12356

Скин-эффект в металле

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа № 21 Скинэффект в металле 1. Цель работы: Изучение скинэффекта в металле. 2. Электромагнитная индукция. Вихревое электрическое поле. Явление электромагнитной индукции состоит в том что в проводящем контуре находящемся в переменном магнитном

Русский

2013-04-26

182.5 KB

20 чел.

Лабораторная работа № 21

«Скин-эффект в металле»

1. Цель работы: Изучение скин-эффекта в металле.

2. Электромагнитная индукция. Вихревое электрическое поле.

Явление электромагнитной индукции состоит в том, что в проводящем контуре, находящемся в переменном магнитном поле, возникает электродвижущая сила индукции εi. Если контур замкнут, то в нем возникает электрический ток, называемый индукционным током.

ЭДС электромагнитной индукции в контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока Фm сквозь поверхность, ограниченную этим контуром:

εi = –. (21.1)

Знак «–» в формуле (21.1) является выражением правила Ленца: индукционный ток в контуре имеет всегда такое направление, что создаваемый им магнитный поток сквозь поверхность, ограниченную контуром, препятствует тем изменениям магнитного потока, которые вызвали появление индукционного тока.

Индукционные токи, возникающие в массивных проводниках, называются токами Фуко. Замкнутые цепи таких токов образуются в толще самого проводника. Количество тепла, выделяемого в единицу времени вихревыми токами Фуко, прямо пропорционально квадрату частоты изменения магнитного поля.

Обобщением закона электромагнитной индукции является введение понятия вихревого электрического поля:

= –. (21.2)

В контуре, охватывающем изменяющийся магнитный поток, возникает электрическое поле с ненулевой циркуляцией. При определенной симметрии системы может возникнуть электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями. Выражение (21.2) может быть записано в дифференциальной форме:

 rot = –. (21.3)

3. Скин-эффект. Переменный электрический ток в отличие от постоянного не распределяется равномерно по сечению проводника, а вытесняется к его поверхности. Это явление называют скин-эффектом. В более общем смысле, о скин-эффекте говорят во всех ситуациях, когда переменное электромагнитное поле (а с ним и вызываемые им токи) проникает лишь на незначительную глубину в проводник. Причина появления скин-эффекта заключается в том, что токи Фуко в проводнике, вызываемые вихревым электрическим полем, создают магнитное поле, направленное так, что оно препятствует изменению исходного поля. В работе переменное магнитное поле создается в длинном соленоиде, в объем которого вдвинуты сплошные металлические цилиндры.

При пропускании тока через обмотку длинного соленоида внутри него возникает магнитное поле, направленное вдоль оси. В общем случае при гармоническом изменении тока, напряженность магнитного поля

, (21.4)

и вихревое электрическое поле имеет единственную составляющую

. (21.5)

Уравнения Максвелла

 (21.6)

в цилиндрической системе координат имеют вид

 (21.7)

Необходимо решить дифференциальное уравнение

 (21.8)

с граничным условием

. (21.9)

где R – радиус соленоида, n – плотность его намотки, I0 – сила тока.

Уравнение (21.5) может быть преобразовано к виду:

, (21.10)

где .

Решение уравнения (21.7) выражается через цилиндрическую функцию Бесселя мнимого аргумента:

. (21.11)

В асимптотическом приближении для больших  имеем:

. (21.12)

В таком случае вихревое электрическое поле равно:

. (21.13)

Если проводимость среды внутри соленоида равна нулю , то

 (21.14)

Магнитное поле вне соленоида равно нулю. В таком случае вихревое электрическое поле вне соленоида может быть получено из решения уравнения:

. (21.15)

Для случая, когда объем внутри соленоида заполнен проводящей средой, вихревое электрическое поле вне его определяется выражением:

. (21.16)

Для случая, когда объем соленоида заполнен диэлектрической средой, вихревое электрическое поле вне соленоида определяется выражением:

. (21.17)

4. Описание экспериментальной установки.

Магнитное поле в работе создается с помощью двух соосных соединенных последовательно соленоидов на подставках. Соленоиды расположены на небольшом расстоянии друг от друга, так что поле между ними совпадает с полем длинного соленоида.

В работах  в качестве источника питания токовой системы – источника магнитного поля – используется генератор сигналов функциональный ГСФ-2. Основные технические характеристики генератора таковы:

Диапазон частот    0,1 Гц-100 кГц;

Выходные сигналы    гармонический, пилообразный,

прямоугольный;

Выходное напряжение   0-10 В;

Выходной ток     0-1 А.

В работе используется синусоидальный ток в катушках. Вихревое электрическое поле определяется с помощью многоконтурного плоского датчика, размещенного в зазоре между соленоидами. Напряженность поля в каждом контуре равна возникающей в нем ЭДС электромагнитной индукции, деленной на полную длину обмотки контура:

Евихр= εi/(2πrN). (21.18)

Здесь r – радиус контура, N=501 – число витков контура.

Схема измерений представлена на рис.21.1. Измерение ЭДС индукции в контурах L2 производится вольтметром универсальным типа В7-58А.

Рис.21.1. Схема экспериментальной установки.

Если ток в соленоидах L1 изменяется по гармоническому закону:

 I=U1m sin(2πνt)/R0, (21.19)

то индукция однородного магнитного поля внутри соленоидов равна:

В=μ0=μ0sin(2πνt). (21.20)

Здесь N0=4302 – число витков соленоида, l=120,00,5 мм, rs=260,5 мм – соответственно длина соленоида и его радиус.

Если радиус измерительного контура L2 меньше радиуса соленоида r < rs, то выражение для величины напряженности вихревого электрического поля имеет вид:

Евихр= –= –сos(2πνt). (21.21)

Если радиус измерительного контура L2 больше радиуса соленоида r>rs, то выражение для величины напряженности вихревого электрического поля имеет вид:

Евихр= –= –cos(2πνt). (21.22)

Напряженность вихревого электрического поля может быть вычислена по измерениям ЭДС U2 в контурах:

Евихр= –сos(2πνt). (21.23)

5. Порядок выполнения работы.

5.1. Вставить многоконтурный датчик в зазор между двумя соленоидами.

5.2. Собрать схему измерений, приведенную на рис.21.1. Измерения проводятся при частоте синусоидального сигнала 10-50 кГц.

5.3. Измерить амплитуду U1m.

5.4. Рассчитать значения амплитуды напряженности вихревого электрического поля Евихр(r) по формулам:

Евихр1=, r < rs;

Евихр1=, r > rs.

5.5. Измерить амплитуды ЭДС индукции в контурах U2m.

5.6. Рассчитать значения амплитуды напряженности вихревого электрического поля Евихр(r) по формуле:

Евихр=.

5.7. Результаты измерений и расчетов внести в таблицу 21.1.

5.8. Нарисовать графики зависимости Евихр(r).

5.9. Вставить внутрь соленоида два сплошных металлических цилиндра.

5.10. Провести измерения U2эф (r) и рассчитать Евихр(r) для двух частот синусоидального напряжения, питающего обмотку соленоида. Результаты измерений и расчетов внести в таблицу 21.2.

Таблица 21.1.

r, мм

10

15

20

25

30

40

50

60

70

U1m,мВ

Евихр1, мВ/м

U2m,мВ

Евихр2, мВ/м

Таблица 21.2.

, кГц

r, мм

контакты

10

1-2

15

2-3

20

3-4

25

4-5

30

5-6

40

6-7

50

7-8

60

8-9

70

9-10

10

U2эф,мВ

Евихр2,мВ/м

50

U2эф,мВ

Евихр2,мВ/м

5.11. Построить графики зависимостей lnвихр)=f(r). По графикам определить величины и оценить проводимость металла .

6. Контрольные вопросы.

6.2. Опыты Фарадея. Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца.

6.3. Движение проводника в магнитном поле.

6.4. Вращение рамки в магнитном поле.

6.5. Вихревое электрическое поле. Токи Фуко.

6.6. Скин-эффект в металлах.

6.7. Методика оценки проводимости металла по наблюдению скин-эффекта.


Рекомендуемая литература.

  1.  Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: Учеб. пособие для втузов.– 2-е изд., испр. и доп.– М.: Высш. шк., 1999.– 718 с.: ил.
  2.  Савельев И.В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 3-х т. Т.2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. – 3-е изд., испр. –М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. 496 с., ил.
  3.  Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов.– 5-е изд., стер.– М.: Высш. шк., 1998.– 542 с.: ил.

6

  1.  

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

52809. The System of Education in Great Britain 32.5 KB
  Good afternoon, pupils. I’m glad to see you again. How are you today? How is your day going? Great! We heard much about England, and we learn the language of this country, but we have never thought how pupils and students live there. So today we are going to discuss the system of education in Great Britain. I hope we will find out much new information for us. I think we can start.
52810. Єгипет – перлина стародавніх цивілізацій 39.5 KB
  Пояснювати структуру суспільства. Обладнання: роздавальний матеріал Структура єгипетського суспільства атлас контурні карти підручник. Структура суспільства. Опрацювати відповідний текст параграфа і дати відповіді на запитання: Як зрошувалися землі до яких не доходила вода Чому на роботах з осушення і зрошення долини Нілу брало участь усе доросле населення Хто організовував роботу людей давав їм завдання стежив за порядком Структура суспільства Поки шестикласники дають відповіді на поставлені запитання у класі починає...
52811. Розквіт та занепад Давньоєгипетської держави 97.5 KB
  Мета: Сформувати уявлення про передумови перетворення Єгипту в могутню державу; з'ясувати напрямки та наслідки військових походів фараонів; охарактеризувати релігійну реформу; розвивати вміння використовувати історичну карту та висловлювати думку щодо причин занепаду держави. Актуалізація опорних знань учнів Пригадайте коли утворилась Давньоєгипетська держава Хто очолював державу Якою була влада фараона ІІ. до нашої ери фараони дуже багато воювали. Але проводячи військові походи фараони втратили контроль над номархами...
52813. Польща. Білорусь. Особливості ЕГП та господарства 141 KB
  Сформувати в учнів загальні уявлення про особливості ЕГП природноресурсного потенціалу господарства країни; виявити географічну та економічну специфіку Польщі та Білорусі. Розвивати вміння учнів складати порівняльну економіко – географічну характеристику країн за планом. Актуалізація опорних знань Прийом Блицопитування На які історико географічні регіони поділяється Європа З якими країнами Західної Європи ви вже ознайомлені Який рівень...
52814. ЕЛЕМЕНТИ ЕЙДЕТИКИ НА УРОКАХ УКРАЇНСЬКОЇ ЛІТЕРАТУРИ 53.5 KB
  Вивчення теорії літератури на уроках української літератури починається вже з п’ятого класу. Але вчитель повинен зробити все для того щоб знання з теорії літератури стали інструментом для розуміння та аналізу того чи іншого твору. Мабуть перед кожним постають питання: Як пояснити поняття з теорії літератури доступно й зрозуміло Як спонукати глибоко розуміти їх застосовувати на практиці Як актуалізувати раніше набуті знання Пропоную Вашій увазі метод запам’ятовування окремих термінів та понять на пальцях який використовую...
52815. Einkaufen. Wir gehen in den Supermarkt 60 KB
  Liebe Kinder, ich freue mich euch gesund und lustig zu sehen. Wie geht es euch? Sind alle Kinder da? Gibt es etwas Neues? Gibt es etwas Interessantes? (Die Schüler beantworten die Fragen des Lehrers)
52816. Екологічні проблеми, які стосуються мене 95.5 KB
  Мета проекту: Стимулювати інтерес в учнів до проблеми екології оволодівати певною сумою знань стосовно того що майбутнє нашої планети в наших руках про необхідність дбайливого ставлення до природи про взаємозв’язки між діяльністю людини і життям природи;виховувати почуття відповідальності за те що відбувається в природі підвищувати екологічну культуру. І ЕТАП Урок Я і Україна ТЕМА: Охорона природи. Узагальнити знання учнів про те що обов’язок кожної людини – охорона рідної природи. До чого закликає нас матінкаприрода Ми з вами...
52817. Екологічний практикум. Урок математики в 6 класі 49.5 KB
  60 кг макулатури рятує одно дерево 30 кг макулатури рятує 1 га лісу 1 т макулатури економить 1000 кВт ч електроенергії 1 т макулатури економить 200 м3 води 1т макулатури економить дає 2500 учнівських зошитів. Використання макулатури для виробу паперу на 75 зменшує забруднення повітря та дозволяє зекономити до 40 води Не викидай папір який ви використовували – збирайте його та здавайте макулатуру V. Скільки дерев зберегли учні Скільки учнівських зошитів можна виготувати із цієї макулатури Скільки води та електроенергії буде з...