Ученица СУНЦ НГУ исследовала бесконтактный способ определения параметров материалов в электрической цепи

Ученица 11-7 класса СУНЦ НГУ Виктория Пенькова провела исследование и выяснила, как характер электромагнитных колебаний в электрической цепи зависит от стержня из немагнитного металла или ферромагнетика, помещенного в катушку индуктивности. Исследование заняло призовое место на школьной секции МНСК-2024.

Тема исследования возникла благодаря одной из задач Всероссийского турнира юных физиков. По условию задачи необходимо было определить характеристики материала стержня, помещенного в катушку индуктивности электрической цепи (RLC-цепь), по изменению зависимости напряжения на элементах цепи от тока (отклик цепи). RLC-цепь – это электрическая цепь, состоящая из резистора, катушки индуктивности и конденсатора. В цепи могут происходить электромагнитные колебания. Такой колебательный контур используется, например, для выделения сигнала требуемой радиостанции.

В ходе работы над задачей Виктория проводила экспериментальные исследования стержней из ферромагнетика (трансформаторная сталь и сплав сталь 3) и немагнитного материала (алюминий и медь). Суть экспериментов заключалась в измерении напряжения на катушке в зависимости от тока в цепи для различных материалов стержня.

Согласно закону электромагнитной индукции, напряжение на катушке пропорционально скорости изменения магнитного потока через ее витки. Интегрируя это напряжение, исследователь определяет изменение магнитного потока во времени. В свою очередь, на магнитный поток влияет материал стержня.

Известно, что ферромагнетики усиливают магнитную индукцию и увеличивают магнитный поток. А разность магнитных потоков при наличии стержня и без него позволяет определить увеличение магнитной индукции за счет ферромагнетика. Вычислив зависимость этой разности от величины магнитной индукции от тока в катушке, Виктория Пенькова получила известную петлю гистерезиса для ферромагнетиков: она показывает процесс намагничивания и размагничивания материала. Затем, задавая разные уровни тока от источника, ученица ФМШ варьировала величину магнитной индукции от тока в катушке и определяла кривую намагничивания материала стержня.

Для немагнитных материалов магнитный поток в стержне уменьшается за счет индуцированных токов, вызванных переменным магнитным полем от тока в катушке. В этом случае распределение индуцированных токов в стержне связано с проводимостью немагнитного материала и частотой тока в катушке.

— В ходе исследования Виктории удалось по измеренным токам и напряжениям определить проводимость материала стержня. Особенность работы состояла в том, что все проводимые исследования были связаны с бесконтактным способом определения параметров материалов. Было бы здорово разработать бесконтактные методики для определения параметров более сложных композитных материалов, — говорит научный руководитель проекта, доцент кафедры физики СУНЦ НГУ Юрий Леонидович Башкатов.

Результаты своей работы ученица СУНЦ НГУ представила на подсекции «Турнир юных физиков» школьной секции МНСК и заняла там второе место.

— В турнирах я участвую уже четвертый год, то есть с восьмого класса, за это время я становилась призером и победителем Всероссийского и Сибирского турниров юных физиков. Эту задачу я выбрала потому, что мне очень интересны такие разделы физики как магнетизм и электростатика, — поделилась она.

После окончания СУНЦ НГУ Виктория планирует связать свою жизнь с физикой и заниматься наукой.

Фото: Арина Гекк