Условие
11.4.19. Электрическая цепь, состоящая из двух катушек индуктивности и лампочки, подключена к генератору переменного напряжения. Если в одну из катушек вдвинуть железный сердечник, то свечение лампочки усиливается, если же сердечник вдвинуть во вторую катушку, то свечение лампочки ослабевает. Составьте схему возможной электрической цепи.
Решение
Предварительные сведения
Сделаем упрощающие оговорки. Пусть внутреннее сопротивление генератора нулевое. Лампочку посчитаем активным сопротивлением
Комплексное сопротивление катушки:
где
Индуктивность катушки обычно считают прямо пропорциональной магнитной проницаемости
так как магнитная индукция внутри катушки также прямо пропорциональна
Из сказанного заметим, что комплексное сопротивление катушки будет пропорциональным
Значит, вдвигание сердечника означает увеличение сопротивления катушки переменному току.
Построение схемы
Допустим, что индуктивности катушек одинаковы. Из несимметрии влияния на лампу двух вдвиганий сердечника можно подтвердить, что и схема цепи не должна обладать симметрией. То есть катушки соединены ни последовательно, ни параллельно.
Далее есть еще две возможности. Первая возможность: одна катушка соединена с лампой последовательно, другая подсоединена к ним параллельно; но в таком случае ток через лампу не зависит от сопротивления одной из катушек, что противоречит условию.
Рассмотрим вторую возможность. Схема цепи на рисунке ниже.
Мы имеем цепь, где, например, к первой катушке подсоединен блок, в котором параллельно соединены вторая катушка и лампа.
Запишем выражение для комплексного сопротивления этой цепи:
При увеличении сопротивления первой катушки
Но не просто предсказать, как увеличение сопротивления второй катушки
Однако, не занимаясь анализом ситуации с увеличением сопротивления второй катушки, можно положить, что
При увеличении
сопротивление цепи растет, лампа гаснет.При увеличении
сопротивление цепи практически не меняется. Ток цепи остается почти неизменным. Но сопротивление параллельного участка растет (см. дробное слагаемое в формуле ). Это ведет к росту напряжения на параллельном участке и, соответственно, росту тока через лампу. Лампа разгорается.
Литература
[1] В. В. Можаев. Катушки индуктивности в электрических цепях. «Квант», 1998, №4.
[2] Сивухин Д. В. Электричество //Сер." Общий курс физики. – 1983. – Т. 3.
Ответ
К первой катушке подсоединен блок, в котором параллельно соединены вторая катушка и лампа. Для объяснения удобно положить, что индуктивность первой катушки много больше индуктивности второй, а сопротивление второй катушки переменному току порядка сопротивления лампы.