12370

Изучение магнитного поля на оси соленоида

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа № 7 Изучение магнитного поля на оси соленоида 1. Цель работы: экспериментальное исследование магнитного поля на оси соленоида. 2. Магнитные поля токовых систем. Магнитное поле постоянных токов изучалось Био и Саваром окончательная формулировк...

Русский

2013-04-26

280.5 KB

9 чел.

Лабораторная работа № 7

«Изучение магнитного поля на оси соленоида»

1. Цель работы: экспериментальное исследование магнитного поля на оси соленоида.

2. Магнитные поля токовых систем.

Магнитное поле постоянных токов изучалось Био и Саваром, окончательная формулировка найденного ими закона принадлежит Лапласу. Поэтому закон, с помощью которого рассчитывается магнитное поле постоянных токов, носит название закона Био-Савара-Лапласа.

Основная трудность, связанная с формулировкой такого закона, состоит в том, что магнитное поле зависит не только от величины тока, но и от формы проводника.В электростатике поле распределенных зарядов  также зависит от их расположения в пространстве. Однако там это поле можно представить как сумму полей точечных зарядов d, причем  поле точечного заряда может быть непосредственно выделено и изучено. В случае постоянных токов также можно полагать, что результирующее поле  есть сумма полей d, созданных отдельными элементами тока. Но измерить и изучить поле одного изолированного элемента постоянного тока невозможно.

Единственный путь преодоления этой трудности состоит в предположении, что в любой точке пространства магнитное поле , создаваемое всем током в целом, складывается из полей d, создаваемых элементами этого тока в данной точке. Для магнитных полей, как и для электрических, имеет место принцип суперпозиции (наложения), и полная индукция магнитного поля дается векторной суммой (или интегралом) элементарных магнитных индукций:

=. (7.1)

По закону Био-Савара-Лапласа магнитное поле dB, создаваемое элементом тока  на расстоянии r от него, обратно пропорционально квадрату расстояния и прямо пропорционально величине элемента тока и синусу угла между векторами  и :

. (7.2)

Здесь =Гн/м – магнитная постоянная,  – магнитная проницаемость среды.

Таким образом, для решения основной задачи магнитостатики – нахождения магнитного поля, создаваемого произвольной системой проводников с токами, требуется следующая последовательность действий:

- рассчитать исходную систему проводников с токами (источниками поля) на элементы тока I;

- вычислить индукцию магнитного поля  в точке наблюдения от каждого из элементов тока по формуле (7.2);

- вычислить результирующую индукцию  по формуле (7.1).

Индукции магнитного поля, создаваемого некоторыми простейшими системами проводников с токами приведены ниже (рис.7.1).

Рис.7.1. Магнитные поля простейших токовых систем.

2.1. Магнитное поле прямолинейного проводника с током (рис. 7.1а).

 B=. (7.3)

Для бесконечно длинного проводника с током:

 B=. (7.4)

2.2. Магнитное поле кругового витка с током в произвольной точке оси витка (рис. 7.1б).

 B=I. (7.5)

Для центра кругового витка:

 B=I. (7.6)

2.3. Магнитное поле соленоида (рис.7.1в)

 B=. (7.7)

Для бесконечно длинного соленоида:

 B=, (7.8)

где n – число витков на единицу длины соленоида.

3. Описание экспериментальной установки.

Индукционный метод измерения характеристик магнитного поля основан на явлении электромагнитной индукции. Метод предназначен для измерения, как переменных, так и постоянных магнитных полей. При измерении характеристик переменного магнитного поля в это поле помещают проводящий замкнутый контур, как правило, катушку, состоящую из N0 витков. Поскольку поле переменное, то магнитный поток, пронизывающий контур будет меняться, и в контуре возникнет ЭДС электромагнитной индукции

, (7.9)

где S0 – площадь витка, Bn – проекция вектора магнитной индукции на нормаль к площадке S0. В случае если магнитное поле создается токами, изменяющимися по закону синуса, то индукция магнитного поля, пропорциональная силе тока,

 B=Bmsin(t+). (7.10)

Если изначально известно направление магнитного поля, то контур с током можно сориентировать таким образом, чтобы вектор магнитной индукции был перпендикулярен площадке S0. Тогда при подстановке (7.10) в (7.9):

 (7.11)

Амплитудное значение ЭДС индукции

 (7.12)

Из (7.12) видно, что, зная параметры контура, частоту колебаний тока, создающего магнитное поле и амплитуду ЭДС индукции, можно определить амплитудное значение индукции магнитного поля.

В случае измерения характеристик постоянного магнитного поля замкнутый проводящий контур вращают в магнитном поле с некоторой угловой скоростью . По закону электромагнитной индукции в контуре возникает ЭДС индукции, определяемая формулами (7.11-7.12).

В работах  в качестве источника питания соленоида – 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 необходимо сделать замеры магнитной индукции поля соленоида в трех сечениях S1, S2, S3 (рис. 7.2).

Для измерения магнитной индукции внутри соленоида используются три индукционные эталонные (с известными параметрами) датчика Д1 Д2 Д3 магнитного поля – это катушки длиной 30,00,5 мм из N0 = 10002  витков со средним диаметром 11,500,20 мм (площадь витка S0 = 1,000,17 см2), намотанные под основной обмоткой соленоида.

Параметры соленоида: длина обмотки соленоида 160,00,5 мм, Количество витков N=16882. С достаточной точностью обмотку можно считать тонкой со средней площадью витка S =2,000,20 см2.

Разъемы для подсоединения датчиков и соленоида в электрические цепи выведены на панели возле соленоида.

Схема регистрации магнитного поля индукционным методом приведена на рис.7.3. Здесь L1 – контур, создающий магнитное поле (соленоид), R0 – датчик тока, L2 – индукционный датчик (Д1, Д2, Д3) магнитного поля. Сигналы с датчиков можно подавать на два входа осциллографа.

Измерения проводятся на частоте 100-500 Гц при пилообразном или синусоидальном токе в контуре L1 с размахом 0,1-0,6 А. Для получения заданной формы тока генератор ГСФ-2 работает в режиме генератора тока.

Рис.7.2. Разрез соленоида с датчиками.

Рис.7.3. Индукционный метод регистрации магнитного поля.

Рис.7.4. Напряжение на датчике тока и на индукционном датчике.

Кривые на экране осциллографа при пилообразном токе показаны на рис.7.4. Их форма соответствует закону электромагнитной индукции: ЭДС индукции пропорциональна скорости изменения магнитного потока с течением времени.

Ток I1 в соленоиде L1 изменяется пропорционально напряжению U1: I1=U1/R. Следовательно индукция B магнитного поля соленоида изменяется с течением времени пропорционально напряжению U1 (рис.7.4). Датчики находятся в магнитном поле соленоида. Магнитный поток, пронизывающий датчик пропорционален индукции магнитного поля, создаваемого контуром L1,

Ф=N0S0B. (7.13)

Магнитный поток, пронизывающий датчик, меняется с течением времени. По закону электромагнитной индукции в датчике возникает ЭДС индукции:

 (7.14)

За четверть периода  t=T/4 колебаний напряжение в соленоиде L1 изменяется  от –U1max до + U1max, что соответствует размаху колебаний U1 (рис.7.4.). Так как BU1, то за это же время магнитное поле изменится  на B=2Bm, где Bm – амплитуда колебаний магнитного поля. За то же время ЭДС индукции U2 изменится на U2. Используя соотношение (7.14), получим

. (7.15.)

Тогда, амплитуда Bm магнитной индукции поля, создаваемого соленоидом L1 в месте положения эталонного датчика L2, измеряемая экспериментально индукционным методом:

 Bэ=ΔU2 /(8N0S0), (7.16)

где – частота колебаний. Если измерения проводятся на синусоидальном сигнале, то амплитуда магнитной индукции определяется формулой:

 Bэ=U2/(2N0S0) = ΔU2/(4N0S0). (7.17)

4. Порядок выполнения работы.

4.1. Ознакомиться с осциллографическим методом измерений.

4.2. Собрать схему, представленную на рис.7.2. В качестве L1 – соленоид модуля М03 с неподвижными индукционными датчиками. Выходы U1 и U2 схемы измерений соединить с входами Y1 и Y2 электронного осциллографа. Генератор ГСФ-2 работает в режиме генератора пилообразных импульсов тока при частоте 100-500 Гц. Подбирая сопротивление эталонного резистора R0 из магазина сопротивлений, получить в контуре с током пилообразные колебания с ΔU1=0,2-0,6 B (измерения проводятся на экране осциллографа).

4.3. Последовательно подсоединяя неподвижные датчики измерить значения ΔU2, по которым рассчитать амплитуду колебаний индукции магнитного поля в сечениях S1, S2, S3 по формуле (7.16)

Результаты измерений и расчетов внести в табл.7.1.

4.4. Рассчитать теоретическое значение индукции магнитного поля внутри длинного соленоида:

 Bт=0NΔU1/(2lR0). (7.18)

Таблица 7.1.

R0 =

Датчик 1

Датчик 2

Датчик 3

ν, Гц

ΔU1, мВ

ΔU2, мВ

Bэ, мТл

Bт, мТл

4.5. Сравнить полученные теоретические и экспериментальные значения магнитной индукции.

5. Контрольные вопросы.

5.1. Закон Био-Савара-Лапласа.

5.2. Расчет магнитных полей простейших токовых систем (прямолинейный ток, ось кругового витка, соленоид).

5.3. Закон электромагнитной индукции.

5.4. Индукционный метод измерения магнитных полей.

5.5. Как изменится график напряжения U2 (рис. 6.4), если генератор будет вырабатовать постоянный или синусоидальный сигнал.

5.6. Индукционный метод измерения магнитных полей.

5


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

35492. Информационные системы и информационные технологии 93.5 KB
  TPS Транзакционные технологии TPS Trnsctions Processing Systems предназначены для ежедневной обработки поступающих в виде документов сообщений счета акты накладные и т. MIS Технологии поддерживающие управленческие функции MIS Mngement Informtion Systems предназначены для автоматизации планирования деятельности предприятия организации а также для организации контроля над ходом выполнения планов производства и реализации продукции. DSS Технологии аналитической обработки данных DSS Decision Support Systems...
35493. Автоматизированные системы управления (АСУ) 784 KB
  Основные компоненты АСУ ТП предназначена для выработки и реализации управляющего воздействия на ТОУ и представляют собой человекомашинную систему обеспечивающую автоматизированный сбор и обработку информации необходимой для оптимизации управления объектом в соответствии с принятым критерием. Основные компоненты: КТС комплекс технических средств; СПО системное программное обеспечение; ФАУ функциональные алгоритмы управления. Информационное обеспечение информация характеризующая состояние системы управления системы классификации и...
35494. Моделирование информационных систем 702.5 KB
  Модели гидродинамики потоков в аппаратах. Модель идеального смешения Условия физической реализуемости этой модели выполняются если во всем потоке происходит полное смешение частиц потока. Модели идеального перемешивания соответствует апериодическое звено 1го порядка и имеет передаточную функцию. Математическое описание модели: где: с концентрация вещества; τ время пребывания частиц в реакторе; ω линейная скорость потока; х координата.
35495. Системы автоматизированной работы (САР) 5.7 MB
  Разомкнутые САР системы в которых входными воздействиями управляющего устройства являются только внешние задающие и возмущающие воздействия; при этом значение выходной величины ОУ может существенно отклоняться от его заданного значения в силу изменения внутренних свойств ОУ параметров САР. Устойчивость САР свойство системы возвращаться в исходное состояние равновесия после прекращения воздействия выведшего систему из этого состояния. уравнения частотные определяют связь между устойчивостью системы и формой частотных характеристик...
35496. Представление данных в электронных таблицах в виде диаграмм и графиков 1.25 MB
  Что нужно знать: что такое столбчатая линейчатая и круговая диаграмма какую информацию можно получить с каждой из них адрес ячейки в электронных таблицах состоит из имени столбца и следующего за ним номера строки например C15 формулы в электронных таблицах начинаются знаком = равно знаки и ^ в формулах означают соответственно сложение вычитание умножение деление и возведение в степень в заданиях ЕГЭ могут использоваться стандартные функции СУММ сумма СРЗНАЧ среднее значение МИН минимальное...
35497. КУЛЬТУРА СОВЕТСКОЙ ПОВСЕДНЕВНОСТИ И ЕЕ ОТРАЖЕНИЕ В САТИРЕ 1920–х ГОДОВ 209.5 KB
  Анализ специфики репрезентации советской повседневности в сатире. Как известно, в этот период истории происходила, навязываемая сверху, смена отношений к повседневности: «борьба» старого и нового быта. Ключевым вопросом в нашей курсовой работе является осмысление противостояния традиционного уклада жизни и навязываемыми сверху принципами «новой жизни».
35498. Архитектура ЭВМ 175.5 KB
  MOV регистр значение означает: поместить в регистр выбранное значение. MOV AX10 MOV BX5 MOV CX7 MOV DX15 ADD AXBX ADD AXCX SUB AXDX INT 20 Арифметические операции Операции умножить и разделить выполняются только для регистра AX. 100 MOV AX0 103 MOV BX1 106 MOV CXA 109 ADD AXBX 10C INC BX 10E DEC CX 110 JNZ 109 112 INT 20 Сохранение и загрузка файлов 1 Общие сведения. MOV AH01 включение ввода символа.
35499. Основы алгоритмизации и программирования 495.5 KB
  ЧИСЛА Целые числа: SHOPTINT 120127 BYTE 0 255 перечисляемые типы INTEGER 32768 32767 WORD 0: 65535 LONCINT 231 231 Действительные: SINGLE 1038 7 знаков после запятой REAL 1038 11 знаков DOUBLE 100300 19 знаков EXTENDED 104900 19 знаков. USES список библиотек; подключение библиотек или модулей TYPE описание; описание собственных типов данных CONST список постоянных VAR список переменных BEGIN начало программы END. конец программы Обязательными элементами являются только PROGRAM BEGIN END. PROGRAM FIRST;...
35500. Основы построения автоматизированных информационных систем 169.5 KB
  СУБД как основная часть АИС. Информационное обеспечение АИС. Математическое обеспечение АИС. Техническое обеспечение АИС. АИС – аппаратно- программный комплекс, предназначенный для решения задач по хранению, обработку, поиску информации.