- •Федеральное агентство по образованию рф
- •Московский государственный университет геодезии и картографии
- •Лабораторный практикум по физике
- •Электричество и магнетизм
- •Оглавление
- •Введение. Общая характеристика требований к работе в лаборатории по электричеству……………………………………………………………5
- •Введение Общая характеристика требований к работе в лаборатории по электричеству
- •Оформление отчёта о выполнении проделанной работы
- •Правила сборки схем и работа с ними.
- •Лабораторная работа № 201а
- •Составление спецификации электроизмерительных приборов.
- •Определение погрешности электроизмерительных приборов.
- •Часть 2. Знакомство с элементами электрических цепей. Изучение потенциометра. Следует различать понятия: резистор и сопротивление.
- •Порядок выполнения работы и обработки результатов измерений
- •Литература
- •Лабораторная работа № 201 б. Определение удельного сопротивления проводника
- •1. Составление спецификации электроизмерительных приборов.
- •Определение погрешности электроизмерительных приборов.
- •2. Определение удельного сопротивления проволоки.
- •Измерения и обработка результатов
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 202 Исследование электростатического поля.
- •Моделирование электростатического поля (метод электролитической ванны)
- •Описание лабораторной установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Измерение емкости конденсатора баллистическим гальванометром
- •Порядок выполнения работы и обработка результатов измерений:
- •Краткая теория
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 206 определение эдс источника двумя методами
- •I метод
- •Лабораторная работа № 210 изучение законов ома для цепей постоянного тока
- •При перемещении от точки 3 к точке 2 идем встречно эдс, поэтому потенциал точки 2 оказывается ниже (меньше), чем потенциал точки 3 на величину эдс , т.Е.
- •Дополнение. Разность потенциалов, эдс, напряжение – физический смысл этих понятий:
- •Измерения и обработка результатов
- •Измерение сопротивления можно выполнить двумя способами, используя схемы, показанные на рис.3 и рис.4.
- •Решая совместно указанные уравнения, найдем:
- •Лабораторная работа № 251 электронный осциллограф
- •Часть 1. Осциллограф как прибор для наблюдения электрических сигналов
- •Часть 2 Определение частоты сигнала и сравнение сигналов двух разных частот.
- •Лабораторная работа № 252 изучение характеристик полупроводникового диода и транзистора
- •1.Снятие вольтамперной характеристики полупроводникового диода.
- •2. Снятие характеристик транзисторов.
- •3. Скорохватов н.А. Курс лекций по электромагнетизму. М: миигАиК, 2006г Лабораторная работа № 253 определение горизонтальной составляющей магнитного поля земли с помощью тангенс-буссоли
- •Литература
- •Лабораторная работа № 254 изучение ферромагнетиков
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 255 . Изучение магнитного поля соленоида
- •Контрольные вопросы
- •Измерение индуктивности соленоидов
- •«Изучение вынужденных электрических колебаний» и «исследование затухающих колебаний» Краткая теория
- •Лабораторная работа № 257а «изучение вынужденных электрических колебаний»
- •Описание установки.
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа n 260. Исследование затухащих колебаний в колебательном контуре
3. Скорохватов н.А. Курс лекций по электромагнетизму. М: миигАиК, 2006г Лабораторная работа № 253 определение горизонтальной составляющей магнитного поля земли с помощью тангенс-буссоли
приборы и принадлежности: тангенс-буссоль, амперметр, переменное сопротивление, источник постоянного тока.
Цель работы: изучение характеристик магнитного поля, определение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли с помощью тангенс-буссоли.
Краткая теория:
Основными характеристиками магнитного поля являются векторы напряженности магнитного поля Н и магнитной индукции , связанные соотношением . Напряженность магнитного поля измеряется в амперах на метр (А/м). Магнитная индукция измеряется в теслах (Тл).
Магнитное поле можно изображать графически с помощью силовых линий - линий, касательные к которым в каждой точке пространства совпадают с направлением вектора . Особенностью силовых линий магнитного поля является то, что они замкнуты. Такие поля получили название вихревых или соленоидальных полей.
Земля имеет собственное магнитное поле. Магнитное поле Земли является векторным и характеризуется положением вектора в пространстве и его модулем. Суммарный вектор , изображенный на рисунке 1, разлагается на горизонтальную и вертикальную составляющие. Угол i между горизонтальной составляющей и полным вектором называется магнитным наклонением, а угол между направлениями на магнитный и географический полюсы - магнитным склонением. Существуют карты линий равных величин магнитных склонений (изогон), линий равных магнитных наклонений (изоклин) и линий равных значений полной напряженности магнитного поля (изодинам). На Северном магнитном полюсе наклонение равно + 90°, на Южном соответственно - 90°. В пределах магнитного экватора, не совпадающего с географическим, наклонение равно нулю. Геомагнитное поле Земли за последние 2,0 - 2,5 млрд. лет, что составляет больше половины ее геологической истории, принципиально не изменялось. Величина вектора напряженности магнитного поля Земли обычно характеризуется ее горизонтальной составляющей Н3о. Величины НЗО, и i называются элементами земного магнетизма. Все они подвержены медленным изменениям. В настоящее время для Москвы HЗО = 13,5 А/м, = +5°42', i = 69°39'.
На рисунке 1 представлены основные элементы магнитного поля Земли: В - поверхность Земли на ограниченном участке, А - вертикальная плоскость, С - магнитная силовая линия; составляющие полного вектора магнитного поля: - горизонтальная, - вертикальная, i - магнитное наклонение, - магнитное склонение, МП - направление на магнитный полюс, ГП - направление на географический полюс.
Для измерения горизонтальной составляющей магнитного поля Земли в данной работе используется тангенс-буссоль, которая содержит магнитную стрелку, помещенную на вертикальной оси в центре большой, вертикально расположенной катушки радиуса R , имеющей N витков.
Под действием горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли стрелка расположится, в плоскости магнитного меридиана. Установим тангенс- буссоль таким образом (рис. 1), чтобы плоскость витков катушки также совпала с плоскостью магнитного меридиана (вдоль направления магнитной стрелки).
При пропускании по виткам катушки электрического тока возникает магнитное поле. Его напряженность можно найти, пользуясь законом Био-Савара-Лапласа:
где I - ток, протекающий по проводнику, - участок проводника бесконечно малой длины (произведение называется элементом тока), - угол между направлением элемента тока и радиус-вектором , проведенным от элемента тока к точке, в которой вычисляется поле.
Определим напряженность магнитного поля в центре кругового витка с током (рис. 2). В данном случае радиус-вектор R перпендикулярен элементу тока и . Элементарное поле, создаваемое элементом тока, равно:
Полное поле в центре витка найдем суммированием элементарных полей, создаваемых всеми элементами тока , которые в данном случае имеют одно и то же направление:
Интеграл взят по всей длине окружности витка с током. Если плоская катушка содержит N витков, то в соответствии с принципом суперпозиции полей, поля отдельных витков складываются. Поэтому в центре катушки магнитное поле имеет напряженность:
(А/м)
Направление вектора можно найти, пользуясь правилом правого винта (буравчика). Для тока, показанного на рис. 3, вектор Н направлен перпендикулярно плоскости витка.
Под действием этого поля магнитная стрелка стремится расположиться перпендикулярно плоскости катушки. Таким образом, магнитная стрелка оказывается одновременно под действием двух магнитных полей: горизонтальной составляющей магнитного поля Земли и магнитного поля кругового тока катушки Н. В результате стрелка повернется на некоторый угол (меньший 90°) от плоскости магнитного меридиана, как показано на рис. 1. Угол тем больше, чем больше сила тока I. Из рисунка видно, что откуда находим окончательно:
Техника безопасности:
Не подключать к собранной схеме источники напряжения до проверки ее преподавателем или лаборантом.
Не производить переключений цепей, находящихся под напряжением. Не прикасаться к неизолированным частям цепей.
Не оставлять без присмотра включенную схему.
Порядок выполнения работы
Собрать цепь по схеме, изображенной на рис. 3, где В - тангенс-буссоль, А - амперметр, R - реостат,
Рис. 4. Схема установки
Установить плоскость витков катушки тангенс-буссоли вдоль «магнитного меридиана» т.е. вдоль направления магнитной стрелки. При этом необходимо следить за тем, чтобы на отклонение стрелки не влияло близкое соседство железных или других магнитных предметов и проводов с током.
Установить реостат в среднее положение, включить ток и отрегулировать реостатом его силу так, чтобы стрелка отклонилась на угол = 30°. Отсчет угла производится от плоскости витков
Определить силу тока по амперметру и записать в таблицу 1.
Аналогичные измерения произвести при других значениях силы тока. Рекомендуется задавать силу тока такой, чтобы угол , был равен 45, 60°.
Изменив направление тока в цепи путем переключения проводников на клеммах тангенс-буссоли, провести измерения согласно пунктам 2-5.
Вычислить величину , используя среднее значение силы тока для данного угла.
По вычисленным значениям , найти среднеарифметическое значение и рассчитать среднеквадратическую погрешность измерений . Вычислить среднеквадратическую погрешность по формуле
,
где n - число измерений (т.е. n=3); - значение в результате -го измерения.
Рассчитать относительное расхождение теоретического и экспериментального значения:
где - теоретическое значение горизонтальной компоненты магнитного поля Земли, - вычисленное значение горизонтальной компоненты магнитного поля Земли, т.е. . При хорошем согласии результатов, не должно превышать 10 – 20 %.
Таблица 1
Угол отклонения, градусы |
Сила тока, А |
|
|
||
Для одного направления тока |
Для другого направления тока |
Средняя сила тока |
|||
30 |
|
|
|
|
|
45 |
|
|
|
|
|
60 |
|
|
|
|
|
Контрольные вопросы
1.Как на основании полученного результата для Н30 вычислить вертикальную составляющую магнитного поля Земли и получить величину напряженности магнитного поля Земли над Москвой?
2.Расскажите, как с помощью закона Био-Савара-Лапласа найти магнитное поле произвольной системы токов в некоторой точке пространства.
3.Напишите формулы для магнитной индукции на расстоянии r от длинного прямого провода с током I; в центре кругового витка радиуса R с током I.
4.Сформулируйте теорему о циркуляции вектора напряженности магнитного поля (закон полного тока).
5.Рассчитайте циркуляцию вектора H вдоль силовой линии прямого тока.