합니다.

자체 유도 실험의 경우 전구, 인덕터 코일, 양수 1볼트로 설정된 전압 공급, 스위치 및 아날로그 심미터를 도시된 대로 연결합니다. 스위치가 열리면 회로를 조립하여 전류가 흐르지 않도록 합니다.

스위치를 닫아 전압 소스를 전구와 인덕터 코일에 연결합니다. 어둡게 불이 켜진 것처럼 보이는 전구를 관찰합니다. 스위치를 열어 회로에서 전압 공급을 분리합니다. 스위치가 열리는 순간에 전구와 암미터를 관찰한 다음 결과를 기록합니다. 전구가 짧게 밝아지고 암미터는 동시에 긍정적 인 판독을 보여줍니다. 이것은 자기 유도로 인해 발생하며 이 짧은 기간 동안 여러 이벤트가 발생합니다.

처음에 스위치가 닫히면 코일과 전구를 통해 전류가 흐르지만 코일이 전구에 비해 전구에 비해 코일을 통해 훨씬 더 많은 전류가 흐릅니다. 스위치를 열면 전압 소스가 분리됩니다. 이로 인해 인덕터를 통해 전류가 줄어듭니다.

인덕터를 통해 이러한 전류가 변경되면 자기 플럭스가 변경되어 원래 전류와 동일한 방향으로 흐르면서 감소를 반대하는 과도 전류를 유도합니다. 두 가지의 조합 - 원본과 과도 전류 - 지금 전구를 통해 흐르는 것을 잠시 조명 총 인덕터 전류를 산출하고 동시에 양수 전류를 나타내는 심계에 편향을 야기한다.

전자기 유도는 현대 장치에 많은 응용 프로그램을 가지고 있으며, 물리적 접촉없이 에너지와 정보를 전송하는 기본적인 방법입니다.

유도는 변압기라는 장치의 작동 뒤에 핵심 원리입니다. 변압기에는 1차 권선 또는 코일에 연결된 입력 단자 쌍과 보조 권선에 연결된 출력 단자가 있습니다. 강철, 페릿 또는 단순히 공기로 구성된 코어는 두 권악기를 자석으로 결합합니다. 한 권선에 걸쳐 전압은 전류가 그것을 통해 흐르고 자기장을 만듭니다. 자기플럭스 또는 자기장의 밀도는 코어를 통과하는 보조 권선에 결합되어 전압을 유도합니다. 이 원리를 상호 유도라고 합니다.

인덕터의 또 다른 응용 분야는 단순성, 견고성 및 신뢰성으로 인해 현대 산업의 주력인 AC 유도 모터입니다. 유도 모터에는 두 개의 주요 부품만 있습니다. 첫 번째는 캐비티 주변의 고정 코일로 구성된 고정 된 부분인 stator라고합니다. 캐비티에 매달린 로터는 바의 원통형 배열을 캡핑하는 엔드 링 한 쌍입니다. 3상 AC 유도 모터는 3상 전력을 사용하며, 각 단계는 별도의 고정관 코일에 연결됩니다. 코일은 공급된 전력의 각 단계에 대해 하나의 자기장을 생성하는 패턴으로 배열됩니다. "스테이터 자기장"이라고 불리는 결과 그물 자기장은 일정한 속도로 회전합니다.

회전하는 자기 플럭스는 변압기가 기본 코일에서 보조 코일로 전력을 전달하는 방식과 유사하게 로터내의 전류를 유도합니다. 로터의 막대를 통해 전류는 차례로 "유도 로터 자기장"이라고 불리는 자체 자기장을 만듭니다. 이 두 필드 간의 상호 작용은 로터에 힘을 생성하여 주위의 자석을 따르는 철 막대와 같이 고정자 자기장을 따릅니다.

당신은 전자기 유도에 JoVE의 소개를 보았다. 이제 자기장이 변화하는 시간이 어떻게 도체에서 전기동기력을 유도하는지, 그리고 결과 전류가 자체 자기장을 생성하는 방법을 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다!

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Results

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섹션 1 과 2 (그림 1 과 2의설정)에 대한 심미터 판독값에서 관찰 될 수있는 것에 대한 대표적인 결과는 아래 표 1과 2에 요약됩니다.

절차 단계 로드 자석의 방향 자석의 움직임 암경계에서 읽기
1.4 남북(북측은 도 1과같이 낚싯대 오른쪽 끝에 있다) 코일로 이동(왼쪽 끝) 플러스
1.5 남북 코일에서 멀어지다 마이너스
1.6 남북 코일로 이동 마이너스
1.7 남북 코일에서 멀어지다 플러스

표 1: 섹션 1의 대표 결과. 1.8 단계의 경우, 더 빠른 동작 속도가 심미터에서 더 큰 판독(더 큰 바늘 편향)을 제공한다는 것을 관찰한다.

절차 단계 볼트 공급 설정 전환 작업 암경계에서 읽기
2.3 +2 V 켜기 플러스
2.4 +2 V 해제 마이너스
2.5 -2 V 켜기 마이너스
2.5 -2 V 해제 플러스

표 2: 섹션 2의 대표 결과. 2.6단계의 경우 코일 내부에 코 #1일을 #2 배치하면 각 해당 스위치 동작에 대해 2.5 단계와 비교하여 심미터에서 더 큰 판독(판독 징후가 동일하게 유지되는 동안)을 제공합니다.

섹션 3의 경우, 처음에 볼트 공급(+1 V)으로 인한 전류가 코일에서 오른쪽에서 왼쪽으로 흐르는 경우, 전원을 끄면(스위치 열기)이 동일한 방향을 따라 과도 전류를 유도합니다. 전구가 짧게 켜지고, 암미터는 그림 3에주어진 연결에 대한 긍정적 인 판독값을 등록합니다.

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Applications and Summary

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본 실험에서, 우리는 자기장을 변경하는 방법 (자석을 이동하여) 코일에 전류를 유도하고, 또한 코일의 전류를 변경하는 것이 다른 코일 (상호 유도)에서 전류를 유도하는 방법을 보여 주었다. 우리는 또한 코일에서 전류를 변경하면 동일한 코일 (자체 유도)에서 전압과 전류를 유도한다는 것을 입증했습니다.

인덕터(일반적으로 코일 의 형태로)는 정상 상태 전류가 흐를 때 자기 에너지를 저장하는 등 많은 회로 응용 분야에서 일반적으로 사용됩니다. 전기 신호 처리에 유용합니다. 예를 들어, 전기 신호의 유도체 또는 일체성, 필터링 및 공진 회로를 복용합니다. 또한 변압기에 사용되어 AC 신호의 전압을 변경합니다.

실험의 저자는 게리 허드슨의 재료 준비에 대한 도움을 인정하고 비디오의 단계를 시연하기위한 Chuanhsun 리.

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Transcript

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