darblapas

Induktivitāte

Anonim

Induktivitāte

DC elektriskās shēmas


jautājums 1


∫f (x) dx aprēķinu brīdinājums!


Viens no aprēķinu pamatprincipiem ir process, ko sauc par integrāciju . Šis princips ir svarīgi saprast, jo tas izpaužas kā induktivitātes uzvedība. Par laimi, ir vairāk pazīstamu fizisko sistēmu, kas arī izpaužas integrācijas procesā, padarot to vieglāk saprast.

Ja mēs ieviešam pastāvīgu ūdens plūsmu cilindriskā tvertnē ar ūdeni, ūdens līmenis tajā pašā tvertnē laika gaitā palielināsies nemainīgā tempā:

Runājot par aprēķiniem, mēs teiktu, ka tvertne integrē ūdens plūsmu ūdens augstumā. Tas nozīmē, ka viens daudzums (plūsma) nosaka laika gaitā citu daudzumu (augstumu).

Tāpat kā ūdens tvertne, elektriskajā induktivitātē parādās arī integrācijas fenomens laika ziņā. Kuru elektrisko daudzumu (spriegumu vai strāvu) nosaka laika gaitā mainīgais lielums (cita sprieguma vai strāvas) induktivitāte "# 1"> Atklāj atbildi Paslēpt atbildi

Induktivitātei strāva ir sprieguma laika integrālis. Tas nozīmē, ka piemērotais spriegums pāri induktors nosaka laika gaitā mainīgo strāvu caur induktoru laika gaitā.

Izaicinājuma jautājums: vai jūs varat domāt par to, kā mēs varētu izmantot indukcijas sprieguma / strāvas integrācijas līdzību, lai modelētu ūdens tvertnes pildījuma darbību vai jebkuru citu fizisko procesu, ko apraksta ar tādām pašām matemātiskajām attiecībām?

Piezīmes:

Integrācijas jēdziens nav pārāk sarežģīts. Elektriskās parādības, piemēram, kapacitāte un induktivitāte, var kalpot kā izcilas situācijas, kurās skolēni var izpētīt un saprast abstraktu aprēķinu principus. Laika ilgums, ko izvēlēsieties veltīt diskusijai par šo jautājumu, būs atkarīgs no tā, cik matemātiski ir jūsu skolēni.

2. jautājums

Pieņemsim, ka masa ir savienota ar vinču, izmantojot kabeli, un persona pagriežas vinčas cilindru, lai paceltu masu zemē:

Fizists, iespējams, aplūkos šo scenāriju kā enerģijas apmaiņas piemēru: persona, kas ieslēdz bungu, patērē enerģiju, kas savukārt tiek uzglabāta masā potenciālā formā.

Pieņemsim, ka tagad cilvēks pārtrauc pagriezt cilindru, un tā vietā uz cilindra uzliek bremžu mehānismu tā, ka tā apgriezās apgrieztā virzienā un lēnām ļauj masai atgriezties zemes līmenī. Vēlreiz fiziķis skatītu šo scenāriju kā enerģijas apmaiņu: masa tagad atbrīvo enerģiju, bet bremžu mehānisms pārveido šo atbrīvoto enerģiju siltumā:

Katrā no iepriekš minētajiem scenārijiem izdariet bultas, kas attēlo divu spēku virzienus: spēku, ko masa ietekmē uz cilindra, un spēku, ko bungas atstāj uz masas. Salīdziniet šos spēka virzienus ar kustības virzienu katrā scenārijā un paskaidrojiet, kā šie virzieni attiecas uz masu un cilindru, kas pārmaiņus darbojas kā enerģijas avots un enerģijas slodze .

Atklāt atbildi Slēpt atbildi

Turpmākais jautājums: lai gan tas var nebūt skaidrs, šis jautājums cieši saistīts ar enerģijas apmaiņu starp sastāvdaļām elektriskās ķēdēs! Izskaidrojiet šo analoģiju.

Piezīmes:

Studenti parasti sajauc enerģijas plūsmas koncepciju attiecībā uz elektriskām sastāvdaļām. Es mēģinu padarīt šo jēdzienu skaidrāku, izmantojot mehāniskās analoģijas, kurās spēks un kustība darbojas kā analogie daudzumi spriegumam un strāvai (vai vice versijai).

3. jautājums

Uzzīmējiet pašreizējo strāvas virzienu šajā ķēdē, kā arī identificējiet sprieguma polaritāti visā akumulatorā un visā rezistorā. Tad salīdziniet akumulatora polaritāti ar tajā esošo strāvas virzienu un rezistora polaritāti ar tajā esošo strāvas virzienu.

Ko jūs novērojat par sakarību starp sprieguma polaritāti un pašreizējo virzienu šiem diviem dažādu komponentu veidiem? "3"> Atklāj atbildi Slēpt atbildi

Šeit es parādu atbildi divās dažādās formās: strāva parādās kā elektronu plūsma (pa kreisi) un strāva tiek rādīta kā parastā plūsma (pa labi).

Neatkarīgi no apzīmējuma, kuru izvēlēsieties sekot līdzi jūsu ķēžu analīzē, izpratnei jābūt vienādai: iemesls ir sprieguma polaritāte starp rezistoru un akumulatoru, neskatoties uz to pašu strāvas virzienu caur abām ir strāvas plūsma. Akumulators darbojas kā avots, bet rezistors darbojas kā slodze .

Piezīmes:

Šāda veida atšķirība ir ļoti svarīga arī fizikas pētījumos, kur ir jānosaka, vai mehāniskā sistēma strādā darbu vai arī ar to tiek veikts darbs . Skaidra izpratne par sakarību starp sprieguma polaritāti un strāvas virzienu avotiem un slodzēm ir ļoti svarīga, lai skolēni varētu apgūt reaktīvās ierīces, piemēram, induktorus un kondensatorus!

4. jautājums

Uzzīmējiet magnētiskā lauka modeli, ko rada elektriskā strāva, izmantojot taisnu vadu un caur stieples spoli:

Izskaidrojiet savu atbildi, izmantojot labās puses (parastās plūsmas) vai kreisās puses likumu (elektronu plūsmu).

Atklāt atbildi Slēpt atbildi

Piezīmes:

Jūsu studentu pētījumā viņi saskarsies ar "labās puses noteikumu", kā arī "kreisās puses noteikumu", kas attiecas uz elektriskās strāvas attiecību ar magnētiskā lauka virzieniem. Atšķirība starp diviem noteikumiem ir atkarīga no tā, vai tekstā tiek lietots "parastās plūsmas" apzīmējums vai "elektronu plūsmas" apzīmējums, kas apzīmē elektrisko lādiņu kustību caur vadītājiem. Diemžēl šis ir vēl viens no tiem elektriskajiem jēdzieniem, kas ir nevajadzīgi sajaukti ar divu "standarta" jēdzienu izplatību attiecībā uz elektrisko strāvu.

5. jautājums

Tā kā elektriskā strāva tiek nodota caur stieples spoli, tā rada magnētisko lauku. Ja šīs straumes lielums laika gaitā mainās, tā būs arī magnētiskā lauka stiprums.

Mēs arī zinām, ka magnētiskā lauka plūsma, kas laika gaitā mainās, izraisīs spriegumu stiepes spoles garumā. Paskaidrojiet, kā elektromagnētisma un elektromagnētiskās indukcijas papildinošie principi vienlaicīgi izpaužas vienā un tajā pašā stiepļcaurulē, lai radītu pašinvestāciju .

Arī paskaidrojiet, kā Lenca likums attiecas uz spoles pašnodarbināto sprieguma polaritāti.

Atklāt atbildi Slēpt atbildi

Mainīga strāva caur spoli rada sprieguma kritumu, kas pretstatā pārmaiņu virzienam.

Piezīmes:

Pašinvestēšana nav sarežģīts jēdziens, lai uztvertu, ja tam jau ir laba izpratne par elektromagnētismu, elektromagnētisko indukciju un Lenca likumu. Daži skolēni var apgrūtināt izpratni par pašnodarbināšanos, jo tas, iespējams, ir pirmais pieteikums, ko viņi redzējuši, ja šie trīs fenomeni savstarpēji saistīti vienlaicīgi.

6. jautājums


∫f (x) dx aprēķinu brīdinājums!


Vienkāršā rezistoru shēmā strāvu var aprēķināt, dalot piemēroto spriegumu ar pretestību:

Lai gan šīs shēmas analīze, iespējams, šķiet triviāla jums, es gribētu mudināt jūs apskatīt to, kas šeit notiek no jauna perspektīvas. Svarīgs princips, kas fizikā tiek pētīts vairākas reizes, ir līdzsvara stāvoklis, kurā daudzumi dabiski "meklē" līdzsvara stāvokli. Šajā vienkāršajā shēmā meklējamais līdzsvars ir vienāds ar spriegumu: spriegumam pāri rezistoram ir jāatrodas tādā pašā vērtībā kā strāvas avota spriegumam:

Ja rezistors tiek skatīts kā sprieguma avots, kas ir līdzsvarā ar sprieguma avotu, tad saskaņā ar Ohma likumu (V = IR) pašreizējam strāvas signālam jāsaskan ar jebkuru vērtību, kas nepieciešama, lai radītu nepieciešamo balansējošo spriegumu visā rezistorā. Citiem vārdiem sakot, rezistoru strāva sasniedz jebkādu lielumu, lai radītu sprieguma kritumu, kas ir vienāds ar avota spriegumu .

Tas var šķist dīvains veids, kā analizēt šādu vienkāršu ķēdi, ar rezistoru, kas "cenšas" ģenerēt sprieguma kritumu, kas ir vienāds ar avotu, un pašreizējais "maģiski" pieņemot, kāda vērtība tai ir, lai sasniegtu šo sprieguma līdzsvaru, bet tas ir noderīgi izprast cita veida ķēdes elementus.

Piemēram, šeit ir pieejams sprieguma avots, kas savienots ar lielu stieņu spoli caur slēdzi. Pieņemsim, ka stiepļu spolei ir niecīga pretestība (0 Ω):

Tāpat kā rezistoru ķēde, spole "mēģinās" panākt sprieguma līdzsvaru ar sprieguma avotu, kad slēdzis ir aizvērts. Tomēr mēs zinām, ka spolē inducētais spriegums nav tieši proporcionāls strāvai, kā tas ir ar rezistoru - tā vietā spoles sprieguma kritums ir proporcionāls magnētiskā plūsmas ātruma izmaiņām laika gaitā, kā aprakstīts Faraday elektromagnētiskās indukcijas likumā :

v spole = N d φ


dt

Kur

v spole = momentānais spriegums, voltos

N = apgriezienu skaits stieples spolē

((d φ) / dt) = momentānā magnētiskās plūsmas maiņas ātruma ātrums, mēnesī sekundē

Pieņemot, ka lineārais savienojums starp spoles strāvu un magnētisko plūsmu (ti, dubultojas, ja es dubultojos), šo vienkāršo ķēžu strāvu laika gaitā pēc slēdža aizvēršanas apraksta.

Atklāt atbildi Slēpt atbildi

Kad slēdzis tiek aizvērts, strāva laika gaitā nepārtraukti palielināsies lineārajā ātrumā:

Izaicinājuma jautājums: īsta stieples spole satur elektrisko pretestību (ja vien tie nav izgatavoti no supravadošas stieples, protams), un mēs zinām, kā pretestības ķēdēs notiek sprieguma līdzsvars: strāva saplūst ar vērtību, kas nepieciešama, lai izturība samazinātu vienādu spriegums kā avots. Tad raksturojiet to, ko strāvā strādā ķēde ar reālu stiepļu spoli, nevis supravadoša stieņa spole.

Piezīmes:

Studenti, kuri vēl nespēj izprast induktivitātes jēdzienu, var likt domāt, ka pašreizējā ķēde būs bezgalīga, ievērojot Ohmas likumu (I = E / R). Viens no šī jautājuma mērķiem ir atklāt šādus pārpratumus, lai tos varētu labot.

Šī shēma nodrošina izcilu piemēru integrācijas principa integrēšanai, kur nepārtraukta sprieguma pielietojums starp induktoru rada pastāvīgi pieaugošu strāvu. Tas, vai jūs pieskarieties šim jautājumam vai ne, ir atkarīgs no jūsu skolēnu matemātiskās prasmes.

7. jautājums

Induktivitāte ir ļoti svarīga īpašība daudzu veidu elektriskajās shēmās. Nosakiet, kāda ir "induktivitāte" un kas to izraisa.

Atklāt atbildi Slēpt atbildi

"Induktivitāte" ir diriģents, kas spēj uzglabāt enerģiju magnētiskā lauka veidā, ko iegūst no piemērota strāvas. Jūs varat arī atrast "induktivitātes" definīciju, kas norādīta opozīcijā mainītajā laika periodā.

Induktivitāti izraisa magnētiskā lauka izveidošana ap diriģentu.

Piezīmes:

Jautājiet skolēniem, kāda mērvienības mērvienības induktivitāte ir izteikta. Tāpat uzdodiet viņiem jautājumus, vai viņi domā, ka jebkura dēvēta induktivitāte mainās ar pielietoto strāvu vai uzkrāto enerģiju vai ja induktivitāte ir daudzums, kas nav atkarīgs no īpašiem elektriskiem apstākļiem.

8. jautājums


∫f (x) dx aprēķinu brīdinājums!


Ja elektromagnētiskajā spoilē stieņu pagriezienu skaits ir trīskāršs, kas notiek ar tā ģenerēto magnētiskās plūsmas lielumu (Φ), pieņemot, ka neviens no citiem mainīgajiem lielumiem nemainās (strāva caur spoli, magnētiskās ķēdes neitralitāte utt. .) "# 8"> Atklāj atbildi Slēpt atbildi

Ja N ir trīskāršs, tad Φ tripleti, visi pārējie faktori ir vienādi.

Ja ((dφ) / dt) trīskāršojas, tad e trīskāršos, visi pārējie faktori ir vienādi.

Ja N ir trīskāršs, tad L palielinās par deviņiem, visi pārējie faktori ir vienādi.

Piezīmes:

Šis jautājums rada interesantu problēmu kvalitatīvā matemātikā. Tas ir cieši saistīts ar aprēķinu ķēdes likumu, kur viena funkcija y = f (x) ir iegulta citā funkcijā z = f (y), tādā veidā, ka (dz / dy) (dy / dx) = (dz / dx). Šā uzdevuma mērķis ir, lai studenti iegūtu konceptuālu izpratni par to, kāpēc induktivitāte lineāri nav mainīta ar izmaiņām N.

Protams, studenti var iegūt tādu pašu (trešo) atbildi, vienkārši skatoties uz induktivitātes formulu (N, μ, A un l), bez visa konceptuālā darba. Būtu labi, faktiski, ja studentam rodas tāda pati atbilde, iegūstot šo formulu, vienkārši pievienot diskusijai šķirni. Bet šā jautājuma patiesais mērķis atkal ir šīs formulas konceptuāla izpratne.

9. jautājums

Induktivitātes daudzumu, kas raksturīgs stiepes spailei, var aprēķināt ar šādu vienādojumu:

L = N 2 A μ


l

Kur

L = induktivitāte Henrīā

N = virknes "pagriezienus", kas ietīti ap kodolu

μ = serdes materiāla caurlaidība (absolūti, nav relatīva)

A = galvenā platība, kvadrātmetros

l = serdes garums metros

Aprēķiniet, cik stieņu pagriezienus jāapliek ap dobajiem, nemagnētiskajiem (gaisa) kodiem 2 cm diametrā un 10 cm garumā, lai izveidotu 22 mH induktivitāti. Jūs varat izmantot brīvās vietas caurlaidību (μ 0 ) gaisa centra μ vērtībai.

Pēc tam aprēķiniet vajadzīgo pagriezienu skaitu, lai iegūtu tādu pašu induktivitāti, ar tādu pašu izmēru cietu dzelzs kodolu, pieņemot, ka dzelzs relatīvā caurlaidība (μ r ) ir 4000.

Visbeidzot, zinot, ka apļa laukuma formula ir πr 2, pārveidojiet induktivitātes vienādojumu, lai pieņemtu vērtību induktīvā rādiusa, nevis induktīvās laukuma dēļ. Citiem vārdiem sakot, šajā vienādojumā zonai (A) jāmaina rādiuss (r) tādā veidā, ka tas joprojām nodrošina precīzu induktivitātes rādītāju.

Atklāt atbildi Slēpt atbildi

Aptuveni 2360 apgriezienu stieples gaisa kodols, un aptuveni 37 pagriezienus stieples dzelzs kodols.

Jauns indukcijas vienādojums:

L = πN 2 r 2 μ


l

Piezīmes:

Šī problēma vispirms ir algebriskā manipulācijas uzdevums: risinājums N, ņemot vērā citu mainīgo lielumus. Studentiem vajadzētu spēt pētīt μ 0 vērtību diezgan viegli, jo tā ir labi definēta fiziskā konstante.

Ņemiet vērā, ka šajā vienādojumā grieķu burts "mu" (μ) nav metrikas prefikss, bet drīzāk faktiskais mainīgais! Tas sajaucas ar daudziem studentiem, kuri tiek izmantoti, lai interpretētu μ kā metrisko prefiksu "micro" ((1/1 000 000)).

Piezīme arī to, kā pārrakstīts vienādojums izvirza pi (π) priekšā visiem mainīgajiem skaitītājā frakcija. Tas nav absolūti nepieciešams, bet ir konstants rakstīt pirms mainīgajiem lielumiem. Nebrīnieties, ja daži skolēni par to jautā, jo viņu atbildes, iespējams, izskatās šādi:

L = N 2 πr 2 μ


l

10. jautājums

Pieņemsim, ka jūs vēlējāties izveidot sastāvdaļu bez citiem mērķiem, kā induktivitātes nodrošināšanai elektriskās ķēdes ( induktors ). Kā jūs varētu izveidot šādu ierīci, lai veiktu šo funkciju, un kā jūs varat palielināt tā induktivitāti?

Atklāt atbildi Slēpt atbildi

Es jums ļaus jums noteikt, kā induktors tiek veidots, no jūsu pašu pētījuma.

Lai palielinātu induktivitāti:

Palieliniet "pagriezienu" skaitu spolē
Palieliniet spoles diametru
Sajūga spoles garums samazinās
Palieliniet kodolmateriāla caurlaidību

Piezīmes:

Šie faktori ir svarīgi saprast, lai saprastu mainīgo induktoru funkciju. Pārliecinieties, ka jūsu diskusijā ar skolēniem izgaismo mainīgo induktoru priekšmetu.

11. jautājums

Magnētiskajos laukos, tāpat kā visos laukos, ir divi pamatpasākumi: lauka spēks un lauka plūsma . Kas induktors, kurš no šiem lauka daudzumiem ir tieši saistīts ar strāvu caur stiepļu spoli, un kas ir tieši saistīts ar uzglabāto enerģijas daudzumu?

Pamatojoties uz šo attiecību, kāds mainās magnētiskā lauka daudzums, kad dzelzs stieņa tuvums ir stiepļu spole, kas savienota ar pastāvīgas strāvas avotu?

Atklāt atbildi Slēpt atbildi

Lauka spēks ir tiešā spoles strāva, un lauka plūsma ir tieša saglabātās enerģijas funkcija.

Ja dzelzs stieni piestiprina pie stiepes spoles, kas savienots ar pastāvīgu strāvas avotu, spoles radītais magnētiskā lauka spēks paliks nemainīgs, kamēr palielināsies magnētiskā lauka plūsma (līdz ar to enerģijas daudzums, kas saglabāts magnētiskais lauks).

Piezīmes:

Lauka jēdziens ir diezgan abstrakts, bet vismaz magnētiskie lauki ir kaut kas lielākajā daļā iedzīvotāju pieredze. Šis jautājums ir noderīgs, lai palīdzētu skolēniem atšķirt lauka spēku un lauka plūsmu, jo viņiem vajadzētu saprast (pastāvīga strāva caur spoli, salīdzinot ar pievilcīgu spēku, ko rada magnētiskā lauka plūsma).

12. jautājums

Pieņemsim, ka induktors ir tieši savienots ar regulējamu strāvas avotu, un šī avota strāva laika gaitā pastāvīgi palielinās . Mēs zinām, ka pieaugošā strāva caur induktors rada magnētisko lauku, kas palielina spēku. Vai šis magnētiskā lauka pieaugums veido enerģijas uzkrāšanos induktors vai enerģijas izdalīšana no induktors "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/00209x01.png">

Tagad pieņemsim, ka regulējamais strāvas avots laika gaitā pastāvīgi samazinās . Mēs zinām, ka tas radīs magnētisko lauku, kas samazina izturību induktors. Vai tas magnētiskā lauka samazināšanās veido enerģijas uzkrāšanos induktors vai enerģijas izdalīšana no induktora? Šajā scenārijā induktors darbojas kā slodze vai kā elektroenerģijas avots?

Katram no šiem scenārijiem marķējiet induktors ar sprieguma krituma polaritāti.

Atklāt atbildi Slēpt atbildi

Tā kā piemērotā strāva palielinās, induktors darbojas kā slodze, uzkrājot papildu enerģiju no strāvas avota. Strādājot kā slodze, induktors pazemina spriegumu tādā pašā polaritātē kā pret rezistoru.

Tā kā pielietotā strāva samazinās, induktors darbojas kā avots, atbrīvojot uzkrāto enerģiju pārējai ķēdei, tā, it kā tas būtu pašreizējais avots, kas pats par sevi būtu labāks. Strādājot par avotu, spriegums, kas izkrita ar induktors, būs tādā pašā polaritātē kā akumulatora padeve, pievadot slodzi.

Piezīmes:

Piesaistot sprieguma polaritāti starp induktors un mainot pašreizējo strāvu laika gaitā, daudziem studentiem ir sarežģīts jēdziens. Tā kā laika gaitā tas saistīts ar izmaiņām, tas ir lieliska iespēja ieviest aprēķinu koncepcijas ((d / dt)).

Visnotaļ svarīga skolēnu konceptuālajai izpratnei par induktors, kurš pakļauts pieaugošajai vai samazinošai strāvai, ir atšķirība starp elektroenerģijas avotu un slodzi . Studentiem jādomā par "akumulatoru" un "rezistoru" attiecīgi, nosakot sakarību starp strāvas un sprieguma kritumu. Svarīgs induktoru (un kondensatoru!) Aspekts ir tas, ka tie var mainīt raksturu uzreiz, sākot no enerģijas avota kā slodze, un pretēji. Attiecības nav noteiktas, jo tas ir rezistoriem, kas vienmēr ir enerģijas slodzes .

13. jautājums


∫f (x) dx aprēķinu brīdinājums!


Oma likums mums norāda, ka sprieguma daudzums, kas nokritās ar fiksētu pretestību, var tikt aprēķināts šādi:

E = IR

Tomēr sakarība starp spriegumu un strāvu fiksētajai induktivitātei ir diezgan atšķirīga. Formulējums "Ohm's Law" par induktoru ir šāds:

e = l di


dt

Kāda ir nozīme, lietojot mazos mainīgos pašreizējam (i) un spriegumam (e) "# 13"> Atklāt atbildi Slēpt atbildi

Apakšējā gadījumā mainīgie lielumi norāda uz momentānām vērtībām, nevis vidējām vērtībām. Izteiksme (di / dt) atspoguļo momentāno ātrumu izmaiņām pašreizējā laika gaitā .

Pārbaudes jautājums: manipulēt ar šo vienādojumu, lai atrisinātu pārējos divus mainīgos ((di / dt) =

.

; L =

.

)

Piezīmes:

Es atklāju, ka kapacitātes un induktivitātes tēmas ir lielisks konteksts, lai studentus iepazīstinātu ar aprēķinu pamatprincipiem. Laiks, ko pavadat, apspriežot šo jautājumu un tāpat kā citi jautājumi, būs atkarīgs no jūsu skolēnu matemātiskajām spējām.

Pat ja jūsu studenti nav gatavi izpētīt kalkulāciju, joprojām ir lietderīgi apspriest, kā sakarības starp strāvu un spriegumu attiecībā uz induktivitāti ietver laiku . Tas ir radikāls novirziens no rezistoru neatkarības laika un no Ohma likuma!

14. jautājums

Pabeigt šo apgalvojumu, aizstājot pareizos elektriskos mainīgos (spriegums, strāva, pretestība, induktivitāte):

Induktori iebilst pret ( fill-in-the-blank ) izmaiņām, reaģējot uz šādām izmaiņām, izveidojot ( fill-in-the-blank ).
Atklāt atbildi Slēpt atbildi

Induktori ir pret strāvas izmaiņām, reaģējot uz šādām izmaiņām, ražojot spriegumu .

Piezīmes:

Uzmanieties saviem skolēniem, ka induktivitāte ir būtībā reaktīvs īpašums, kas pretojas izmaiņām pašreizējā laika gaitā. Tas nav vienmērīgs pašreizējais, ka induktori reaģē tikai mainot strāvu.

15. jautājums

Pirms daudziem gadiem es nolēmu eksperimentēt ar elektromagnētiskumu, padarot elektromagnētu no stieples spoles. Es ievietoju tērauda skrūvi caur spoles centru, lai tam būtu augstas caurlaidības kodols, un no akumulatora ar strāvu pārvada strāvu, lai izveidotu magnētisko lauku. Nesaturot nekādus "džemperis" stieņus, es spraudkontakta galus turēja saskarē ar 9 voltu akumulatora spailēm, pa vienam katrā rokā.

Elektromagnētisks strādāja tikai labi, un man bija iespēja pārvietot dažus tērauda saspraudes ar to radīto magnētisko lauku. Tomēr, kad es pārtraucu ķēdi, atbrīvojot vienu no stieples galiem no akumulatora gala, tas bija pieskaroties, es saņēmu nelielu elektrisko šoku! Šeit ir redzama manas shēmas shēma:

Tajā laikā es nesaprotu, kā induktivitāte strādāja. Es tikai sapratu, kā padarīt magnetismu ar elektrību, bet es neapzināju, ka stieples spole varētu radīt (augstsprieguma!) Elektroenerģiju no sava magnētiskā lauka. Tomēr es zināju, ka 9 voltu izeja no akumulatora bija pārāk vāja, lai šokētu mani (jā, es pieskāries akumulatora kontaktligzdām tieši, lai pārbaudītu šo faktu), tāpēc kaut kas ķēdē ir radījis spriegumu, lielāku par 9 volti .

Ja tu būtu bijis tur, lai izskaidrotu, kas ar mani notika, ko tu teiktu "# 15"> Atklāj atbildi Paslēpt atbildi

Ir daži dažādi veidi, kā izskaidrot, kā elektromagnētiskais spoils var radīt daudz lielāku spriegumu nekā tam, no kura tas tiek aktivizēts (akumulators). Viens veids ir izskaidrot augsta sprieguma izcelsmi, izmantojot Faraday elektromagnētiskās indukcijas likumu (e = N ((dφ) / dt) vai e = L (di / dt)). Vēl viens veids ir izskaidrot, kā induktora būtība ir pretrunā ar izmaiņām pašreizējā laika gaitā. Es atstāju to jums, lai saprastu precīzus vārdus, ko teikt!

Piezīmes:

Viens veids, kā palīdzēt izprast, kā induktors var radīt šādus lielus spriegumus, ir uzskatīt to par pagaidu strāvas avotu, kas izvadīs tik daudz sprieguma kā nepieciešams, cenšoties uzturēt pastāvīgu strāvu. Tāpat kā ideāli strāvas avoti ir bīstami atvērtai ķēdei, strāvu pārnēsājošie induktori spēj arī radīt milzīgus pārejošus spriegumus.

Lai gan manā eksperimentā nebija reālas draudi drošībai, iespējams, ka to varēja radīt dažādi apstākļi. Apspriediet ar saviem skolēniem, kas būtu bijis nepieciešams, lai izveidotu patiesu drošības risku.

16. jautājums

Komponentiem, kas pielodēti iespiedshēmu plates, bieži ir "klaiņojoša" induktivitāte, kas pazīstama arī kā parazitārā induktivitāte. Ievērojiet šo rezistoru, kas pielodēts pie shēmas plates:

Kur parasitic induktivitāte nāk no "# 16"> Atklāt atbildi Slēpt atbildi

Jebkurš diriģents dabiski pastāv induktivitātei. Jo ilgāk vadītājs, jo vairāk induktivitāte, visi pārējie faktori ir vienādi.

Piezīmes:

Augstas frekvences maiņstrāvas ķēdēs, piemēram, datoru ķēdēs, kurās sprieguma impulsi svārstās miljonos ciklu sekundē, pat īss vadu garums vai plākšņu plāksnes uz plati var radīt būtiskas problēmas sakarā ar to klaiņojošo induktivitāti. Dažu no šīs parazitārās induktivitātes var samazināt ar pareizu shēmas plates montāžu, dažus no tiem, pārveidojot sastāvdaļu izkārtojumu shēmas plates.

Saskaņā ar žurnāla rakstu (" Pasīvu ievietošana savā vietā ", 2003. gada jūlijs, 40. sējums, 7. numurs, 29. lpp.), Pārejošas strāvas, ko rada ātras komutācijas loģikas shēmas, var būt līdz pat 500 ampēri / ns, kas ir a (di / dt) likme 500 miljardu ampēri sekundē !! Šajos līmeņos pat daži parazitāras induktivitātes pikoņi, kas novietoti uz sastāvdaļu vadiem un shēmas plates pēdām, novedīs pie ievērojamiem sprieguma kritumiem.

17. jautājums

Daudzi precizitātes rezistori izmanto stiepļu brūces konstrukciju, ja pretestību nosaka stieples tips un garums, kas apvilkts ap rullīti. Šī konstrukcijas forma nodrošina augstu pretestības precizitāti un zemas temperatūras jutību, ja stieplei tiek izmantoti noteikti metāla sakausējumi.

Diemžēl vītņu iesaiņošana ap ruļļa veido spoli, kas, protams, spēs būtiski palielināt induktivitāti. Tas parasti ir nevēlami, jo mēs vēlētos, lai rezistori būtu tikai izturīgi, bez "parazitārām" īpašībām.

Tomēr ir īpašs veids, kā vadu spoli var tikt savērti tā, lai tā būtu gandrīz nekāda induktivitāte. Šo metodi sauc par bifilāru tinumu, un tas ir izplatīts stiepļu brūces rezistoru konstrukcijā. Aprakstiet, kā darbojas bifilāra likvidēšana, un kāpēc tas novērš parazitāras induktivitāti.

Atklāt atbildi Slēpt atbildi

Es tiešā veidā nezinu, kā tiek izveidota bifilāra likvidācija, bet es jums parādīšu mājienu. Salīdziniet taisnās stiepes vada induktivitāti, salīdzinot ar to, kas ir salocīts pa pusēm:

Tagad, kā var noninduktīvo stieples spoli izmantot, izmantojot to pašu principu "atzīmē paslēptas"> Piezīmes:

Šī metode ir ļoti noderīga, lai samazinātu vai novērstu parazītu induktivitāti. Raksturīgi, ka parazitārā induktivitāte nav problēma, ja vien nav iesaistīti ļoti lieli pašreizējo izmaiņu rādītāji, piemēram, augstfrekvences maiņstrāvas ķēdēs (radio, ātrgaitas digitālā loģika utt.). Šādos lietojumos zināšanas par to, kā kontrolēt klaiņojošo induktivitāti, ir ļoti svarīgi pareizai ķēdes darbībai.

18. jautājums


∫f (x) dx aprēķinu brīdinājums!


Digitālās loģiskās shēmas, kas ietver datoru iekšējo darbību, būtībā ir nekas vairāk kā slēdžu masīvi no pusvadītāju komponentiem, ko sauc par tranzistoriem . Kā slēdži, šīm ķēdēm ir tikai divi stāvokļi: ieslēgšana un izslēgšana, kas attiecīgi ir bināri stāvokļi 1 un 0.

Jo ātrāk šīs slēdžu ķēdes spēj mainīt stāvokli, jo ātrāk dators var veikt aritmētiku un veikt visus pārējos uzdevumus, ko datori veic. Lai to panāktu, datoru inženieri turpina uzspiest tranzistoru shēmas konstrukcijas robežas, lai panāktu ātrāku un ātrāku pārslēgšanās ātrumu.

Šīs sacīkstes par ātrumu rada problēmas datora strāvas padeves shēmās, lai gan pašreizējās "pārsprieguma" (tehniski saucās pārejas ) dēļ, kas radīti vadītājiem, kuri no strāvas pievadījuši loģiskās shēmas. Jo ātrāk šīs loģikas ķēdes mainās stāvoklī, jo lielāki (di / dt) maiņas koeficienti pastāv vadītājiem, kuriem ir strāva, lai tos darbinātu. Šo paralēlo induktivitāti dēļ šo vadītāju garumā var rasties ievērojami sprieguma pilieni:

Pieņemsim, ka loģiskā vārtu ķēde, pārejot no "izslēgtā stāvokļa" uz stāvokli, rada pārejošas strāvas 175 ampērus uz nanosekundu (175 A / ns). Ja strāvas padeves vadītāju kopējā induktivitāte ir 10 picohenrys (9, 5 pH), un strāvas barošanas spriegums ir 5 volti DC, cik daudz sprieguma paliek pie strāvas vārstiem logic gate laikā vienā no šiem "pārspriegumiem" "# 18" > Atvērt atbildi Slēpt atbildi

Strāvas pārejas laikā saglabājies strāvas spriegums loģikas vārtu spailēs = 3, 338 V

Piezīmes:

Studenti, iespējams, pārsteigs (di / dt) ātrumu 175 ampēri uz nanosekundes, kas atbilst 175 miljardiem ampēri sekundē. Ne tikai šis skaitlis ir reālistisks, bet arī tas ir zems ar dažām aplēsēm (skat. Žurnālu, 2003. gada jūlijs, 40. sējums, 7. numurs, rakstā " Pasīvu ievietošana to vietā "). Daži no jūsu skolēniem var būt ļoti skeptiski par šo skaitli, nevēloties ticēt, ka datora barošanas avots spēj izvadīt 175 miljardus ampēri ?! "

Šis pēdējais apgalvojums ir ļoti bieži sastopama kļūda, ko skolēni izdarījuši, un tā pamatā ir fundamentāls pārpratums par (di / dt). "175 miljardi ampēri sekundē" nav tāda pati kā "175 miljardi ampēri". Pēdējais ir absolūts pasākums, bet pirmais ir pārmaiņu temps laika gaitā . Tā ir atšķirība starp teikšanu "1500 jūdzes stundā" un "1500 jūdzes". Vienīgi tādēļ, ka bullet ceļo pa 1500 jūdzēm stundā, tas nenozīmē, ka tas brauks 1500 jūdzes! Un tikai tāpēc, ka strāvas padeve nespēj izvadīt 175 miljardus ampēru, nenozīmē, ka tā nevar izvadīt strāvu, kas mainās ar ātrumu 175 miljardi ampēri sekundē!

19. jautājums

Elektriskās induktivitātei ir cieša mehāniska analoģija: inerce . Paskaidrojiet, kāda ir mehāniskā "inerce" un kā ātruma un spēka daudzumi objektam ar masu ir attiecīgi analogi strāvai un spriegumam, kas tiek piemērots induktivitātei.

Atklāt atbildi Slēpt atbildi

Tā kā objekts tiek pakļauts pastāvīgam, nesabalansētam spēkam, tā ātrums mainās lineāro ātrumu:

F = m dv


dt

Kur

F = Objektam pievienots neto spēks

m = objekta masa

v = objekta ātrums

t = laiks

Līdzīgā veidā tīrai induktivitātei, kam ir pastāvīgs spriegums, laika gaitā būs pastāvīgs pašreizējās maiņas ātrums:

e = l di


dt

Piezīmes:

Paskaidrojiet saviem skolēniem, cik līdzība starp inerci un induktivitāti ir tik tuvu, ka induktorus var izmantot, lai elektriski modelētu mehānisko inerci.

20. jautājums


∫f (x) dx aprēķinu brīdinājums!


Induktori uzglabā enerģiju magnētiskā lauka formā. Mēs varam aprēķināt enerģiju, kas tiek glabāta induktivitātē, integrējot induktora sprieguma un induktora strāvas (P = IV) produkciju laika gaitā, jo mēs zinām, ka jauda ir likme, pēc kuras tiek veikts darbs (W), un veiktā darba apjoms uz induktors, kas to ņem no nulles strāvas līdz pat daļai no nulles esošās strāvas, veido uzglabāto enerģiju (U):

P = dW


dt

dW = P dt

U = W =╚╩ P dt

Atrodiet veidu, kā aizvietot induktivitāti (L) un strāvu (I) integrandā, lai jūs varētu integrēties, lai atrastu vienādojumu, kas apraksta induktīvā strāvā saglabāto enerģijas daudzumu jebkurai konkrētai induktivitātei un pašreizējām vērtībām.

Atklāt atbildi Slēpt atbildi

U = 1


2

LI 2

Piezīmes:

Integrācija, kas vajadzīga, lai iegūtu atbildi, parasti ir atrodama fizikas mācību grāmatās, kuras pamatā ir aprēķini, un tā ir vienkārša (jaudas noteikšanas) integrācija.

  • ← Iepriekšējā darba lapa

  • Darba lapa indekss

  • Nākamā darblapa →