2776

Измерение индукции магнитного поля электромагнита

Лабораторная работа

Физика

Измерение индукции магнитного поля электромагнита Приборы и принадлежности: электромагнит, весы Ампера, разновес, два стабилизированных источника постоянного тока. Введение. Согласно закону Ампера на элемент тока  в магнитном поле действует сил...

Русский

2012-10-19

57 KB

81 чел.

Измерение индукции магнитного поля электромагнита

Приборы и принадлежности: электромагнит, весы Ампера, разновес, два стабилизированных источника постоянного тока.

Введение. Согласно закону Ампера на элемент тока  в магнитном поле действует сила

,                                             (1)

где  i – сила тока, – магнитная индукция поля в месте расположения элемента проводника  . Направление вектора определяется направлением тока  i, текущего в нем.

Раскроем векторное произведение (1), тем самым найдем модуль вектора dF:

.

Направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, можно найти по правилу векторного произведения (1) или с помощью «правила левой руки», которое используется в физике средней школы.

На прямолинейный проводник длиной  l, расположенный перпенди-кулярно линиям индукции, действует сила, величина которой определяется формулой

.                                                      (2)

Из выражения (2) вытекает физический смысл магнитной индукции как силовой характеристики магнитного поля

.                                                        (3)

В данной работе В определяется , с одной стороны, по формуле (3), вытекающей из закона Ампера, путем непосредственного измерения  i,  l,  F,  c другой – рассчитывается по формуле Гопкинса. Формула Гопкинса получается из теоремы о циркуляции вектора , которая формулируется следующим образом: «Циркуляция вектора напряженности магнитного поля по произвольному замкнутому контуру равна алгебраической сумме токов, охваченным этим контуром».

.                                                (4)

Магнитная цепь электромагнита, с помощью которого создается магнитное поле с индукцией В, состоит из прямоугольного железного сердечника – ярма – с небольшим воздушным зазором. Мысленно проведем одну из силовых линий магнитного поля (на рис. она показана штриховыми линиями). Обозначим  LC  длину той части силовой линии, которая находится внутри стального сердечника, LB – ее длину в воздушном зазоре. Тогда полная длина магнитного контура

.

Магнитное поле создается током I, протекающим в обмотке электромагнита, выполненной в виде двух катушек, содержащих w витков. Вычислим циркуляцию вектора напряженности магнитного поля вдоль замкнутого контура, совпадающего с силовой линией и охватывающего все токи (т.е. все витки w с током I в каждом).

,

где  – элемент длины контура, направленный в сторону движения при интегрировании (по направлению обхода контура).

Из условия непрерывности линий индукции магнитного поля и, пренебрегая некоторым рассеянием их в воздушном зазоре, получим, что индукция В в сердечнике и в зазоре одинакова. Напряженность же поля в сердечнике НС  и в зазоре НВ различна, и соответственно, равна

,  ,                                     (5)

где    – магнитная постоянная,  – магнитная проницаемость стали, из которой изготовлен сердечник, – магнитная проницаемость воздуха в зазоре.

Раскроем скалярное произведение в равенстве (4).

,                       (6)

тогда

.                                           (7)

Выражение (7) называется формулой Гопкинса. Умножив обе части равенства (7) на площадь поперечного сечения сердечника S, можно привести его к виду

,                                       (8)

где  BS= – магнитный поток в сердечнике и воздушном зазоре.

Формула (8) «внешне» похожа на уравнение для тока, записанное на основании закона Ома при последовательно соединенных проводниках.

.                                      (9)

Здесь I – сила тока в цепи двух линейных проводников с длинами L1 и  L2, сечением S, удельным сопротивлением   и  ,соответственно ( – удельная электропроводность); Е – ЭДС источника тока. По аналогии с выражением (9) соотношение (8) называется законом Ома для магнитной цепи. Величина  Iw = EM , создающая магнитный поток  Ф, называется магнитодвижущей силой (МДС). Величины

,        

называются магнитным сопротивлением железного сердечника и воздушного зазора, а их сумма  RM = RMC + RMBполным магнитным сопротивлением магнитной цепи.

Вернемся к соотношению (7). Из него видно, что величина индукции В возрастает с уменьшением ширины воздушного зазора (уменьшается магнитное сопротивление).

Задачей работы является проверка формулы Ампера и определение индукции магнитного поля в зазоре электромагнита двумя способами: 1) по формуле Ампера и 2) путем расчета по формуле Гопкинса.

Описание установки. Экспериментальная установка изготовлена на базе аналитических весов. Вместо правой чашки к их коромыслу подвешен измерительный проводник длиной l, расположенный в воздушном зазоре электромагнита перпендикулярно линиям магнитной индукции. Ток к нему подводится через клеммы «Проводник» от источника тока 1.

Электромагнит представляет собой две катушки, соединенные между собой последовательно, каждая содержит по 1000 витков медного провода. Концы обмотки выведены на клеммы с надписью «Электромагнит».

Сердечник электромагнита изготовлен из прямоугольных брусков магнитомягкого железа (стали). Крепление полюсных наконечников позволяет изменять величину воздушного зазора LB.

Электрическая цепь установки состоит из двух частей: а) цепи питания электромагнита и б) цепи питания измерительного проводника (см. рисунок).

Измерения. 1. Приведите все приборы в исходное положение: весы арретируйте, регуляторы U обоих источников питания выведите в крайнее левое положение ( против часовой стрелки).

2. Соберите электрическую цепь по схеме (см. рисунок).

3. После проверки преподавателем или лаборантом правильности сборки цепи включите источник питания электромагнита и установите ток I=1,00 А.

4. Помещая на левую чашку весов гирьки разновеса, уравновесьте весы с точностью 3 мг, а показание светового индикатора весов (миллиграммы и их десятые доли) запишите как начальный отсчет.

Примечание 1. Все манипуляции на чашках весов (укладка разновеса или его снятие) производятся только при арретированных весах!

Примечание 2. Световой индикатор равновесия весов включается поворотом ручки арретира против часовой стрелки. При этом нет необходимости выводить арретир полностью, достаточно пронаблюдать, в какую сторону весы разбалансированы, так как при сильно неуравновешенных весах направление разбаланса видно уже при незначительном повороте арретира.

5. Включите источник питания измерительного проводника. Установите в нем небольшой ток, примерно  0,02 А.

6. Наблюдая за индикатором равновесия весов, установите такое на-правление тока  i  в проводнике, чтобы он выталкивался силой Ампера вверх.

7. Навесьте на правую серьгу весов перегрузок – кольцевую гирьку – массой 100 мг. Навешивание гирек производится при арретированных весах путем плавного вращения лимбов: большим лимбом навешиваются гирьки в сотни миллиграммов, малым – в десятки.

8. Медленно и плавно увеличивая ток в проводнике от источника 2, приведите весы в равновесие. Запишите величину этого тока i в таблицу.

9. То же самое проделайте с перегрузками 200 мг, 300 и т.д. до 900 мг.

LB=

LC=

l =

w =

изм.

I, A

m, мг

i, A

F, H

B, Тл

,Тл

,Тл2

10. Установите другой ток электромагнита I (по указанию преподавателя).

11. Проверьте равновесие весов при отсутствии перегрузка, запишите начальный отсчет на весах.

  1.  Повторите измерения п. 7–9 для нового значения тока I.
  2.  Запишите параметры установки в отведенное в таблице место.

Обработка результатов измерений. 1.Постройте графики зависимости силы  F, действующей на проводник с током в магнитном поле, от тока  i  в нем для обоих значений намагничивающего тока I.

2.Вычислите индукцию В  в зазоре электромагнита по формуле (3).

3.Вычислите среднее значение индукции  и доверительный интервал В при том и другом намагничивающем токе.

4.Рассчитайте В по формуле Гопкинса (7) при обоих значениях тока электромагнита. Магнитную проницаемость стального сердечника можно взять примерно 5103 , так как химический состав его неизвестен [1].

5.Сравните полученную величину с индукцией, определенной из закона Ампера. Результат сравнения оформите в виде таблички. Если между полученными значениями есть расхождения, превышающие ширину довери-тельного интервала, предложите возможные причины их возникновения.

Контрольные вопросы

1. Что называется индукцией магнитного поля?

2. Сформулируйте закон Ампера. Запишите его в дифференциальной и интегральной форме. Как находят направление силы Ампера, зная направление поля и положение проводника в нем? Подтверждают ли Ваши результаты справедливость закона Ампера?

3. Сформулируйте теорему о циркуляции напряженности магнитного поля. Объясните, как ею пользоваться в конкретном случае.

4. Выведите формулу Гопкинса.

5. Что такое магнитодвижущая сила, магнитное сопротивление, магнит-ный поток и как они взаимосвязаны?

6. Какими способами определяется в данной работе индукция магнит-ного поля в зазоре электромагнита?

7. От чего зависит индукция магнитного поля в зазоре электромагнита?

8. Объясните устройство и принцип действия экспериментальной установки. Какова методика нахождения индукции с помощью весов Ампера?

9. Нарисуйте схему электрической цепи. Как должны быть направлены индукция магнитного поля   в зазоре электромагнита и сила тока  i  в проводнике, чтобы сила Ампера была направлена вверх? Как достичь нужного направления силы Ампера?

10. Почему первоначальное уравновешивание весов следует производить при наличии в электромагните рабочего тока?

Список рекомендуемой литературы

1. Калашников С.Г. Электричество. М.: Наука, 1985. §76, 94, 120.

2. Савельев И.В. Курс физики. М.: Наука, 1989. Т.2,§37, 38, 52.

3. Сивухин Д.В. Общий курс физики. М: Наука, 1983. Т.3, §49, 59, 61.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

33929. Методы прогнозирования разновидность математических методов прогнозирования, позволяющих построить динамические ряды на перспективу 12.01 KB
  Методы прогнозирования разновидность математических методов прогнозирования позволяющих построить динамические ряды на перспективу. Статистические методы прогнозирования охватывают разработку изучение и применение современных математикостатистических методов прогнозирования на основе объективных данных в том числе непараметрических методов наименьших квадратов с оцениванием точности прогноза адаптивных методов методов авторегрессии и других; развитие теории и практики вероятностностатистического моделирования экспертных методов...
33930. Индексы 13.21 KB
  За базу сравнения могут приниматься плановые показатели если необходимо использовать индексы как показатели выполнения плана По степени охвата элементов явления индексы делят на индивидуальные и общие сводные. Индивидуальные индексы i это индексы которые характеризуют изменение только одного элемента совокупности. Если индексы охватывают только часть явления то их называют групповыми. В зависимости от способа изучения общие индексы могут быть построены или как агрегатные от лат.
33931. Индивидуальные индексы 11.05 KB
  Индивидуальные индексы характеризуют изменения отдельных единиц элементов статистической совокупности.Для определения индекса надо произвести сопоставление не менее двух величин отражающих изменения индексируемого показателя признака. Например при изучении изменения физического объема продукции в качестве индексируемой величины выступают данные об объеме количестве продукции в натуральных измерениях; при изучении изменения цен индексируемой величиной является цена единицы товара и т.
33932. Агрегатные индексы 18.04 KB
  Агрегатные индексы Агрегатный индекс общий индекс полученный путем сопоставления итогов выражающих величину сложного явления в отчетном и базисном периодах при помощи соизмерителей. Веса среднего арифметического и среднего гармонического индексов должны определяться исходя из соблюдения условия этого тождества. При исчислении среднего арифметического индекса объема продукции должно выполняться следующее условие: iFf=q1p0q0p0 В векторной символике средний арифметический индекс объема будет иметь вид: Jq=ip0q0p0q0=HqP0Q0 где Нq вектор...
33933. Индексы Пааше, Ласпейреса, Фишера. Их практическое применение 36.76 KB
  Этот индекс был построен по среднеарифметической формуле без применения какойлибо системы взвешивания. В XIX веке при построении индексов цен в основном по агрегатной или соответствующей ей среднеарифметической формуле статистики начинают использовать систему взвешивания. Более широкое практическое применение находят две другие их формы: в формуле Ласпейреса средняя арифметическая форма в формуле Пааше средняя гармоническая которые отражены в табл. Она устанавливает изменение цен при предположении что количества товаров неизменны...
33934. Средние индексы 11.06 KB
  Средние экономические показатели статистические показатели определяемые как средние за несколько лет по ряду экономических объектов или по всей совокупности производителей и потребителей. Следует иметь в виду что средние объемы производства доходы и расходы населения средняя заработная плата определяются как средневзвешенные по всем производственным объектам лицам и семьям работникам потребителям.
33935. Понятие статистической связи, ее виды и формы 14.3 KB
  При функциональной связи определенному значению факторного признака соответствует определенное же значение результативного признака. При статистической связи каждому значению факторного признака Х соответствует множество значений результативного признака Y причем не известно заранее какое именно. Корреляционной является статистическая связь между признаками при которой изменение значений независимой переменной Х приводит к закономерному изменению математического ожидания случайной величины Y....
33936. Методы выявления корреляционной связи. Корреляционно-регрессионный анализ 12.84 KB
  Основные статистические методы выявления наличия корреляционной связи: Сопоставление параллельных рядов метод когда ряд значений факторного признака х построенный в порядке возрастания сопоставляют с рядом соответствующих значений результативного признака у и таким образом прослеживают их взаимосвязь. Графический метод позволяет выявить наличие связи между двумя признаками с помощью поля корреляции. Установив наличие связи между признаками переходят к корреляционнорегрессионному анализу.
33937. Парная регрессия на основе метода наименьших квадратов 19.28 KB
  Для определения параметров уравнения парной регрессии используем метод наименьших квадратов. При применении этого метода для нахождения функции которая бы наилучшим образом соответствовала эмпирическим данным считается что сумма квадратов отклонений эмпирических точек от теоретической линии регрессии должна быть величиной минимальной. Критерий метода наименьших квадратов: ...