Разделы 
Дополнительно
Задача по физике - 11342
2019-11-13 
В одной лаборатории исследовалось поведение полупроводников в переменном магнитном поле. Для создания магнитного поля было решено намотать на картонный каркас катушку и пропускать по ней переменный ток от сети. Тогда внутри катушки появится переменное магнитное поле, в которое можно поместить исследуемый образец.
Поскольку для опыта было желательным поле возможно большей напряженности, лаборант намотал одну на другую три одинаковые катушки, рассчитывая получить при их параллельном соединении поле втрое большей напряженности.
Опыт показал, однако, что магнитное поле трех катушек было примерно таким же, как поле одной. Руководитель лаборатории, к которому обратился лаборант, разъяснил причину явления. Вместе с тем он заметил, что включение трех катушек все же имеет смысл.
Почему оставалось неизменным поле и почему три катушки тем не менее предпочтительнее одной?
Решение:
Три соединенные параллельно катушки можно рассматривать как одну, намотанную проводником втрое большего сечения. При включении в сеть постоянного тока по такой системе потечет втрое больший ток, поскольку именно во столько раз уменьшается при параллельном соединении сопротивление. Поэтому в сети постоянного тока магнитное поле увеличилось бы в три раза. Иначе обстоит дело при включении параллельных катушек в сеть переменного тока.
Как известно, сопротивление катушки в цепи переменного тока значительно больше, нежели в цепи с постоянным током. Сопротивление одной из катушек разборного школьного трансформатора на постоянном токе примерно 3,3 ом, а в сети переменного тока с частотой 50 гц по ней протекает ток, соответствующий сопротивлению 20 ом.
Полное сопротивление катушки на переменном токе (его называют также импедансом) зависит не только от ее активного сопротивления, вычисляемого по формуле
$R = \rho \frac{l}{S}$,
но также от числа витков в катушке, ее геометрических размеров и частоты переменного тока. Если число витков в катушке велико, то даже при малом активном сопротивлении (катушка намотана очень толстым медным проводом!) импеданс может быть большим.
Присоединив параллельно катушке еще две такие же, лаборант фактически лишь несколько уменьшил активное сопротивление, тогда как индуктивность системы практически не изменилась, поскольку число витков и форма катушки остались прежними. Небольшое изменение активного сопротивления почти не отразилось на импедансе. Поэтому потребляемый из сети ток и магнитное поле внутри катушек также не претерпели заметных изменений.
Полезным же параллельное включение было признано по той причине, что ток, протекающий по каждой катушке, уменьшился втрое, в результате чего уменьшился нагрев каждой из них.
Для объяснения явления можно также привлечь рассмотрение взаимной индукции катушек: поскольку катушки надеты друг на друга, то э.д.с. самоиндукции и взаимоиндукции равны между собой. Это ведет к уменьшению силы тока в каждой катушке в три раза.,
В одной лаборатории исследовалось поведение полупроводников в переменном магнитном поле. Для создания магнитного поля было решено намотать на картонный каркас катушку и пропускать по ней переменный ток от сети. Тогда внутри катушки появится переменное магнитное поле, в которое можно поместить исследуемый образец.
Поскольку для опыта было желательным поле возможно большей напряженности, лаборант намотал одну на другую три одинаковые катушки, рассчитывая получить при их параллельном соединении поле втрое большей напряженности.
Опыт показал, однако, что магнитное поле трех катушек было примерно таким же, как поле одной. Руководитель лаборатории, к которому обратился лаборант, разъяснил причину явления. Вместе с тем он заметил, что включение трех катушек все же имеет смысл.
Почему оставалось неизменным поле и почему три катушки тем не менее предпочтительнее одной?
Решение:
Три соединенные параллельно катушки можно рассматривать как одну, намотанную проводником втрое большего сечения. При включении в сеть постоянного тока по такой системе потечет втрое больший ток, поскольку именно во столько раз уменьшается при параллельном соединении сопротивление. Поэтому в сети постоянного тока магнитное поле увеличилось бы в три раза. Иначе обстоит дело при включении параллельных катушек в сеть переменного тока.
Как известно, сопротивление катушки в цепи переменного тока значительно больше, нежели в цепи с постоянным током. Сопротивление одной из катушек разборного школьного трансформатора на постоянном токе примерно 3,3 ом, а в сети переменного тока с частотой 50 гц по ней протекает ток, соответствующий сопротивлению 20 ом.
Полное сопротивление катушки на переменном токе (его называют также импедансом) зависит не только от ее активного сопротивления, вычисляемого по формуле
$R = \rho \frac{l}{S}$,
но также от числа витков в катушке, ее геометрических размеров и частоты переменного тока. Если число витков в катушке велико, то даже при малом активном сопротивлении (катушка намотана очень толстым медным проводом!) импеданс может быть большим.
Присоединив параллельно катушке еще две такие же, лаборант фактически лишь несколько уменьшил активное сопротивление, тогда как индуктивность системы практически не изменилась, поскольку число витков и форма катушки остались прежними. Небольшое изменение активного сопротивления почти не отразилось на импедансе. Поэтому потребляемый из сети ток и магнитное поле внутри катушек также не претерпели заметных изменений.
Полезным же параллельное включение было признано по той причине, что ток, протекающий по каждой катушке, уменьшился втрое, в результате чего уменьшился нагрев каждой из них.
Для объяснения явления можно также привлечь рассмотрение взаимной индукции катушек: поскольку катушки надеты друг на друга, то э.д.с. самоиндукции и взаимоиндукции равны между собой. Это ведет к уменьшению силы тока в каждой катушке в три раза.,
