pdf / 3э.8 Изучение явления электромагнитной индукции

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3э.8

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

Цель работы

Экспериментально изучить частные случаи основного закона электромагнитной индукции.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Явление электромагнитной индукции

В 1831 г. английский физик М. Фарадей обнаружил, что при изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную проводящим контуром, в контуре возникает электрический ток. Этот ток называют индукционным, а само явление – явлением электромагнитной индукции. Индукционный ток обусловлен действием в контуре ЭДС индукции i , величина которой определяется законом Фарадея:

где d – скорость изменения магнитного потока через поверхность, ограничен- dt

ную контуром.

Тогда сила индукционного тока I i в контуре с пренебрежимо малой индуктивностью контура определяется законом Ома:

где R – сопротивление контура.

Следует подчеркнуть, что i не зависит от способа изменения магнитного потока, а определяется лишь скоростью его изменения.

Магнитный поток может быть изменен следующими способами:

а) изменением во времени вектора магнитной индукции B ;

б) изменением площади поверхности, ограниченной контуром; в) изменением ориентации контура относительно линий магнитного поля.

Направление индукционного тока определяется правилом Ленца: индукци-

онный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать причине, его вызывающей.

Знак магнитного потока Ф связан с направлением нормали к поверхности, ограниченной контуром, а знак ЭДС i связан с выбором направления обхода по контуру. При выборе направлений в соответствии с правилом правого винта ве-

личины i и dФ имеют противоположные знаки. dt

2

Рассмотрим круговой контур (Г) и выберем единичный вектор n нормали к

его поверхности в направлении внешнего поля B (рис. 1). Положительным счи-

Согласно электродинамике Максвелла, изменяющееся во времени магнитное поле порождает вихревое электрическое, циркуляция которого вдоль любого замкнутого контура равна ЭДС индукции, возникающей в совпадающем с ним линейном проводнике. Таким образом, замкнутый проводник является индикатором вихревого электрического поля, порождаемого нестационарным магнитным полем.

Явление самоиндукции

Рассмотрим контур, по которому течет ток. Силовые линии магнитного поля, созданного током в витке, пронизывают виток, т. е. создают магнитный поток, пронизывающий контур. Изменение тока в витке приводит к изменению этого магнитного потока, что ведет к возникновению ЭДС индукции в том же контуре.

3

Если L const , то

L dI (7)

Явление взаимной индукции

Рассмотрим два (и более) контура (рис. 2), между которыми имеется магнитная связь.

Рис. 2 Магнитная связь проявляется в том, что при всяком изменении тока в од-

ном контуре в другом возникает ЭДС индукции. Это явление получило название взаимоиндукции:

где L12 L21 – коэффициенты, называемые взаимной индуктивностью контуров.

Методическое обоснование работы

В работе предлагается проверить на опыте некоторые частные случаи явления электромагнитной индукции. Схема установки приведена на рис. 3. Изменяющееся магнитное поле в длинном соленоиде L0 возбуждает вихревое электрическое поле, под действием которого в катушках L1 L5 возникает ЭДС индукции.

Осциллограф

П

L0

mA Генератор звуковой

Рис.3

4

Измерять величину ЭДС индукции электронным осциллографом, при этом силу тока, проходящего по соленоиду (ручка Рег. выхода генератора), поддерживать постоянной. Величину ЭДС индукции определить по формуле ly y , где

ly величина исследуемого сигнала на экране осциллографа в делениях, y чувствительность осциллографа ("ВОЛЬТ/дел."), определяемая по передней панели осциллографа.

Результаты измерений и вычислений занести в табл. 1.

Таблица 1

1

2

3

4

5

Построить график зависимости f (K) .

2. Изучить зависимость ЭДС индукции от частоты переменного тока.

Для этого изменить частоту переменного тока, с помощью звукового генератора. ЭДС индукции определить на одной из секции L1 L5 вторичной катушки (см. рис. 3). Измерения величины ЭДС проводить, как в п. 1. Результаты измерений и вычислений записать в табл. 2.

Таблица 2

Построить график зависимости f ( ).

3. Проверить независимость коэффициента взаимной индукции от частоты генератора.

Подать напряжение с генератора на соленоид L0, кнопка "Гн, Осц." отжата, а на одной из секций вторичной катушки (L4 или L5) определить ЭДС индукции с помощью осциллографа. Микроамперметр измеряет ток через соленоид I0. Используя формулу (14), определить L21 для трех различных частот.

Затем подать напряжение с генератора на ту же секцию вторичной катушки,

6

4. Проверить независимость коэффициента взаимной индукции от силы тока, создающего магнитное поле.

Подать, как и в п. 3, напряжение с генератора на соленоид L0, а на одной из секций вторичной катушки определить ЭДС индукции с помощью осциллографа (см. рис. 3). Используя формулу (14), определить L21 для трех различных значений тока.

Затем подать напряжение с генератора на ту же секцию вторичной катушки и снять на соленоиде показания ЭДС, необходимые для вычисления L12 по формуле

(15).

Результаты измерений и вычислений записать в табл. 4.

5. Измерить ЭДС индукции на последней секции К5 при включении ее в противоположном направлении. Проанализировать полученный результат.

Содержание отчета

1.Формулировка цели работы.

2.Приборы и принадлежности, используемые в процессе выполнения работы (в виде таблицы).

3.Схема используемой установки.

4.Рабочие формулы и формулы расчета погрешности измерений.

5.Результаты измерений и расчетов (в виде таблиц).

6.Графический материал, полученный в результате проведенных измерений

ирасчетов.

7.Выводы по работе, окончательные результаты.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Какими могут быть причины изменения магнитного потока, проходящего через поверхность, ограниченную контуром?

2.Сформулировать основной закон электромагнитной индукции Фарадея. Каким уравнением он записывается?

3.Какие механизмы возникновения ЭДС индукции вы знаете?

4.Каким уравнением выражается ЭДС самоиндукции? Выведите его.

5.Объяснить явление взаимной индукции.

6.Поясните принцип работы лабораторной установки.

7.Каков механизм возникновения ЭДС индукции в контуре, содержащем катушки L1–L5 (рис. 3)?

7

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.

8