Волков А.Ф., Лумпиева Т.П. Лабораторный практикум по физике

Подождите немного. Документ загружается.

Электромагнетизм Описания лабораторных работ

ПРОТОКОЛ

измерений к лабораторной работе №54

Выполнил(а)_____________________ Группа__________________

Масса магнита

m = _____________

Длина магнита l = ______________

Ширина магнита d = ____________

Задание 1

№п/п

, с T, с

среднее

Задание 2

№ п/п

R, см

,° ϕ

ср

,°

В, Тл

, А⋅м

среднее

Дата________ Подпись преподавателя___________________

141

Описания лабораторных работ Электромагнетизм

Лабораторная работа № 55

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ

ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

Цель работы – определить горизонтальную составляющую магнитного

поля Земли с помощью тангенс-гальванометра.

Приборы и принадлежности: тангенс-гальванометр, амперметр, реостат,

источник постоянного тока, выключатель.

Общие положения

Вокруг Земного шара существует магнитное поле, линии индукции кото-

рого изображены на рис. 1. Вектор индукции (а также и вектор напряженности)

магнитного поля Земли в средних широтах направлен под некоторым углом к

поверхности Земли и может быть разложен на две составляющие: горизонталь-

ную и вертикальную .

⊥

Рисунок 1

В данной работе горизонтальная составляющая индукции магнитного по-

ля Земли определяется с помощью тангенс-гальванометра. Он представляет со-

бой плоскую вертикальную катушку, у которой радиус витков R больше длины

этой катушки. Число витков, намотанное на катушке, N. В центре катушки в го-

ризонтальной плоскости располагается короткая магнитная стрелка, которая

вращается вокруг вертикальной оси.

Для определения горизонтальной составляющей магнитного поля Земли

необходимо рассмотреть суперпозицию какого-нибудь пробного магнитного

поля, индукция которого в данной точке направлена горизонтально, и горизон-

тальной составляющей магнитного поля Земли. В качестве такого поля исполь-

зуется магнитное поле, создаваемое током, протекающим по виткам тангенс-

гальванометра.

142

Электромагнетизм Описания лабораторных работ

Тангенс-гальванометр расположим так, чтобы плоскость катушки по маг-

нитной стрелке была установлена в плоскости магнитного меридиана. При про-

пускании тока по виткам катушки тангенс-гальванометра возникает магнитное

поле индукцией

. Вектор

в центре лежит в горизонтальной плоскости пер-

пендикулярно горизонтальной составляющей магнитного поля земли.

Вектор индукции результирующего поля по принципу суперпозиции ра-

вен векторной сумме полей. Стрелка компаса установится по диагонали парал-

лелограмма, сторонами которого будут вектор магнитной индукции магнитного

поля кругового тока

и горизонтальная составляющая вектора магнитного по-

ля Земли – .

На рис. 2 изображено сечение ка-

тушки прибора горизонтальной плоско-

стью и указано направление векторов

индукции

Из рисунка видно, что

, (1)

где α – угол между векторами и

Индукция магнитного поля, созда-

ваемая в точке С витками катушки:

Рисунок 2

μμ

= , (2)

где – магнитная постоянная (

=4π⋅10

−7

Гн/м);

– относительная магнитная проницаемость, для воздуха

≈1;

N – число витков катушки; I – сила тока; R – радиус витков.

Приравняем выражения (1) и (2) и получим формулу для расчета горизон-

тальной составляющей индукции магнитного поля Земли:

αtg2

B =

. (3)

Подготовка к работе

(ответы представить в письменном виде)

1. В чем состоит цель работы?

Какие физические величины измеряются непосредственно?

По какой формуле Вы будете рассчитывать горизонтальную составляющую

индукции магнитного поля Земли? Поясните смысл обозначений.

Что называется магнитной индукцией? В каких единицах она измеряется?

Что называется линиями магнитной индукции? Как определить их направление?

143

Описания лабораторных работ Электромагнетизм

Выполнение работы

1. Измерить радиус R витков и сосчитать их количество N.

2. Собрать электрическую цепь по схеме, указанной на рис. 3.

3. Определить цену деления амперметра.

4. Установить плоскость катушки тангенс-гальванометра в плоскости магнит-

ного меридиана.

5. Замкнуть цепь переключателем. С помощью реостата установить в цепи та-

кой ток, чтобы магнитная стрелка отклонилась на угол не более 30°. Изме-

рить угол α

отклонения стрелки.

6. Изменить переключателем направление то-

ка. Измерить угол α

отклонения магнитной

стрелки при той же силе тока.

7. Повторить измерения согласно п.п. 5 и 6

еще два раза, изменяя значение силы тока.

Оформление отчета

1. Расчеты

1. Найти среднее значение угла отклонения

стрелки для каждого значения силы тока.

2. Рассчитать значение В

по результатам

каждого опыта по формуле (3).

3. Рассчитать среднее значение В

4. Рассчитать абсолютную погрешность

как для прямых измерений.

5. Найти относительную погрешность изме-

рений. Результат записать в стандартном

виде:

BBB Δ

2. Защита работы

(ответы представить в письменном виде)

1. Запишите формулу, связывающую индукцию и напряженность магнитного

поля. Используя рассчитанное среднее значение горизонтальной состав-

ляющей индукции магнитного поля Земли, вычислите соответствующее зна-

чение напряженности для нашей широты.

2. Какое положение в пространстве примет магнитная стрелка тангенс-

гальванометра при наличии: а) только магнитного поля Земли; б) только

магнитного поля кругового тока; в) магнитных полей Земли и кругового то-

ка (виток находится в плоскости магнитного меридиана)?

3. Приведите расчетную формулу индукции магнитного поля в центре круго-

вого тока. Как изменится индукция магнитного поля в центре кругового то-

ка, если: а) ток в витке увеличить в 2 раза? б) радиус витка увеличить в 2

раза?

4. На какой географической широте горизонтальная составляющая вектора ин-

дукции магнитного поля Земли равна нулю?

G 1

P 1

S 1

Рисунок 3

144

Электромагнетизм Описания лабораторных работ

ПРОТОКОЛ

измерений к лабораторной работе №55

Выполнил(а)_____________________ Группа__________________

Радиус витков R = _____________

Число витков N= ______________

Определение цены деления приборов

№

п/п

Прибор

Предел подключения

с указанием единицы

измерения

Число

делений на

шкале

Цена деления

с указанием еди-

ницы измерения

1 Амперметр

№ п/п I, A

,° α

ср

,°

,Тл

среднее

Дата________ Подпись преподавателя___________________

145

Описания лабораторных работ Электромагнетизм

Лабораторная работа № 57

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО

ПОЛЯ ТОРОИДА ОТ НАПРЯЖЕННОСТИ НАМАГНИЧИВАЮЩЕГО ПОЛЯ

Цель работы – исследовать зависимость индукции магнитного поля то-

роида и магнитной проницаемости сердечника тороида от напряженности

внешнего намагничивающего поля.

Приборы и принадлежности: тороид с железным сердечником, регули-

руемый источник питания ВС-24М, измеритель магнитной индукции, ампер-

метр.

Общие положения

Совокупность тел, по которым проходит поток магнитной индукции, на-

зывается магнитной цепью. Если поток переходит из одной среды в другую

среду целиком, то говорят о последовательном соединении сред. Примером не-

разветвленной магнитной цепи может служить система, представляющая собой

электромагнит в виде тороида дли-

ной l (длина средней линии) с воз-

душным зазором шириной l

(рис.1).

Наличие зазора существенно

меняет величину напряженности Н

магнитного поля тороида, поэтому

для ее расчета нельзя применять

формулу для расчета напряженно-

сти поля сплошного тороида:

, (1)

где N – число витков тороида; I –

сила тока в обмотке тороида, r – расстояние от центра тороида до точки, в ко-

торой ищется Н.

Рисунок 1

Для определения напряженности магнитного поля тороида воспользуемся

законом полного тока:

NIIldH

∫

∑

(2)

В формуле (2) циркуляция вектора

считается по контуру L, образован-

ному средней линией тороида и воздушным зазором.

Обозначив Н – напряженность магнитного поля внутри тороида, H

– на-

пряженность поля в воздушном зазоре, получим

INlHlH

(3)

146

Электромагнетизм Описания лабораторных работ

Так как магнитная проницаемость воздуха

≈

, то индукция В

магнит-

ного поля в зазоре связана с напряженностью Н

магнитного поля соотношени-

ем . Сделав замену в уравнении (3), найдем

000

HB μ=

−

(4)

Поскольку ширина l

зазора значительно меньше l, то рассеяние магнит-

ного поля невелико, и можно считать, что индукция В

магнитного поля в зазо-

ре равна индукции В поля в тороиде, т.е. В

=В. Таким образом, для определения

напряженности Н магнитного поля внутри тороида надо знать индукцию поля

В, силу тока I, длину l железного сердечника и длину l

воздушного зазора.

Магнитную проницаемость материала тороида можно рассчитать по

формуле

=μ

. (5)

Отметим, что магнитная проницаемость ферромагнетиков зависит от на-

пряженности внешнего поля. Начальной магнитной проницаемостью называет-

ся величина, измеренная при небольших значениях Н.

Описание экспериментальной установки

Экспериментальная установка состоит из электромагнита в виде тороида

1, источника тока 2, изме-

рителя магнитной индук-

ции ИМИ с датчиком Хол-

ла 3 (ри .2). Обмотку то-

роида можно подключать к

источнику постоянного или

переменного тока. Величи-

на тока плавно меняется

при помощи регулятора на

передней панели прибора.

Переменный ток использу-

ется для размагничивания

железного сердечника

электромагнита. Известно,

что в убывающем переменном магнитном поле ферромагнетик размагничивает-

ся, поэтому уменьшение переменного тока в обмотке тороида от некоторо

го

значе

ают в измеряемое магнитное поле и снимают показания со шкалы при-

бора.

Рисунок 2

ния до 0 приведет к размагничиванию сердечника.

Индукция В магнитного поля измеряется при помощи измерителя маг-

нитной индукции, работа которого основана на эффекте Холла. Датчик Холла

помещ

147

Описания лабораторных работ Электромагнетизм

Подготовка к работе

(ответы представить в письменном виде)

В чем состоит цель работы?

Какие физические величины измеряются непосредственно (прямые измере-

ния)?

Запишите формулу, связывающую индукцию и напряженность магнитного

поля.

Запишите формулу, по которой Вы будете рассчитывать напряженность

магнитного поля в зазоре сердечника. Поясните смысл обозначений.

Какие графики необходимо построить по результатам работы? Схематично

нарисуйте теоретический вид проверяемых зависимостей.

Выполнение работы

1. Записать число витков N тороида, длину l средней линии сердечника, шири-

ну l

воздушного зазора. Данные указаны на рабочем месте.

Собрать схему для размагничивания (рис. 1).

Размагнитить сердечник электромагнита. Для этого, включив источник пи-

тания, ручкой регулировки выходного напряжения медленно увеличить его

до максимального значения и так же медленно уменьшить до нуля.

Включить измеритель магнитной индукции. Тумблер предела измерений

магнитного поля перевести в положение «×2» и ручкой «Уст. 0» установить

стрелку прибора на середину шкалы (показание 0).

При помощи измерителя магнитной индукции провести проверку размагни-

чивания. Для этого датчик Холла поместить в зазор сердечника тороида.

После размагничивания, отключить электромагнит от источника питания.

Собрать схему для намагничивания (рис. 2). Регулятор напряжения устано-

вить на нулевую отметку.

Определить цену деления амперметра.

Ввести датчик измерителя магнитной индукции в зазор сердечника. Увели-

чивая ток в цепи с шагом, указанным преподавателем, снимать показания

измерителя магнитной индукции, умножая их на 2. (ни в коем случае не до-

пускать уменьшения тока), Измерения проводить при каждом значении то-

ка дважды, меняя ориентацию датчика на 180º (стрелка прибора при этом

должна отклоняться в противоположную сторону по шкале прибора). По

двум измерениям индукции магнитного поля берут среднее значение.

10.

При достижении максимального значения индукции на пределе «×2», пе-

рейти на предел «×5». При переходе на данный предел вынуть датчик из за-

зора электромагнита и ручкой «Уст. 0» установить стрелку прибора на 0.

Датчик магнитометра при этом не должен находиться в сердечнике электро-

магнита.

11.

Продолжить измерения согласно п. 8, умножая показания измерителя на 5.

148

Электромагнетизм Описания лабораторных работ

Оформление отчета

1. Расчеты

1. Рассчитать напряженность магнитного поля по формуле (4).

Рассчитать магнитную проницаемость по формуле (5).

Построить графики зависимостей

(

)

HfB

(

)

. При построении

графика , считать, что начальное значение магнитной проницаемо-

сти при Н=0 равно 50.

()

Hf=μ

2. Защита работы

(ответы представить в письменном виде)

Дайте определение магнитной индукции.

Укажите единицы измерения индукции магнитного поля и напряженности

магнитного поля.

Какие свойства ферромагнетиков Вы проверили в данной работе?

Сравните полученные экспериментально графики

(

HfB

)

(

)

Hf=μ

теоретическими зависимостями. Сделайте вывод по результатам работы.

149

Описания лабораторных работ Электромагнетизм

ПРОТОКОЛ

измерений к лабораторной работе №57

Выполнил(а)_____________________ Группа__________________

Число витков тороида N = ______________

Длина средней линии сердечника l = _____________

Ширина воздушного зазора l

= _______________

Определение цены деления приборов

№

п/п

Прибор

Предел подключения

с указанием единицы

измерения

Число деле-

ний на шка-

ле прибора

Цена деления

с указанием еди-

ницы измерения

1 Амперметр

№

п/п

мТл

ср

мТл

А/м

Дата________ Подпись преподавателя___________________

150