Magnetické pole cívky, transformátor vzorová úloha (SŠ)
Jméno ………………………………… Třída …………………………………..
Datum ………………………………
1. Teoretický úvod Vodič svinutý do prostorové křivky nazývané šroubovice tvoří válcovou cívku (solenoid). Každý závit vybudí ve svém okolí magnetické pole. Uvnitř závitů cívky probíhají všechny indukční čáry navzájem rovnoběžně a stejně hustě. Z plochy krajního závitu se indukční čáry rozbíhají, probíhají vnějším prostorem a z vnějšku vstupují na druhém konci do soustavy závitů. Stranu, ze které indukční čáry vystupují, nazýváme severní pól a stranu do které indukční čáry vstupují, nazýváme jižní pól. Transformátor je elektrický stroj netočivý a skládá se z magnetického obvodu, primární cívky, sekundární cívky. Pracuje se střídavým proudem. Plní dvě základní funkce: transformace napětí, proudu, impedance galvanické oddělen primárního obvodu od sekundárního obvodu Velikost výstupního (sekundárního) napětí závisí na velikosti vstupního (primárního) napětí a na závitovém převodu transformátoru (počtu závitů primární a sekundární cívky). Závitový převod
U1
N1
p=
U1 =
U2
N2
I2 =
U2
I1
Napětí se transformuje v přímém poměru počtu závitů primární a sekundární cívky, proud se transformuje v nepřímém poměru počtu závitů primární a sekundární cívky.
Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030
Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech
2. Zadání 1) Měřením magnetické indukce v dutině válcové cívky a proudu protékajícího cívkou zjistěte závislost velikosti magnetické indukce na velikosti proudu cívkou. Hodnoty zpracujte do tabulek. Zpracujte závislost magnetické indukce na proudu pro obě tabulky do jednoho grafu. 2) Měřením primárního a sekundárního napětí transformátoru a výpočtem zjistěte závitový převod transformátoru ze změřených primárních a sekundárních napětí. Vypočtěte závitový převod transformátoru z počtu závitů primární a sekundární cívky. Jednotlivé hodnoty závitového převodu porovnejte.
3. Postup práce 1. úkol K měření využijeme zdroj stejnosměrného napětí 40V, cívku s odbočkami, regulační prvek (potenciometr), propojovací vodiče, multimeter (ampérmetr) a měřič magnetické indukce (Tesla meter). Úlohu zapojíme podle schéma zapojení v příloze 1. Parametry měření - čas měření 10s, vzorkování 20Hz, opakovat měření, panel zobrazení digitální, měřič magnetické indukce bude na měřicím rozsahu 50mT. Použijeme svorky cívky 750 závitů. Proud cívkou plynule zvyšujeme od nulové hodnoty po 0,1A do 0,7A. Hodnoty magnetické indukce zapisujeme do tabulky. Nyní použijeme svorky cívky 1000 závitů a měření opakujeme. Hodnoty magnetické indukce opět zapisujeme do tabulky. Grafickou závislost magnetické indukce na protékajícím proudu zakreslíme do jednoho grafu do pracovního listu. 2. úkol: K měření využijeme zdroj střídavého napětí 40V, regulační prvek (potenciometr), transformátor, propojovací vodiče, multimeter-voltmetr k měření primárního napětí, multimeter-voltmetr k měření sekundárního napětí. Primární napětí budeme nastavovat od 2V po 2V do 12V, současně měříme sekundární napětí. Počet závitů primární cívky a sekundární cívky zvolíme podle následujícího zadávacího schéma: Tabulka 1: Tabulka tylu cívek; zdroj: autor
1). N1=1000z, N2=500z 2). N1=1000z, N2=250z 3). N1=750z, N2=500z 3). N1=750z, N2=250z
Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030
Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech
Na závěr měření vypočítáme závitový převod transformátoru pro jednotlivé hodnoty primárního napětí a sekundárního napětí a vypočítáme závitový převod z hodnot počtu závitů primární cívky a sekundární cívky. Vypočtené výsledky závitového převodu porovnáme. Schéma zapojení
Obrázek 1: Schéma zapojení – úkol 1; zdroj autor
Obrázek 2: Schéma zapojení – úkol 2; zdroj autor
4. Záznam výsledků a) Tabulky naměřených a vypočtených hodnot Tabulka 2: Tabulka – úkol 1; zdroj autor
cívka závitů
cívka 750 závitů
1000
I[A]
B[mT]
I[A]
B[mT]
0,1
0,5
0,1
2
0,2
7
0,2
10
0,3
13,5
0,3
18
0,4
20
0,4
27
0,5
27
0,5
36
0,6
34
0,6
45
Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030
Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech
Tabulka 3: Tabulka – úkol 2; zdroj autor
N1=750z, N2=500z
N1=1000z, N2=500z U1[V]
U2[V]
p=N1/N2
p=U1/U2
U1[V]
U2[V]
p=N1/N2 p=U1/U2
2
0,86
2
2,33
2
1,15
1,5
1,74
4
1,61
2
2,48
4
2,24
1,5
1,79
6
2,5
2
2,40
6
3,4
1,5
1,76
8
3,35
2
2,39
8
4,6
1,5
1,74
10
4,25
2
2,35
10
5,75
1,5
1,74
12
5,2
2
2,31
12
7,04
1,5
1,70
N1=750z, N2=250z
N1=1000z, N2=250z U1[V]
U2[V]
p=N1/N2
p=U1/U2
U1[V]
U2[V]
p=N1/N2 p=U1/U2
2
0,39
4
5,13
2
0,55
3
3,64
4
0,74
4
5,41
4
1,11
3
3,60
6
1,16
4
5,17
6
1,61
3
3,73
8
1,55
4
5,16
8
2,24
3
3,57
10
1,97
4
5,08
10
2,85
3
3,51
12
2,4
4
5,00
12
3,3
3
3,64
Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030
Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech
b) Graf závislosti magnetické indukce na proudu
Graf 1: Závislost magnetické indukce na proudu; zdroj autor
5. Závěr Měřením jsem zjistil, že s rostoucím proudem cívkou roste také magnetická indukce v cívce. Při větším počtu závitů cívky je magnetická indukce větší. Závislost magnetické indukce na proudu je lineární. Při měření transformátoru jsem vypočítal převod transformátoru pro různé počty závitů primární a sekundární cívky. Převod transformátoru se mění podle počtu závitů primární a sekundární cívky. Drobné odchylky jsou způsobeny nepřesností při měření primárního a sekundárního napětí.
6. Kontrolní otázky 1. Indukční čáry probíhají uvnitř válcové cívky: 2. Na čem závisí umístění severního a jižního pólu u válcové cívky? 3. Na jakém principu pracuje transformátor? 4. V jakém poměru transformuje transformátor napětí a v jakém poměru proud?
7. Použité prameny, zdroje LÁNÍČEK, Robert. Elektronika: obvody, součástky a děje. Praha: BEN – technická literatura, 1998 BLAHOVEC, Antonín. Elektrotechnika I. Praha: Informatorium, spol. s r.o., 1997 BLAHOVEC, Antonín. Elektrotechnika II. Praha: Informatorium, spol. s r.o., 1997 Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030
Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech
