Udvariatlanság: késik az áram - a soros RL kör
Zsigó Zsolt
2003/04/04 12:03
1929 megtekintés
A cikk már legalább egy éve nem frissült, az akkor még aktuális információk lehet, hogy mára elavultak.
A fizika tananyagának egyik fontos fejezete a váltakozó áramok. "A különböző áramköri elemek viselkedése váltakozó áramú áramkörökben" témakör ismerete a mindennapi életünkben a körülöttünk levő berendezések működésének megértéséhez nélkülözhetetlen. A soros RC áramkörök elemzése után most vizsgáljunk meg egy soros RL áramkört.

Ismételjünk!

Talán még mindenki emlékszik az első ábrán látható kísérletre, amelyben ugyanazt a zárt vasmagos tekercset és egy zseblámpaizzót sorosan kapcsolunk egymással, majd a rendszert az egyik esetben zseblámpaelemmel, a másik esetben pedig 6V feszültségű váltakozófeszültséggel tápláltuk. 1. ábra Váltakozó feszültségű táplálás esetén az izzó nem, vagy csak nagyon halványan világít. A kísérlet arra utal, hogy a tekercs ellenállása váltakozó feszültség esetében látszólag megnő.

Ennek magyarázata, hogy a tekercset alkotó vezetékben folyó váltakozó áram váltakozó fluxust hoz létre. A tekercs váltakozó árammal szemben mutatott többletellenállása az önindukció következménye. A tekercsre kapcsolt váltakozó feszültség és a tekercsen áthaladó váltakozó áram effektív értékének hányadosát a tekercs látszólagos ellenállásának vagy induktív ellenállásnak nevezzük. Az induktív ellenállás egyenesen arányos az önindukciós együtthatóval, valamint a változási gyorsaságot kifejező frekvenciával.

Önindukció - az áram késik

Az önindukció jelenségének további következménye az, hogy a kialakult áram erőssége 90°-os szöggel késik a kapocsfeszültséghez képest. Az Ohm-törvény felhasználásával meghatározható a tekercs induktív ellenállása. Ennek értéke : A korábbiakban tanított tananyagban ezen a szinten általában csak feszültség és árammerősség mérésére visszavezethető egyszerűbb kvalitatív vizsgálatokra nyílt lehetőség. Most, hogy már kellő műszerezettséggel rendelkezünk, részletesebben is megvizsgálhatjuk a 2. ábrán látható soros LC áramkör viselkedését váltakozó áramú táplálás (G) esetén. 2. ábra Áramkörünk egy tekercsből és egy ohmos ellenállásból alkotott soros kapcsolás. Tekercsünk induktív ellenállása a fentiek alapján : Értéke tehát függ a rajta keresztülfolyó váltakozó áram frekvenciájától.

Most jön a mérés

Tekercsünk sorba van kapcsolva egy ellenállással, így találhatunk olyan frekvenciát, ahol azonos feszültség esik a tekercsre és az ellenállásra. Egy 800 menetes zárt vasmaggal ellátott tekercs és R=1,2 K ellenállás választása esetén, ez a frekvencia kb. 120Hz körüli értéknek adódott a méréseim alapján. Ez az eset a 3. ábrán látható. A tekercsen és az ellenálláson mérhető feszültségek egyenlőségéből arra következtethetünk, hogy a tekercsünk látszólagos ellenállása kb. 1,2 K ezen a frekvencián. 3. ábra Megváltozatva a frekvenciát 120 Hz-nél kisebb frekvenciákon természetesen a tekercsen mérhetünk kisebb feszültséget ( lásd az alábbi 4. ábrát ), ami jó összhangban van az összefüggéssel. 4. ábra 120 Hz-nél nagyobb frekvenciákon a tekercsen nagyobb feszültség, az induktív ellenállás frekvenciafüggése miatt. Lásd az alábbi 5. ábrát. 5. ábra Mindhárom esetben jól megfigyelhető, hogy a tekercsen átfolyó áram ( amelynek fázisa megegyezik az UR fázisával, hiszen az ellenálláson az áram és a feszültség fázisa azonos ) 90° -kal késik a a tekercsen mért feszültséghez képest.

Javaslat a kísérlet kivitelezésére

Ebben a kísérletben az oszcilloszkóp program különbségi üzemmódját használjuk ki. A Ch1 Ch3=Ch2-Ch1 üzemmódban számítással jön létre a Ch3 "elektronsugár", a két, a csatornán mért feszültség különbségét rajzolja a képernyőre. A soros LC körben Ur és UL között kialakult fáziskülönbség, így közvetlenül is tanulmányozható. A kivitelezés elvi módja a 6. ábrán látható. 6. ábra Készítsük el a vizsgálni kívánt áramkört a 6. ábrán látható kapcsolási rajznak megfelelően. A kivitelezéshez most is alkalmazhatjuk az előzőekben már bevált légszerelést: 7. ábra. 7. ábra Az egyik mérőzsinórral csatlakozzunk a hangkártya hangszórókimenetéhez! Erről a kimenetről vehetjük le a generátor programban beállított frekvenciájú szinuszos hullámalakú feszültséget.
Egy másik mérőzsinórral csatlakozzunk a hangkártya Line In bemenetéhez, majd a Ch2 bemenetet csatlakoztassuk az R ellenállás azon kapcsához, amelyik a generátor kimenetéhez csatlakozik! A Ch1 bemenetet csatlakoztassuk ahhoz a ponthoz, ahol az ellenállás és a tekercs össze van kapcsolva!

Ezt követően állítsuk be a hangkártya keverőpultját! Először indítsuk el a hanggenerátor programot! Állítsunk be a szinuszos jelalakot! Állítsuk be a frekvenciát kb. 120 Hz-re! Indítsuk el az oszcilloszkóp programot, majd állítsunk be 22050 minta/s mintavételi frekvenciát, és jelöljük ki a Ch1 Ch3= Ch2-Ch1 üzemmódot!

Ha mindent jól készítettünk el, akkor a 3. ábrán láthatóhoz hasonló jelalakok jelennek meg, a virtuális oszcilloszkóp képernyőjén, ahol a Ch1 csatorna a tekercs kapcsain mérhető feszültséget (zöld) mutatja, míg az ellenálláson mérhető feszültség a Ch2-Ch1 csatornán (kék) látható.

Dr. Piláth Károly

Csatlakozz hozzánk!

Ajánljuk

European Schoolnet Academy Ingyenes online tanfolyamok tanároknak
School Education Gateway Ingyenes tanfolyamok és sok más tanárok számára
ENABLE pilot Program iskoláknak a bullying ellen
eBiztonság Minősítés Minősítési rendszer oktatási intézményeknek