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

51690. Редактор материалов в 3D Studio Max 1010.5 KB
  Создание материалов тема необъятная поскольку слишком велик список свойств и зависимостей всех параметров влияющих на внешний вид получаемого материала и рассмотреть все нюансы в рамках одной статьи просто невозможно. Поэтому мы ограничимся лишь основными приемами и правилами работы с материалами; эти способы позволят получить общее представление о применении материалов и начать собственные эксперименты. Все эти операции проводятся в редакторе материалов Mteril Editor который можно вызвать при помощи команды Rendering= Mteril Editor...
51692. Моделирование проблемных, развивающих личностно ориентированных образовательных ситуаций 131.5 KB
  Ситуации творчества: сущность виды формы: ситуации соревнования заботы игры исследования. Ситуации выбора: выбора деятельности общения позиции социальной роли. Ситуации успеха: сущность алгоритм создания позиция педагога. Соотношение проблемной ситуации задачи вопроса.
51694. Правила поведения при чрезвычайных ситуациях природного характера 31.5 KB
  Молнии Молниевый разряд характеризуется большими токами а его температура доходит до 300000С. Прямое попадание молнии для человека заканчивается смертельным исходом. Если вы заметили грозовой фронт то в первую очередь определите примерное расстояние до него по времени задержки первой вспышки молнии и первого раската грома. Если после первой вспышки молнии до раската грома прошло 5 сек.
51696. Значення мови в житті суспільства. Українська мова – державна мова України 44 KB
  Мета: забезпечити усвідомлення значення мови як основного засобу спілкування формування думки й пізнання значення державної мови як невід’ємної складової української державності та згуртування громадян; сприяти формуванню патріотичних почуттів і любові до рідної мови; розвивати увагу пам’ять логічне й образне мислення удосконалювати навички роботи з підручником і таблицею збагачувати словниковий запас учнів. Орієнтовні запитання до тексту: Чи дано людині від народження вміння спілкуватися за допомогою мови Що зумовило виникнення...