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

Подождите немного. Документ загружается.

Электромагнетизм Описания лабораторных работ

Лабораторная работа № 58

ИЗМЕРЕНИЕ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В ЖЕЛЕЗЕ

ПО ПОДЪЕМНОЙ СИЛЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТА

Цель работы – произвести расчет индукции магнитного поля в железе по

подъемной силе электромагнита, исследовать зависимость индукции магнитно-

го поля в железе и магнитной проницаемости от напряженности намагничи-

вающего поля.

Приборы и принадлежности: подковообразный электромагнит на под-

ставке, якорь с набором грузов, амперметр постоянного тока, реостат, лабора-

торный автотрансформатор.

Описание экспериментальной установки

Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. Установка

состоит из электрических цепей постоянного и переменного токов. Перемен-

ный ток используется для размагничивания сердечника электромагнита 1. Сила

тока в этой цепи регистрируется амперметром А

и регулируется лабораторным

автотрансформатором (ЛАТР). Цепь постоянного тока состоит из источника

тока, реостата и амперметра А

. Эта цепь используется для намагничивания

электромагнита. Сила тока в ней изменяется реостатом. С помощью переклю-

чателя K электромагнит можно включать в цепь постоянного или переменного

тока. Установка снабжена якорем 2 и пятью грузами, масса которых известна.

Общие положения

Подъемной силой электромагнита называется сила притяжения якоря 2

электромагнита к сердечнику 1 (рис. 1). В данной работе подъемная сила F

электромагнита равна весу грузов, которые удерживает электромагнит:

Рис

нок 1

, (1)

где

m – масса удерживаемых грузов.

Способность удерживать грузы электро-

магнит приобретает за счет внешнего намаг-

ничивающего поля. Напряженность

H этого

поля найдем, используя закон полного тока.

Величина

x зазора между сердечником и яко-

рем практически равна нулю, поэтому можно

записать:

где l – длина сердечника, N – число витков в

обмотке,

I – сила тока в обмотке.

151

Описания лабораторных работ Электромагнетизм

Отсюда

H =

. (2)

Если под действием подъемной силы якорь смещается на величину dx, то

полный магнитный поток, пронизывающий сердечник, изменится на величину

dΨ. Это приведет к возникновению в обмотке индукционного тока. В свою

очередь индукционный ток изменит энергию, выделяемую источником тока,

энергию магнитного поля сердечника и количество тепла, выделяющегося в

обмотке. По закону сохранения энергии

dQdWdWA

, (3)

где Fdx

=δ – элементарная работа, совершаемая при смещении якоря;

dW – изменение энергии источника;

– изменение энергии магнитного поля;

dQ – величина, на которую изменится количество тепла, выделившегося в

обмотке.

Можно показать, что

−

= iddW ;

−=

; . Ψ= iddQ 2

Сделав замену в (3), получим:

Ψ+

−Ψ−= id

idFdx 2

. (4)

Отсюда

⋅=

. (5)

Полный магнитный поток

, (6)

где B – индукция магнитного поля в сердечнике;

S – площадь сечения сердечника.

, (7)

где d – диаметр сердечника.

При наличии зазора закон полного тока запишется в виде

2',

где

– напряженность поля в зазоре,

x – величина зазора (мы учли, что зазоров два).

Учитывая, что магнитный поток в зазоре и сердечнике одинаков, а также

то, что индукция и напряженность магнитного поля связаны соотношением

μμ

, (8)

152

Электромагнетизм Описания лабораторных работ

можно получить выражение для определения полного магнитного потока:

()

μ+

μμ

=Ψ

. (9)

Сделав замену в (5) по формуле (9) и дифференцируя, получим с учетом

того, что зазор очень мал:

2 μ

⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

μ+

μμ

SBS

где – Гн/м магнитная постоянная.

104

−

⋅π=μ

Отсюда

(10)

Подготовка к работе

(ответы представить в письменном виде)

В чем состоит цель работы?

Какие физические величины измеряются непосредственно (прямые измере-

ния)?

Запишите формулу, по которой Вы будете рассчитывать напряженность на-

магничивающего поля. Поясните смысл обозначений.

Запишите формулу, по которой Вы будете рассчитывать индукцию магнит-

ного поля. Поясните смысл обозначений.

5. Какие графики необходимо построить по результатам работы? Схематично

нарисуйте теоретический вид проверяемых зависимостей.

Выполнение работы

1. Собрать электрическую цепь по схеме (рис. 1).

Определить цену деления амперметра. Записать значения диаметра d и дли-

ны l сердечника, количества витков N, которые указаны на установке. Массы

m якоря и грузов указаны на них.

Включить электропитание установки.

Перед началом опыта необходимо размагнитить сердечник. Для этого замк-

нуть сердечник электромагнита якорем, включить установку в цепь пере-

менного тока и установить с помощью ЛАТРа ток ~1,0 А. Затем плавно

уменьшить ток от этого максимального значения до нуля. Разомкнуть цепь

переключателем К.

Вывести реостат на максимальное сопротивление. Включить установку в

цепь постоянного тока. Увеличивая ток малыми ступенями (~0,01

− 0,02 А) с

помощью регулятора напряжения, подобрать минимальную силу тока, при

которой электромагнит удерживает якорь.

153

Описания лабораторных работ Электромагнетизм

6. Подвесить к якорю платформу без грузов. Подобрать минимальную силу то-

ка, при которой электромагнит удерживает якорь с платформой. Плавную

регулировку силы тока можно проводить с помощью реостата. После каждо-

го увеличения тока делать попытку удержать якорь электромагнитом. Если

электромагнит не удерживает якорь, то увеличить ток и повторить попытку.

Повторить опыт со всеми грузами, последовательно добавляя их на плат-

форму.

Примечание

При подборе минимального значения силы тока подходить к нему следу-

ет со стороны меньшей силы тока. Перемещать регулятор напряжения и пол-

зунок реостата следует осторожно. В случае оплошности необходимо снова

размагнитить сердечник (см. пункт 4) и повторить намагничивание с самого

начала.

Оформление отчета

1. Расчеты

1. Вычислить площадь сечения сердечника электромагнита по формуле (7).

Рассчитать подъёмную силу электромагнита по формуле (1).

По формуле (2) рассчитать напряженность намагничивающего поля для ка-

ждого опыта.

По формуле (10) рассчитать индукцию магнитного поля для каждого значе-

ния напряженности.

Рассчитать магнитную проницаемость материала сердечника для каждого

значения напряженности поля по формуле

=μ

6. Построить графики зависимостей B=f(H) и μ=f(H).

2. Защита работы

(ответы представить в письменном виде)

1. Запишите формулу, связывающую индукцию и напряженность магнитного

поля.

Дайте определение магнитной индукции. Укажите единицы измерения ин-

дукции магнитного поля и напряженности магнитного поля.

3. Перечислите основные свойства ферромагнетиков. Какие из них Вы прове-

ряли в данной работе?

4. Сравните полученные экспериментально графики и

(

HfB =

)

(

)

с теоретическими зависимостями. Сделайте вывод по результатам ра-

боты.

154

Электромагнетизм Описания лабораторных работ

ПРОТОКОЛ

измерений к лабораторной работе №58

Выполнил(а)_____________________ Группа__________________

Число витков катушки N = ______________

Длина сердечника l = __________________

Диаметр сердечника d = ________________

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

Тл

А/м

Дата________ Подпись преподавателя___________________

155

Описания лабораторных работ Электромагнетизм

Лабораторная работа №59

ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОТОКА

Цель работы − ознакомиться с методом измерения магнитного потока;

исследовать зависимость магнитной индукции поля, создаваемого подковооб-

разным магнитом, от расстояния до нейтральной линии магнита.

Приборы и принадлежности: подковообразный магнит, измерительная

катушка, прибор для измерения магнитного потока.

Общие положения

Потоком вектора магнитной индукции или магнитным потоком сквозь

площадку dS называется скалярная физическая

величина

Рисунок 1

, (1)

cosBdSdSBdФ

где α − угол между направлением вектора

нормалью к площадке (рис. 1).

Магнитный поток Ф через конечную по-

верхность S определяется интегралом:

∫

dSBФ . (2)

Единица измерения магнитного потока в СИ

− вебер (Вб). 1 Вб = 1 Тл⋅м

Если

const=

, а контур плоский, то

cos

Ф . (3)

Для контура, состоящего из N витков, вводят понятие полного магнитно-

го потока Ψ, который называют потокосцеплением:

. (4)

Метод измерения магнитного потока основан на явлении электромагнит-

ной индукции. С измерительным прибором соединяют концы небольшой ка-

тушки, число витков которой N. Такая катушка, служащая для измерения маг-

нитного потока, называется флюксметром. Расположим плоскость катушки

перпендикулярно магнитному полю. При этом её пронизывает магнитный по-

ток Ф. Если быстро убрать катушку из поля, то магнитный поток обратиться в

нуль. При изменении магнитного потока через катушку течет кратковременный

ток

dФ

−= , (5)

где R – сумма сопротивлений катушки, измерительного прибора и подводящих

проводов. За время изменения магнитного потока от Ф до 0 через измеритель-

ный прибор пройдет заряд

156

Электромагнетизм Описания лабораторных работ

NФ

dФ

=−=

∫

. (6)

Отклонение указателя измерительного прибора пропорционально заряду,

поэтому он позволяет измерять этот заряд. Прибор можно градуировать таким

образом, чтобы он прямо указывал значение магнитного потока.

Измеряя значения полного магнитного потока, рассчитывают индукцию

магнитного поля, используя формулы (3) и (4):

= . (7)

Описание экспериментальной установки

Экспериментальная установка для измерения магнитного потока состоит

из измерительной катушки 1, фиксатора

2. исследуемого подковообразного маг-

нита 3 (рис. 1), измерительного прибора.

Им может быть микровеберметр или

гальванометр. Измерительная катушка

помещается на различных расстояниях l

от нейтральной линии (аb) магнита и

удерживается в исходном положении

фиксатором. Площадь, охватываемая

катушкой, почти равна площади сечения

магнита.

Рисунок 2

Микровеберметр представляет со-

бой лабораторный цифровой прибор.

Инструкция к нему находится на рабо-

чем месте.

Подготовка к работе

(ответы представить в письменном виде)

В чем состоит цель работы?

Какие физические величины измеряются непосредственно (прямые измере-

ния)?

Запишите формулу, по которой Вы будете рассчитывать индукцию магнит-

ного поля. Поясните смысл обозначений.

Какой график необходимо построить по результатам работы?

Выполнение работы

1. Записать постоянную прибора С (микровеберметра или гальванометра), чис-

ло витков N и площадь S, ограниченную витками катушки.

2. Ознакомиться с правилами пользования измерительным прибором (микро-

веберметром или гальванометром). Подготовить прибор к работе.

3. Присоединить концы катушки к зажимам измерительного прибора.

157

Описания лабораторных работ Электромагнетизм

4. Расположить катушку в фиксированном положении, которое ближе всего к

нейтральной линии (аb) магнита. Записать значение расстояния l.

5. Убрать фиксатор и дать возможность катушке свободно падать. Снять от-

счет n по измерительному прибору. Опыт повторить три раза.

6. Располагая катушку поочередно во всех фиксированных положениях, повто-

рить измерения согласно п. 5. для каждого расстояния.

Оформление отчета

1. Расчеты

1. Найти среднее значение отсчета прибора для каждого расстояния.

2. Рассчитать для каждого расстояния величину полного магнитного потока по

формуле

3. Рассчитать индукцию магнитного поля по формуле (7) для каждого расстоя-

ния l.

4. Построить график зависимости индукции магнитного поля от расстояния до

нейтральной линии магнита В=f(l).

2. Защита работы

(ответы представить в письменном виде)

Дайте определение магнитного потока. В каких единицах он измеряется?

Как рассчитывается полный магнитный поток (потокосцепление)?

Какое явление лежит в основе метода измерения магнитного потока? В чем

оно заключается?

Сделайте вывод, как зависит индукция магнитного поля подковообразного

магнита от расстояния до нейтральной линии.

158

Электромагнетизм Описания лабораторных работ

ПРОТОКОЛ

измерений к лабораторной работе №59

Выполнил(а)_____________________ Группа__________________

Постоянная прибора С = ______________

Площадь катушки S = ________________

Число витков N = ____________________

№

п/п

см

ср

Ψ,

мВб

В,

мТл

Дата________ Подпись преподавателя___________________

159

Описания лабораторных работ Электромагнетизм

Лабораторная работа № 60

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КЮРИ ФЕРРОМАГНЕТИКА

Цель работы – получить зависимость индукционного тока в измеритель-

ной обмотке от температуры ферромагнитного сердечника, определить темпе-

ратуру Кюри ферромагнитного материала.

Приборы и принадлежности: образец исследуемого магнитного материа-

ла, измерительная обмотка, миллиамперметр с выпрямительной ячейкой, на-

греватель, лабораторный автотрансформатор, термопара, милливольтметр, гра-

дуировочный график.

Общие положения

Все вещества являются магнетиками т.е. способны под действием маг-

нитного поля намагничиваться. Намагничивание магнетика принято характери-

зовать магнитным моментом единицы объема. Эта векторная величина называ-

ется намагниченностью и обозначается

. В каждой точке магнетика намагни-

ченность связана с напряженностью магнитного поля

соотношением:

χ=

где χ –магнитная восприимчивость магнетика.

Безразмерная величина

называется магнитной проницаемостью вещества. В зависимости от величины

магнитной проницаемости все магнетики подразделяются на три группы.

К первой группе относятся вещества, у которых вектор намагниченности

направлен противоположно вектору напряженности намагничивающего поля

. Для этих тел магнитная проницаемость μ<1, а магнитная восприимчивость

χ<0. Численное значение

находится в пределах (10

−4

−10

−5

). Такие тела назы-

ваются

диамагнетиками. К ним относятся висмут, олово, медь, цинк, вода,

кварц и др.

Ко второй группе относятся вещества, у которых направление вектора

намагниченности

совпадает с вектором напряженности намагничивающего

поля

. Для этих веществ магнитная проницаемость μ>1, a магнитная воспри-

имчивость χ>0. Численное значение χ находится в пределах (10

−3

−10

−4

). Такие

вещества называются

парамагнетиками. К ним относятся алюминий, марганец,

растворы железных и никелевых солей, кислород, азот, воздух.

К третьей группе магнетиков относятся вещества, способные обладать

намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля. По своему наибо-

лее распространенному представителю – железу – они получили название

фер-

ромагнетиков

. К их числу, кроме железа, принадлежат никель, кобальт, гадо-

160