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

53324. Національно-визвольна війна українського народу середини ХVII ст. під проводом Б.Хмельницького 151 KB
  Навчати давати характеристику історичній постаті на прикладі Богдана Хмельницького. Зважаючи на те що до сьогодні збереглося понад півсотні портретів Хмельницького інколи важко зрозуміти якою ж насправді була зовнішність гетьмана. Однак можна стверджувати що найточніше її відтворив на своїй гравюрі гданський майстер Гондіус адже створив він її за життя Богдана Хмельницького. Запитання для учнів: Скажіть будь ласка як на вашу думку така постать могла очолити Національну визвольну війну відповідь учнів Зараз ми з вами послухаємо...
53325. Хобі. Плани на тиждень 329.5 KB
  My name is Dasha. I am 10. My hobby is drawing. It is an indoor activity. I go the art studio. I attend the art studio three times a week. I think my hobby is interesting. I can draw animals, people, trees. I am going to be an artist. I like my hobby because it is very exciting.
53326. HOBBIES 46.5 KB
  Let`s split into two groups, according to your birthdays (spring-summer, autumn-winter).The pupils whose birthdays are in spring-summer will show different hobbies to those who were born in autumn-winter. Be attentive! You are to give the names of different kinds of activities in turn. (Hobbies are written on the cards: reading, drawing, singing, dancing, cooking, knitting, fishing, writing stories, taking photographs, playing the piano).
53327. Хобі: Дозвілля 45.5 KB
  I like to read about sports and sportsmen. I am reading an interesting story about hockey now. My father likes to read about football. He has got a lot of books about that game. My sister is fond of animals. She likes to read about them. She has got books with funny stories and fables about animals. I gave her a present yesterday: a very big and interesting book about animals at the zoo. There are a lot of funny stories in it. My mother is interested in history. So she spends her free time with a book on history. So I can say reading is my familys hobby.
53328. Вечірки і свята 144 KB
  Розвиваюча: Розвивати фонематичний слух учнів, здатність до імітації, якість вимовних навичок і довготривалу, короткотривалу, слухову пам’ять, слуховий контроль, здатність самостійно планувати мовний вчинок, уяву, здатність до здогадки; вміння логічно, послідовно висловлювати думки ІМ, культуру читання.
53329. Улюблені свята 85 KB
  My name’s Tanya. I live in Ukraine. We celebrate many holidays in our country. I should say I like all of them. Celebrating is my joy. I love greeting guests at my home. I like cooking something tasty. Guests come to share the joy of the day. Sometimes we make presents or surprises for each other. It’s great. Now tell me what holidays you like to celebrate.
53330. Spring holidays 72.5 KB
  (The class is decorated. There is a big wreath of flowers on the wall, it is written - Spring is coming. There are many childrens drawings and placards about spring. On the blackboard there is a map of the travelling over the spring forest. Prince and princess come in.)
53331. Національні свята в США та в Україні 123.54 KB
  The topic of our lesson is National Holidays in Ukraine and in the USA. Holidays are special days of celebration that form an important part of every countrys culture. American and Ukrainian holidays come throughout the year and in all varieties. Today you will learn about the different types of holidays that Ukrainians and Americans celebrate.
53332. Праздники 50 KB
  New Years Day is the most favourite of all holidays in Ukraine. We give New Year presents; children receive their presents under the New Year’s Tree on the morning of the 1st of January. The main folk heroes of this holiday are Father Frost (Did Moroz) and his granddaughter Snigurochka (The Snow Girl).