pdf / 3э.3 Изучение магнитных полей (1)

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3э.3

ИЗУЧЕНИЕ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.Ознакомиться с одним из методов измерения индукции магнитного поля.

2.Изучить магнитное поле тока катушки.

3.Проверить справедливость принципа суперпозиции магнитных полей.

МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

Магнитное поле – это силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды, проводники с током и на тела, обладающие магнитным моментом (независимо от состояния их движения). Эти же объекты являются источниками магнитных полей.

Магнитное поле создается токами в электролитах, электрическими разрядами в газах, катодными и анодными лучами, проявляется при движении электронов в атомах, при колебаниях атомных ядер в молекулах, при изменении ориентации элементарных диполей в диэлектриках и т. д. Природа этих источников едина: магнитное поле возникает в результате движения заряженных микрочастиц (электронов, протонов, ионов), а также благодаря наличию у микрочастиц собственного (спинового) магнитного момента.

Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции B . Вектор B определяет силу, действующую в данной точке поля на

тор нормали к этой поверхности. При этом направление тока и нормали к поверхности образуют правовинтовую систему (рис. 1).

На плоский контур с током, помещенный в однородное магнитное поле, действует, момент сил

ном положении контура.

Из соотношения (2) модуль момента сил равен

от 0 до . Это обуславливает изменение индукции B магнитного поля тока катушки, что приводит к изменению магнитного потока Φ через поперечное сечение зонда, расположенного на оси катушки (катушек) так, чтобы вектор B был перпендикулярен к плоскости витков зонда. Вследствие изменения Φ в обмотке зонда наводится ЭДС индукции Ei и возникает индукционный ток, импульс ко-

торого заряжает конденсатор С до определенного напряжения, отображаемого на экране осциллографа в виде одиночного импульса амплитудой U = Vamp,. Величина индукционного тока Ii определяется из закона Ома и закона электромаг-

нитной индукции Фарадея:

что, в свою очередь, создает импульс напряжения на конденсаторе С амплитудой

U QC . Так как полный магнитный поток через поперечное сечение зонда

Ф = – BxSN, где S – площадь витка, в пределах которого поле можно считать однородным, N – число витков зонда, то по формуле (8) заряд Q равен

Измеряя амплитуду импульса напряжения U = Vamp при помощи осциллографа, проекцию магнитной индукции Bx можно вычислить по формуле

x NS

Принципиальная схема установки изображена на рис. 5. Исследуемые поля создаются постоянными токами в катушках L1 и L2.

Рис. 5 Измерительная катушка (зонд) жестко закреплена на стержне, с помощью

которого она может перемещаться вдоль осей катушек L1 и L2. Параллельно измерительной катушке подключена емкость С. Полное сопротивление измерительной цепи R равно сумме сопротивлений сумме сопротивлений зонда, соединенных проводов и осциллографа в переходном процессе. Сила тока в катушках L1 и L2 изменяется с помощью потенциометра. Числовое значение амплитуды напряжения U на конденсаторе С указывается как Vamp в меню, расположенном в правой части экрана осциллографа.

ЗАДАНИЕ

1. Для каждой из катушек L1 и L2 измерить на их оси через каждый сантиметр амплитуду U импульса ЭДС в измерительной катушке (зонде) на экране осциллографа при включении тока, создающего поле. При этом необходимо учитывать знак U: ориентированная вверх кривая импульса сигнала соответствует U > 0, а вниз – U < 0.

Рассчитать проекцию магнитной индукции на оси катушек по формуле (10). Данные измерений и расчетов внести в таблицу. Проекция вектора магнитной индукции Bх на ось Оx имеет такой же знак, как и U.

В MS Excel на одной координатной плоскости построить графики функций B1x(х) и B2x(х) в соответствии с Приложением 1.

2. Проделать аналогичные измерения проекции индукции Bрх результирующего магнитного поля при одновременном прохождении тока в катушках L1 и L2. Результаты измерений и расчетов Bрх внести в таблицу.

В MS Excel на одной координатной плоскости построить графики функций от x: 1) алгебраической суммы проекций индукций магнитных полей

Bx(х) = B1x(х)+ B2x(х); 2) проекции индукции результирующего поля катушек

Bрх(х) в соответствии с Приложением 1.

3. Провести анализ полученных результатов. Сделать заключение о соответствии кривых B1x(х) и B2x(х) закону Био – Савара – Лапласа и о справедливости в последнем случае принципа суперпозиции магнитных полей.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Дать определение магнитного поля. Назвать его источники. Сформулировать принцип суперпозиции магнитных полей.

2.Записать закон Био – Савара – Лапласа. Как определяется направление

вектора dB ?

3.В чем состоит явление электромагнитной индукции? Определить направления индукционного тока в измерительной катушке при включении и выключении тока в катушке, создающей магнитное поле.

4.Перечислить все физические явления, лежащие в основе предложенного метода исследования магнитного поля катушек.

5.Пояснить принцип работы используемой схемы.

6.Используя закон Био – Савара – Лапласа и принцип суперпозиции магнитных полей, получить формулу (5).

ЛИТЕРАТУРА

1.Иродов, И. Е. Основные законы электромагнетизма / И. Е. Иродов. –

М. : Высш. шк., 1983.

2.Савельев, И. В. Курс общей физики. В 5 кн. Кн. 2: Электричество и магнетизм/ И. В. Савельев. – М. : Астрель: АСТ, 2004.

3.Сивухин, Д. В. Общий курс физики: – в 5 т. / Д. В. Сивухин. – М. : Физматлит, МФТИ, 2002 – 2005. – 5 т.

4.Электромагнетизм : лаб. практикум по курсу «Физика» / М. С. СергееваНекрасова [и др.]; под общ. ред. В. И. Мурзова, – Минск : БГУИР, 2011.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Лабораторная установка состоит из двух соосных катушек L1 и L2, токи в которых создают магнитное поле, измерительной катушки (зонда) малого диаметра, подключенной к осциллографу и служащей для измерения индукции магнитного поля, и лабораторного макета, создающего постоянный электрический ток в катушках L1 и L2 (рис. 6).

Подготовка лабораторной установки к работе:

–подключить установку к сети питания;

–тумблер "СЕТЬ" макета перевести в верхнее положение;

–включить осциллограф нажатием кнопки;

–измерительную катушку перевести в положение «0».

Рабочая формула: Bx UCRNS . (1)

Данные для расчетов: R = 267 Oм, N = 1000 витков, S = 7,1·10-4 м2 ,

С = 3,75·10-6 Ф.

Задание № 1. Исследовать зависимости от x проекций индукций B1x(х) и B2x(х) магнитных полей токов в катушках L1 и L2 по отдельности.

Тумблер П2 на лабораторном макете переключить в положении «L1(L2)». Тумблер П1 перевести в положение «L1». Нажав кнопку «КН», выставить на амперметре ток силой 0,3 А с помощью ручки потенциометра на лицевой стороне макета. Установить измерительную катушку (зонд) в положении «0». Нажав два раза кнопку «КН», получить на экране осциллографа изображение импульса напряжения. Измерить амплитуду импульса напряжения U с учетом знака, считывая его величину в числовом виде в меню Vamp, расположенном в правой части экрана осциллографа. Провести аналогичные измерения для остальных положений зонда от «1» до «9» через каждый сантиметр.

Перевести тумблер П1 в положение «L2» и выполнить указанные выше измерения.

Задание № 2. Исследовать зависимость от x проекции индукций Bрx(х) результирующего магнитного поля при одновременном прохождении тока в ка-

тушках L1 и L2.

Тумблер П2 переключить в положение «L1+L2» (при этом тумблер П1 может оставаться в любом положении «L1» или «L2»). Нажав кнопку «КН», выставить на амперметре ток силой 0,6 А. Установить измерительную катушку (зонд) в положении «0». Нажав два раза кнопку «КН», получить на экране осциллографа изображение импульса напряжения. Измерить амплитуду импульса напряжения U с учетом знака, считывая его величину в числовом виде в меню Vamp, расположенном в правой части экрана осциллографа. Провести аналогичные измерения для остальных положений зонда от «1» до «9» через каждый сантиметр.

После окончания измерений отключить приборы от сети.

Задание № 3. Для каждого измерения U по формуле (1) рассчитать проекцию индукцию магнитного поля Bx. Данные измерений и вычислений занести в таблицу.

В MS Excel на одной координатной плоскости построить графики функций

B1x(х) и B2x(х) в соответствии с Приложением 1.

В MS Excel на одной координатной плоскости построить графики функций от x: 1) алгебраической суммы проекций индукций магнитных полей

Bx(х) = B1x(х)+ B2x(х); 2) проекции индукции результирующего поля катушек

Bрх(х) в соответствии с Приложением 1.

Радиус витков катушек L1 и L2 равен 48 мм. Количество витков в катушках L1 и L2 равно 250.

После окончания измерений отключить приборы от сети.