Obwód RL: cewka sprzeciwia się nagłym zmianom prądu
1 · Prognoza
Cewka i rezystor podłączone do baterii 10 V. Czy prąd skacze natychmiast do wartości końcowej, czy narasta stopniowo jak napięcie ładującego się kondensatora?
- Prąd narasta stopniowo, podążając za tym samym rodzajem dojścia wykładniczego co napięcie obwodu RC.
- Prąd skacze natychmiast do E/R.
- Prąd oscyluje, zanim się ustabilizuje.
2 · Przygotowanie
- Otwórz preset rl-circuit i naciśnij Reset. R = 10 Ω; L = 1 H — stała czasu τ = L/R = 0.1 s; bateria podaje 10 V.
- Włącz odczyt prądu cewki.
- Naciśnij Play i zapisz prąd cewki w każdym podanym czasie.
3 · Zbieranie danych
| Czas t (s) | Stała czasowa τ (s) | Prąd cewki I (A) |
|---|---|---|
| 0.10 | ||
| 0.20 | ||
| 0.50 |
Narysuj prąd cewki I (oś y) względem czasu t (oś x) dla trzech odczytów. Czy krzywa spłaszcza się przy zbliżaniu do 1 A?
4 · Analiza
- Dla jednej próby oblicz I = (E/R)(1 − e^(−t/τ)) przy E = 10 V; R = 10 Ω; τ = 0.1 s. Porównaj z tabelą.
- Wyjaśnij, dlaczego narastanie prądu cewki (obwód RL) ma ten sam kształt matematyczny co narastanie napięcia kondensatora (obwód RC), choć oba elementy magazynują energię zupełnie inaczej.
5 · Rozszerzenie
- Definiującym zachowaniem cewki jest przeciwdziałanie każdej ZMIANIE prądu (nie przeciwdziałanie samemu prądowi, jak czyni rezystor). Wyjaśnij, dlaczego dokładnie przy t = 0 prąd musi wystartować dokładnie od 0 A, choć bateria jest już w pełni podłączona.
- Gdy obwód cewki pod prądem zostanie nagle przerwany (otwarty przełącznik), cewka próbuje utrzymać swój prąd, co może stworzyć duży skok napięcia (tak działają cewki zapłonowe świec). Wyjaśnij, dlaczego przerwanie drogi prądu cewki jest bardziej dramatyczne niż rezystora.
Fizyka tego eksperymentu
Stała czasowa RL
Stała czasu τ = L/R ustala skalę czasową wykładniczego wzrostu (lub zaniku) prądu w obwodzie RL. Większa indukcyjność albo mniejsza rezystancja oznacza dłuższą τ — cewka silniej sprzeciwia się zmianom prądu.