Demonstrációs fizika labor

7.39. Bekapcsolási és kikapcsolási jelenség bemutatása induktív tagot tartalmazó áramkörben

a) A bekapcsolási jelenség demonstrálása párhuzamosan kapcsolt ohmos, ill. induktív tagot tartalmazó ágak zsebizzóinak megfigyelésével

A kísérlet célja

Bekapcsolási jelenségek bemutatása induktív tagot tartalmazó áramkörben.

Szükséges anyagok, eszközök

  • 105 ohmos tolóellenállás
  • Vasmagos tekercs (N = 1200, illetve két 600 menetes)
  • Zseblámpa izzók
  • Morse-kapcsoló
  • Zsebtelep
  • Kábelek

Leírás

Az induktivitást tartalmazó áramkörben az áram a feszültségforrás bekapcsolása után késéssel éri el stacionárius értékét. A jelenség bemutatására alkalmas összeállítást és kapcsolást az ábra mutatja.


7.39a.PNG

Célszerű adatok: U0 = 4,5 V (zsebelem) 'A' és 'B' egy-egy 2,5 V, 0,3 A névleges értékű zseblámpaizzó, L egy 1200 menetes (kb. R = 18 Ω ellenállású) tekercs zárt vasmagon, R0 = 105 ohmos tolóellenállás.  Zárjuk az áramkört, és várjuk meg míg mindkét lámpa felgyullad. Szabályozzuk be a tolóellenállást úgy, hogy az „A” lámpa ugyanolyan fényesen világítson, mint a „B”!

Feladat

  • Nyomjuk le a K kapcsolót! Az 'A' lámpa azonnal felizzik, a 'B' lámpa csak késéssel veszi fel az állandó áramerősséget.
  • Vegyük le a záróvasat, és így ismételjük meg a kísérletet! A 'B' lámpa "késése" alig vehető észre.
  • EXTRA FELADAT: Cseréljük ki az 1200 menetes tekercset -közös vasmagra húzott- két sorba kötött 600 menetesre. Ha a tekercseket azonos csévélési irányban sikerült sorba kötni, akkor (a kapcsolót lenyomva) az áram késése jól látható. Ha a tekercseket ellentétes polaritással kötjük sorba, akkor mágneses terük lerontja egymást, nincs fluxusváltozás, nincs (késleltető) indukciós feszültség. (Ez egy modell-kísérlet az önindukció-mentes bifiláris tekercselésre.) Az alábbi ábrán a párhuzamos kapcsolás csomópontjainak egy lehetséges megvalósítását kinagyítva is mutatják.


7.39b.PNG

Módszertani kiegészítések

  • A kísérlet sikere érdekében a kapcsolási elemek paramétereit össze kell hangolni. Ezért az itt ajánlott értékektől esetenként el kell térni. Valószínű, hogy konkrét esetben a két 600 menetes tekercs ohmos ellenállásának összege jóval kisebb, mint egyetlen 1200 menetesé. Ekkor a 4,5 V hatására az ajánlott paraméterű 'B' izzó túl erős fénnyel világít, és az áramkésés a szem számára nem lesz jól követhető. A jelenség akkor látható jól, ha az izzók -stacionárius állapotukban- csak kis fényerővel világítanak. Az optimális áramerősség beállítására szabályozható áramforrást használhatnánk, vagy a főágba újabb (változtatható) ellenállást iktathatnánk, de ez csak bonyolítaná az amúgy sem egyszerű összeállítást.
  • Az ohmikus ellenállás után az első komolyabb absztrakciós lépés az áram erősségét befolyásoló áramköri elemek közül a tekercs induktív ellenállása. Az induktív ellenállást természetesen magyarázhatjuk a Faraday-féle indukciós és a Lenz-féle törvénnyel, ám tényleges hatását érdemes kísérletekkel szemléltetni is.

b) A kikapcsolási jelenség demonstrálása vasmagos tekerccsel párhuzamosan kapcsolt glimmlámpa felvillanásával (FIGYELEM: A kísérlet veszélyes lehet!) felkialtojel.png

A kísérlet célja

A változó mágneses fluxus hatására létrejött indukció egyszerűen demonstrálható az alábbi kísérletben, melynek különlegessége, hogy 4,5 V egyenfeszültséget használva, akár több száz volt feszültséget is létrehozhatunk!

Szükséges eszközök

  • 4,5 V feszültségű zsebtelep (laposelem)
  • Vasmagos tekercs (600 menetes)
  • Kapcsoló, Glimmlámpa, Kábelek

Leírás

Állítsuk össze az ábrán és kapcsolási rajzon látható áramkört! U= 4,5 V (zsebelem), 600 menetes tekercs L zárt vasmagon, G ún. "kosaras", 110V-ra méretezett glimmlámpa (ködfénylámpa). Nyomjuk le a kapcsolót! A glimmlámpa nem "ég", hiszen a telep 4,5V feszültsége jóval a glimm gyújtófeszültsége (kb. 80 V) alatt van. Kis várakozás után - amikor a stacionárius állapot már beállt- szakítsuk meg hirtelen az áramkört! A glimmlámpa - az áramerősség gyors csökkenése miatt indukálódó (a gyújtófeszültséget meghaladó) önindukciós feszültség hatására felvillan.


7.39c.PNG

Figyelem!

Mivel a kikapcsoláskor keletkezett feszültség nagy lehet – még ha áramerőssége kicsi is – megcsípheti a figyelmetlen demonstrátort. A keletkezett áram „csípés” inkább csak ijedtséget okozhat, de abból is lehetnek balesetek!

Módszertani kiegészítések

  • Azt, hogy a glimmlámpa gyújtófeszültsége mekkora, megmérhetnénk a 230 Voltos hálózat segítségével. Érintésvédelmi okból azonban elégedjünk meg annyival, hogy a glimmlámpát az iskolai tápegység 24V-os kimenetére kötve, bemutatjuk, hogy a gyújtófeszültség 24V-nál nagyobb.

 


7.39. Bekapcsolási és kikapcsolási jelenség bemutatása induktív tagot tartalmazó áramkörben

a) A bekapcsolási jelenség demonstrálása párhuzamosan kapcsolt ohmos, ill. induktív tagot tartalmazó ágak zsebizzóinak megfigyelésével

A kísérlet célja

Bekapcsolási jelenségek bemutatása induktív tagot tartalmazó áramkörben.

Szükséges anyagok, eszközök

  • 105 ohmos tolóellenállás
  • Vasmagos tekercs (N = 1200, illetve két 600 menetes)
  • Zseblámpa izzók
  • Morse-kapcsoló
  • Zsebtelep
  • Kábelek

Leírás

Az induktivitást tartalmazó áramkörben az áram a feszültségforrás bekapcsolása után késéssel éri el stacionárius értékét. A jelenség bemutatására alkalmas összeállítást és kapcsolást az ábra mutatja.


7.39a.PNG

Célszerű adatok: U0 = 4,5 V (zsebelem) 'A' és 'B' egy-egy 2,5 V, 0,3 A névleges értékű zseblámpaizzó, L egy 1200 menetes (kb. R = 18 Ω ellenállású) tekercs zárt vasmagon, R0 = 105 ohmos tolóellenállás.  Zárjuk az áramkört, és várjuk meg míg mindkét lámpa felgyullad. Szabályozzuk be a tolóellenállást úgy, hogy az „A” lámpa ugyanolyan fényesen világítson, mint a „B”!

Feladat

  • Nyomjuk le a K kapcsolót! Az 'A' lámpa azonnal felizzik, a 'B' lámpa csak késéssel veszi fel az állandó áramerősséget.
  • Vegyük le a záróvasat, és így ismételjük meg a kísérletet! A 'B' lámpa "késése" alig vehető észre.
  • EXTRA FELADAT: Cseréljük ki az 1200 menetes tekercset -közös vasmagra húzott- két sorba kötött 600 menetesre. Ha a tekercseket azonos csévélési irányban sikerült sorba kötni, akkor (a kapcsolót lenyomva) az áram késése jól látható. Ha a tekercseket ellentétes polaritással kötjük sorba, akkor mágneses terük lerontja egymást, nincs fluxusváltozás, nincs (késleltető) indukciós feszültség. (Ez egy modell-kísérlet az önindukció-mentes bifiláris tekercselésre.) Az alábbi ábrán a párhuzamos kapcsolás csomópontjainak egy lehetséges megvalósítását kinagyítva is mutatják.


7.39b.PNG

Módszertani kiegészítések

  • A kísérlet sikere érdekében a kapcsolási elemek paramétereit össze kell hangolni. Ezért az itt ajánlott értékektől esetenként el kell térni. Valószínű, hogy konkrét esetben a két 600 menetes tekercs ohmos ellenállásának összege jóval kisebb, mint egyetlen 1200 menetesé. Ekkor a 4,5 V hatására az ajánlott paraméterű 'B' izzó túl erős fénnyel világít, és az áramkésés a szem számára nem lesz jól követhető. A jelenség akkor látható jól, ha az izzók -stacionárius állapotukban- csak kis fényerővel világítanak. Az optimális áramerősség beállítására szabályozható áramforrást használhatnánk, vagy a főágba újabb (változtatható) ellenállást iktathatnánk, de ez csak bonyolítaná az amúgy sem egyszerű összeállítást.
  • Az ohmikus ellenállás után az első komolyabb absztrakciós lépés az áram erősségét befolyásoló áramköri elemek közül a tekercs induktív ellenállása. Az induktív ellenállást természetesen magyarázhatjuk a Faraday-féle indukciós és a Lenz-féle törvénnyel, ám tényleges hatását érdemes kísérletekkel szemléltetni is.

b) A kikapcsolási jelenség demonstrálása vasmagos tekerccsel párhuzamosan kapcsolt glimmlámpa felvillanásával (FIGYELEM: A kísérlet veszélyes lehet!) felkialtojel.png

A kísérlet célja

A változó mágneses fluxus hatására létrejött indukció egyszerűen demonstrálható az alábbi kísérletben, melynek különlegessége, hogy 4,5 V egyenfeszültséget használva, akár több száz volt feszültséget is létrehozhatunk!

Szükséges eszközök

  • 4,5 V feszültségű zsebtelep (laposelem)
  • Vasmagos tekercs (600 menetes)
  • Kapcsoló, Glimmlámpa, Kábelek

Leírás

Állítsuk össze az ábrán és kapcsolási rajzon látható áramkört! U= 4,5 V (zsebelem), 600 menetes tekercs L zárt vasmagon, G ún. "kosaras", 110V-ra méretezett glimmlámpa (ködfénylámpa). Nyomjuk le a kapcsolót! A glimmlámpa nem "ég", hiszen a telep 4,5V feszültsége jóval a glimm gyújtófeszültsége (kb. 80 V) alatt van. Kis várakozás után - amikor a stacionárius állapot már beállt- szakítsuk meg hirtelen az áramkört! A glimmlámpa - az áramerősség gyors csökkenése miatt indukálódó (a gyújtófeszültséget meghaladó) önindukciós feszültség hatására felvillan.


7.39c.PNG

Figyelem!

Mivel a kikapcsoláskor keletkezett feszültség nagy lehet – még ha áramerőssége kicsi is – megcsípheti a figyelmetlen demonstrátort. A keletkezett áram „csípés” inkább csak ijedtséget okozhat, de abból is lehetnek balesetek!

Módszertani kiegészítések

  • Azt, hogy a glimmlámpa gyújtófeszültsége mekkora, megmérhetnénk a 230 Voltos hálózat segítségével. Érintésvédelmi okból azonban elégedjünk meg annyival, hogy a glimmlámpát az iskolai tápegység 24V-os kimenetére kötve, bemutatjuk, hogy a gyújtófeszültség 24V-nál nagyobb.