11295

Определение индукции магнитного поля соленоида

Лабораторная работа

Физика

Определение индукции магнитного поля соленоида Указания содержат краткое описание рабочей установки и методику определения индукции магнитного поля соленоида. Методические указания предназначены для студентов инженерных специальностей всех форм обучения в лаборат

Русский

2013-04-05

254 KB

43 чел.

Определение индукции магнитного поля соленоида

Указания содержат краткое описание рабочей установки и методику определения индукции магнитного поля соленоида. Методические указания предназначены для студентов инженерных специальностей всех форм обучения в лабораторном практикуме по физике (раздел «Электричество и магнетизм»).

Печатается по решению методической комиссии факультета

«Нанотехнологии и композиционные материалы»

Рецензент    доцент Кудря А.П.

© Издательский центр ДГГУ, 2012

I. Цель работы:  

  1. Измерить индукцию магнитного поля соленоида при различных значениях силы тока, протекающего по соленоиду.

  2. Построить график зависимости индукции магнитного поля соленоида от силы тока.

II. Приборы и принадлежности: источник тока, выпрямитель, реостат, амперметр, компас, переключатель направления тока, соленоид с подвешенным внутри постоянным магнитом, секундомер.

 

III. Теория метода и описание установки

В данной работе измерение индукции магнитного поля внутри соленоида проводится с помощью магнитометра, представляющего собой небольшой постоянный магнит (магнитная стрелка), подвешенный на нити (рис.1). Магнитная стрелка, которая может вращаться лишь около вертикальной оси, располагается в центре соленоида, где поле можно считать однородным. Соленоид устанавливается вдоль горизонтальной составляющей вектора магнитной индукции магнитного поля Земли с помощью компаса. В этом положении соленоида магнитная стрелка, следовательно, и вектор магнитного момента , будут направлены вдоль  его оси.

Рис. 1

   Рис. 2

При отклонении стрелки на небольшой угол  от положения равновесия (рис. 2) возникает крутящий момент нити (им можно пренебречь) и вращающий момент силы со стороны магнитного поля, под действием которого стрелка будет совершать свободные незатухающие крутильные колебания (сопротивлением воздуха и трением в подвесе пренебрегаем).

Модуль момента силы равен . Учитывая, что при малых углах закручивания , а вектор вращающего момента  и вектор углового перемещения  направлены в противоположные стороны, можно записать

                            ,                                     (1)

где – вращающий момент, – магнитный момент стрелки,  – угол поворота стрелки.

     Согласно основному уравнению динамики вращательного движения                    .                                        (2)

Сравнивая (1) и (2), получаем:     ,                 (3)

где – момент инерции магнита. Разделив уравнение (3) на  получаем:                      .                             (4)

Вводим обозначение: . Тогда уравнение (4) примет вид:

.                              (5)

Уравнение (5) представляет собой дифференциальное уравнение свободных незатухающих колебаний стрелки с частотой .  Период колебаний , откуда

      или                 ,                         (6)

где  – постоянная величина для данного магнитометра.

       Согласно принципу суперпозиции индукция результирующего поля равна векторной  сумме индукций магнитных полей Земли  и соленоида :  .

       Чтобы исключить влияние магнитного поля Земли на определение величины индукции магнитного поля соленоида, измеряют время  колебаний магнитной стрелки в двух случаях: при одинаковом направлении векторов индукции поля Земли  и соленоида  и противоположном. Изменения направления вектора  добиваются переключением направления тока в соленоиде на противоположное.

В первом случае модуль индукции результирующего поля  , где , а во втором , где .

Получаем систему уравнений:

.

Из системы находим индукцию магнитного поля соленоида:

                        ,                                 (7)

где  – постоянная величина, указанная на установке,  и - периоды колебаний магнитной стрелки при противоположных направлениях тока в соленоиде.

IV. Экспериментальная часть

  1.  Собрать электрическую цепь из соленоида С, амперметра А, реостата R, ключа переключателя П, выпрямителя, согласно схеме, приведенной на рис.3.
  2.  Установить соленоид вдоль магнитного поля Земли с помощью компаса.
  3.  Включить выпрямитель в сеть. Изменяя положение движка реостата , установить силу тока в соленоиде от 1А до 5А через 1А, измерить период колебаний  для каждого значения силы тока. Для этого необходимо:

а) лёгким толчком вывести магнитную стрелку из положения равновесия;

б) отсчитать по секундомеру время   полных колебаний стрелки;

в) вычислить по формуле  период колебаний  для каждого значения силы тока. Результаты занести в таблицу.

Рис. 3

  1.  Изменить направление силы тока в соленоиде с помощью ключа переключателя П. При этом магнитная стрелка в соленоиде поменяет свое направление на противоположное.
  2.   Повторить пункт 3 (а, б, в) для определения периода колебаний . Результаты занести в таблицу.
  3.  По формуле (7) вычислить индукцию магнитного поля соленоида для каждой пары  и  , т.е. при одном и том же значении прямого и обратного тока.
  4.  Построить график зависимости .

                                                                                  Таблица    

№/№

п/п

А

с

с

с

с

Тл

%

Тл

1

1

2

2

3

3

4

4

5

5

  1.  Рассчитать относительную  и абсолютную погрешности для всех измерений по формулам:

;

,

где 0,01c - погрешность секундомера.

Контрольные вопросы

  1.  Дать определение индукции магнитного поля. Единица измерения.
  2.  Как определяется направление вектора ?
  3.  Принцип суперпозиции магнитных полей.
  4.  Сформулировать закон Ампера.
  5.  Как определяется направление силы, действующей на проводник с током?
  6.  Сформулировать закон Био-Савара-Лапласа.
  7.  Вывести рабочую формулу индукции магнитного поля на оси соленоида.

Техника безопасности

  1.  К работе с установкой допускаются лица, ознакомленные с её устройством и принципом действия.
  2.  Подключение установки к сети допускается только после проверки электрической цепи инженером или преподавателем.

Рекомендуемая  литература 

Савельев И.В.  Курс общей физики. (т. 3) / И.В. Савельев.
– СПб.: Лань, 2006.

Трофимова Т.И. Курс физики / Т.И. Трофимова. – М.: Высш. шк., 2004.   

Кунаков В.В. Магнетизм: учеб. пособие / В.В. Кунаков, О.А. Лещёва, И.В. Мардасова, О.М. Холодова. – Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2011.

Редактор Т.В. Колесникова

_________________________________________________________

В печать 31.01.2012

Объём 0,5 усл. п.л. Офсет. Формат 60x84/16.

Бумага тип №3. Заказ №     .Тираж 60 экз. Цена свободная

________________________________________________________

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия:

344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1


EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

220В

А

Выпрямитель

П

R

С


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

22664. γ – випромінювання та ефект Месбауера 46 KB
  γ випромінювання та ефект Месбауера Явище γ випромінювання ядер полягає в тому що ядро випромінює γ квант без зміни А кількість нуклонів та Z кількість протонів. Гама випромінювання виникає за рахунок енергії збудження ядра. Спектр γ випромінювання завжди дискретний через дискретність ядерних рівнів. Особливо інтенсивне γ випромінювання зявляється коли β розпад у високій степені заборонений в основний стан кінцевого ядра і дозволений в один із збуджених станів.
22665. Класифікація ядерних реакцій. Реакція термоядерного синтезу 69 KB
  Ядерна реакція типу: де а А частинки до реакції;b В частинки після реакції;Q енергія що виділилась після реакції екзотермічна реакція вид енерг ендотермічна реакція погл енерг пружне розсіяння . Реакції описуються за даними диференціального перерізу розсіяння в елемент тілесного кута : і інтегрального перерізу : . Можна виділити пружні і непружні реакції Складне compound ядро коли реакція йде у дві стадії: спочатку утворюється складне ядро С воно повинно жити досить довго по ядерним масштабам і яке потім...
22666. Ланцюгова реакція поділу ядер. Принцип роботи ядерних реакторів 161 KB
  Ланцюгова реакція ділення відбувається в середовищі в якій відбувається розмноження нейтронів також відбувається сповільнення дифузія поглинання таке середовище має назву активна зона. Важливою фізичною величиною характеризуючою інтенсивність розмноження нейтронів являється коефіцієнт К розмноження нейтронів в середовищі. Кчисло утворившихся в одному акті поділу нейтронів що потім беруть участь в наступних реакціях поділу ядер. Він залежить від процесу уповільнення нейтронів та процесу дифузії які визначають пройденний шлях...
22667. Загальні принципи систематики субядерних частинок і їх взаємодії 28 KB
  В природі існує чотири фундаментальні взаємодії: сильна електромагнітна слабка та гравітаційна найслабша. Кожна взаємодія має свій квант який є переносчиком взаємодії. На даний момент відкритим лишається питання про квант передачі гравітаційної взаємодії так звану гіпотетичну частинку гравітон.
22668. Методи визначення числа Авогадро (досліди Перрена) 38 KB
  Методи визначення числа Авогадро досліди Перрена 1ий метод Перрена: досліджував броунівський рух частинок усі частинки зважені в рідині знаходяться в постійному хаотичному русі. В неї не входить миттєва швидкість броунівської частинки яку поміряти неможливо. Замість неї входить довжина прямолінійного відрізка що зєднує положення частинки у два різні моменти часу: x2 = 2kTBt де k стала Больцмана В рухливість частинки де η коефіцієнт внутрішнього тертя а α радіус частинки частинка має форму кульки наближено. Перрен...
22669. Совершенствование процедуры аттестации госслужащих МКУ ЦБ МУО Орджоникидзевского района город Уфа 1.59 MB
  Аттестация государственных служащих декларируется современным законодательством в качестве обязательной нормы для определения уровня профессиональной подготовки и соответствия государственного служащего занимаемой должности государственной службы, а также для решения вопроса о присвоении ему квалификационного разряда.
22670. Релігієзнавство як галузь гуманітарного знання 65.5 KB
  Релігія і в наші часи продовжує залишатися суттєвим елементом духовного життя суспільства. Мільйони наших сучасників сприймають її, як природне завершення особистого життєвого досвіду, з хвилюванням читають Біблію, Коран як книги, що написані спеціально для них
22671. Досліди Франка і Герца по визначенню потенціалів іонізації 536 KB
  Докази квантування рівнів енергії електронів в атомі були отримані в дослідах Франка і Герца 1913. Порція енергії 49 еВ передається атому ртуті а енергія електрона зменшується на ту ж величину. При подальшому збільшенні потенціалу U зона зіткнень електронів з атомами ртуті зсувалась до катода К і електрони вже встигали набрати достатньо енергії після зіткнення для подолання UЗ ділянка CD. Знаючи початкову і кінцеву енергію електрона тобто його енергію до і після непружнього співудару можна вирахувати положення збуджених рівнів...
22672. Методи реєстрації і спектрометрії ядерних випромінювань 196.5 KB
  Під ядерним випромінюванням розуміють частинки що утворюються в наслідок ядерних перетворень. Частинки випромінення поділяють на 3 групи: 1. Заряджені частинкиер альфачастинки осколки ділення. Нейтральні частинкинейтрони.