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

42 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

49066. Устройство сбора телеметрической информации с оценкой измеряемой величины с порогом 382 KB
  Конструктивная реализация устройства включает в себя ряд коммутаторов с подключенными к ним дешифраторами аналоговоцифровой преобразователь АЦП и микропроцессорный блок включающий в себя сам микропроцессор тактовый генератор и память ПЗУ и ОЗУ 5 стр. В работе произведен расчет и выбор АЦП расчет и выбор коммутаторов разработка структурной схемы алгоритма программы отладки расчет требуемой памяти и частоты выборки отсчетов. Чтобы считать с определенного датчика сигнал необходимо выбрать коммутатор его канал и запустить АЦП....
49067. ОСНОВЫ ТЕОРИИ И ИСТОРИИ ЖУРНАЛИСТИКИ 758 KB
  Журналистика – это вид общественной и творческой деятельности, связанной со сбором, обработкой и периодическим распространением социально значимой информации. «Социально значимая» информация – важная для общества, для его безопасности и успешного развития, актуальная для многих людей, позволяющая им адаптироваться к происходящим переменам.
49068. Выбор смысле схемы развития районной электрической сети при соблюдении заданных требований к надежности схемы 608.5 KB
  Точными или прямыми методами называются такие, которые в предположении, что все вычисления ведутся точно (без округлений) позволяют получить точные значения неизвестных в результате конечного числа операций. Практически все вычисления ведутся с округлениями, поэтому и значения неизвестных, полученных точным методом, будут содержать погрешности. Точными методами являются метод Гаусса и решение линейных уравнений установившегося режима с помощью обратной матрицы.
49069. Написать программу, описывающую структуру MARSH 375 KB
  Ввод с клавиатуры данных в массив, состоящий из восьми элементов типа MARSH; записи должны быть упорядочены по номерам маршрутов. Вывод на экран информации о маршруте, номер которого введен с клавиатуры...
49070. Система кадрового делопроизводства на железнодорожной станции Вихоревка 1.45 MB
  Исследовать теоретические основы системы кадрового делопроизводства и определить её место в системе управления персоналом; исследовать методику оценки состояния системы кадрового делопроизводства и её совершенствования; провести анализ системы кадрового делопроизводства железнодорожной станции Вихоревка и дать оценку её состояния...
49072. Использование нейронных сетей при прогнозе стоимости подержанных автомобилей 553 KB
  Нейронные сети неожиданно открыли возможности использования вычислений в сферах до этого относящихся лишь к области человеческого интеллекта возможности создания машин способность которых учиться и запоминать удивительным образом напоминает мыслительные процессы человека [9]. Своей популярностью искусственные нейронные сети ИНС обязаны уникальному свойству заложенных в них идей: они способны обучаться на множестве примеров впоследствии узнавая в потоке информации черты ранее встреченных образов и ситуаций. По своей природе...
49073. Использование аппарата нейронных сетей для оценки риска банкротства предприятия 238 KB
  Нейронные сети и их преимущества для решения задачи оценки рисков Пример разработки модели нейронной сети для анализа риска наступления банкротства предприятия Модель нейронной сети для предсказания финансовой несостоятельности организации. Нейронные сети и их преимущества для решения задачи оценки рисков На практике при анализе рисков часто встречаются задачи связанные с наблюдением случайных величин. При этом сама зависимость будет выведена...
49074. Применение нейронных сетей для принятия решений 288.5 KB
  Существует множество областей применения искусственного интеллекта: принятие решений доказательства теорем игры творчество распознавание образов обработка данных на естественном языке обучающиеся сети нейросети и т. Мой выбор обусловлен стремлением узнать эффективно ли использовать нейросети при принятии решений об освобождении от оплаты за обучение учащихся детских школ искусств. Цель данной курсовой работы заключается в том чтобы показать...