37917

ИЗУЧЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ СОЛЕНОИДА

Лабораторная работа

Физика

33 Изучение магнитного поля соленоида. Рассмотрены характеристики магнитного поля и методика экспериментального определения величины вектора магнитной индукции с помощью датчика Холла.Характеристики магнитного поля.

Русский

2013-09-25

173.5 KB

44 чел.

Министерство образования Российской Федерации

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИЗУЧЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ СОЛЕНОИДА

Методические указания

к лабораторной работе № 53

по курсу общей физики

Уфа 2003

Министерство образования Российской Федерации

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИЗУЧЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ СОЛЕНОИДА

Методические указания

к лабораторной работе № 53

по курсу общей физики

Уфа 2003

Министерство образования Российской Федерации

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра общей физики

ИЗУЧЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ СОЛЕНОИДА

Методические указания

к лабораторной работе № 53

по курсу общей физики

Уфа 2003

Составитель С.А. Шатохин

УДК 537.6

ББК 22.33

Изучение магнитного поля соленоида. Методические указания к лабораторной работе № 53 по курсу общей физики/ Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т; Сост. С. А. Шатохин. – Уфа, 2003. – 10 с.

Рассмотрены характеристики магнитного поля и методика экспериментального определения величины вектора магнитной индукции с помощью датчика Холла.

Предназначены для студентов, изучающих явления электромагнетизма в лабораторном практикуме по курсу общей физики.

Рецензенты: В. Р. Строкина

                      Ф. Ш. Шарифьянов

© Уфимский государственный авиационный

технический университет, 2003


Содержание

стр.

1.Цель работы……………………………………………………..………………4

2.Теоретическая часть…………………….……………………….……..………4

2.1.Характеристики магнитного поля………………………………………….4

2.2.Закон полного тока…………………………..…...……………….………….5

2.3.Магнитное поле соленоида……………………….…...………….………….6

3.Метод измерений………………………………………...………….………….7

4.Требования к технике безопасности……………………...………….………..8

5.Порядок выполнения работы……………………………..………….………..9

6.Требования к отчету…………………………………………………..………10

7.Контрольные вопросы………………………………………………..……….10

Список литературы………………………………….…....………….………11

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 53

ИЗУЧЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ СОЛЕНОИДА

  1.  Цель работы

Овладение практическими навыками измерения индукции магнитного поля соленоида с помощью датчика Холла.

  1.  Теоретическая часть

2.1.  Характеристики магнитного поля

В пространстве, окружающем проводники с током или движущиеся заряды, возникает магнитное поле, которое можно обнаружить по его воздействию на другие проводники с током или постоянные магниты. Магнитное поле в каждой точке пространства количественно может быть охарактеризовано с помощью вектора напряженности магнитного поля H или с помощью вектора индукции магнитного поля B. В вакууме векторы B и H связаны между собой соотношением

B = μ0·H        (2.1)

где μ0=4π·10 -7 Гн/м – магнитная постоянная.

Вектор индукции B является силовой характеристикой магнитного поля, его величина численно равна силе, действующей на единичный пробный элемент с током (I·Δl), расположенный перпендикулярно к направлению поля. Это определение непосредственно связано с законом Ампера, который описывает силовое действие магнитного поля на проводник с током:

     (2.2)

Так как длина проводника Δl  может быть сколь угодно мала, то выражение (2.2) в принципе можно использовать для определения величины индукции B в каждой точке поля. В системе СИ единицей измерения магнитной индукции является Тесла: Тл = Н/А·м. Направление вектора B принято выбирать таким же, как у магнитной стрелки магнитного диполя, помещенной в данную точку поля. Магнитные поля принято изображать с помощью линий магнитной индукции, касательная к которым совпадает с направлением вектора B.

2.2. Закон полного тока

Существуют два закона, связывающих индукцию магнитного поля B с порождающим его током: закон Био-Савара-Лапласа и закон полного тока.              (В электростатике аналогичная картина — закон Кулона и теорема Остроградского- Гаусса). Закон полного тока является математическим выражением вихревого характера магнитного поля. В этом случае циркуляция вектора магнитной индукции, то есть величина

   (2.3)

вдоль замкнутого контура L (Рис. 2.1), пропорциональна алгебраической сумме токов, охватываемых этим контуром.

В выражении для циркуляции (2.3) все dli представляют собой длины отрезков, на которые разбивается контур L (направление вектора dli совпадает с направлением обхода при суммировании), а Bi — вектор индукции в пределах dli. В интегральном исчислении такая величина называется криволинейным интегралом. Поэтому строгая математическая запись закона полного тока имеет вид

     (2.4)

Величина тока при суммировании берется со знаком плюс, если направление тока согласуется с направлением обхода контура L по правилу правого винта. В противном случае значение тока считается отрицательным.

2.3.  Магнитное поле внутри соленоида

Электрический ток, проходя через обмотку соленоида, создает во внутренней полости магнитное поле. Если длина соленоида во много раз превосходит его диаметр, то такой соленоид можно с хорошим приближением считать бесконечно длинным.

В этом случае магнитное поле снаружи пренебрежимо мало, а поле внутри соленоида практически однородно (неоднородность проявляется лишь около его  концов  рис. 2.2).

Для   вычисления   индукции    внутри   соленоида  по обмотке которого идет ток I, можно воспользоваться законом полного тока. Для этого вычислим сначала циркуляцию вдоль замкнутого контура L, который в данном случае для упрощения суммирования удобно взять в виде прямоугольника, как показано на рис. 2.3 (закон полного тока справедлив для контура  любой формы).

Тогда циркуляция распадается на четыре составные части:

  (2.5)

Из рис. 2.3 видно, что суммирование вдоль участков l1, l3 и l4  равно нулю, поскольку вектор индукции в этих случаях либо перпендикулярен отрезкам dli, либо равен нулю (вне соленоида). Таким образом,

  (2.6)

где учтено, что величина и направление вектора B на участке l2 внутри соленоида для всех dli одинаковы.

Пусть на единицу длины соленоида приходится n витков. Тогда контур L будет охватывать N=n·l2 проводников с током I, а значит

                                  .                          (2.7)

Приравнивая (2.6) и (2.7), в соответствии с законом полного тока, получим:

В = μ0nI        (2.8)

  1.  Метод измерений

Для экспериментального исследования индукции магнитного поля на оси соленоида в настоящей работе используется метод, основанный на явлении Холла. Если через проводящую пластинку с поперечным сечением ab пропустить ток плотностью j и поместить ее в поперечное магнитное поле с индукцией B, то на движущиеся носители зарядов будет действовать сила Лоренца. В результате на одной грани пластинки будут скапливаться положительные, а на другой — отрицательные заряды. Таким образом, возникает добавочное электрическое поле, напряженность которого E перпендикулярна векторам B и j (рис. 3.1). Возникающая при этом разность потенциалов называется ЭДС Холла. Величина Δφ между боковыми гранями пропорциональна величине тока i и индукции В:

      (3.1)

Коэффициент пропорциональности R называется постоянной Холла. В работе используется полупроводниковый датчик Холла марки ДХГ-2 с управляющим током i = 12 мА. Поскольку линии магнитной индукции внутри соленоида направлены вдоль оси, то датчик Холла располагается на торце специального штока, вставляемого в соленоид. Для измерения положения датчика внутри соленоида на боковой грани штока нанесена миллиметровая шкала.

  1.  Требования к технике безопасности

  1.  Прежде чем приступить к работе, внимательно ознакомьтесь с заданием и оборудованием.
    1.  Проверьте заземление лабораторной установки и изоляцию токонесущих проводов.
    2.  Немедленно сообщите преподавателю или лаборанту о замеченных неисправностях.
    3.  Не загромождайте свое рабочее место оборудованием, не относящимся к выполняемой работе.
    4.  Не оставляйте без присмотра свою лабораторную установку, это может привести к несчастному случаю.
    5.  По окончанию работ приведите в порядок свое рабочее место. Обесточьте все лабораторные приборы.
    6.  Запрещается уходить из лаборатории без разрешения преподавателя.

5.  Порядок выполнения работы

Задание 1. Определение зависимости магнитной индукции в средней точке на оси соленоида и тарировка датчика Холла.

   Таблица 5.1

Ic,   A

Δφ,   В

B,   Тл

R,   В·м/Тл·А

1

2

3

  1.  Собрать схему, изображенную на рис. 5.1.
  2.  Поставить шток с датчиком Холла в среднее положение на оси соленоида  («0» по шкале).
  3.  Включить источник питания и цифровой вольтметр в сеть. Измерить ЭДС Холла в центре соленоида для токов  0,5;  1,0;  1,5;  2,0;  2,5 А.  Данные занести в  табл. 5.1.
  4.  Вычислить индукцию магнитного поля по формуле (2.8), полагая n = 17·103 витков/м; данные занести в табл. 5.1.
  5.  Вычислить значение постоянной Холла R для каждого измерения по формуле (3.1); данные занести в табл. 5.1. Найти среднее значение R.
  6.   Построить график зависимости Δφ = f(Ic) по данным табл. 5.1.

                                                                                                                        

Задание 2. Исследование зависимости индукции магнитного поля от координаты Z вдоль оси соленоида, отсчитываемой от средней точки.

  1.  Установить величину тока в катушке по указанию преподавателя.
  2.  Перемещая  шток  с  датчиком  Холла с  интервалом ΔZ=1 см  измерить ЭДС Холла вдоль всей оси соленоида. Полученные данные занести в табл. 5.2.

Таблица 5.2

Ток соленоида Ic = … A

Z,   мм

0

10

20

30

40

Δφ,   В

В,   Тл

  1.  Вычислить индукцию поля В для каждого положения датчика Холла по формуле (3.1). При расчете использовать значение R, полученное в задании 1. Данные занести в табл. 5.2.
  2.  Построить график зависимости В от Z по данным табл. 5.2.
  3.  Повторить измерения и расчеты по пп. 2 – 4 для нового значения Ic, указанного преподавателем.
  4.  Для одного из полученных значений B рассчитать абсолютную и относительную погрешности измерения.

Требования к отчету

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

1) название и номер лабораторной работы;

2) основные формулы для выполнения работы;

3) таблицы с результатами измерений и вычислений;

4) графики на миллиметровой бумаге;

5) расчеты погрешностей измерений;

6) выводы к работе.

  1.  Контрольные вопросы

  1.  Какие существуют характеристики магнитного поля?
  2.  Как определяется величина и направление вектора магнитной индукции магнитного поля?
  3.  Как вычисляется циркуляция вектора магнитной индукции?
  4.  Почему магнитное поле является вихревым?
  5.  Как формулируется закон полного тока? Какие величины и как он объединяет?
  6.  Как используется закон полного тока при расчете магнитного поля внутри соленоида?
  7.  Какое явление лежит в основе экспериментального определения магнитного поля соленоида?

Список литературы

  1.  Савельев И.В. Курс общей физики. T. 2. – М.: Наука. Физмат, 1998.
  2.  Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1999.


Составитель ШАТОХИН СЕРГЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

ИЗУЧЕНИЕ  МАГНИТНОГО ПОЛЯ СОЛЕНОИДА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторной работе № 53

по курсу общей физики

Редактор Соколова О.А.

ЛР № 020258 от 01.08.98

Подписано в печать 19.02.2003. Формат 60 х 84 1/16.

Бумага оберточная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman Cyr.

Усл. печ. л. 0,7. Усл.-кр.-отт. 0,7. Уч-изд.л 0,6.

Тираж 350 экз. Заказ №  .

Уфимский государственный авиационный технический университет

Уфимская типография №2 Министерства печати и массовой информации Республики Башкортостан

450000, Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12


Рис.  2.3

I

I

Рис. 2.2

dli

lj

dBi

 j

B

I

Рис.  5.1

ИП

C

I

dBj

I2

b

I1

I3

L

   Рис.  2.1

V

Рис.  3.1

E

а


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

64145. Система коррекционной работы с детьми с общим недоразвитием речи 87.83 KB
  Попытки внедрять различные модели оздоровительных, коррекционно-развивающих программ, новые формы занятий, предлагаемых различными авторами без учета возможностей дошкольного образовательного учреждения и знания контингента занимающихся, не приводят к желаемым результатам
64146. Рекламная деятельность предприятий гостиничного бизнеса (на примере ООО «Мираж») 4.66 MB
  Сущность содержание и функции рекламы в гостиничной индустрии. Особенно велико значение рекламы в областях экономики и общественной жизни. Экономическая роль рекламы реализуется в том что она способствует росту общественного производства объема капиталовложений и числа рабочих мест.
64147. Технико-экономическое обоснование инвестиционного проекта производства пива в г. Озерск Челябинской области на примере ООО «СоХо Плюс» 4.64 MB
  Вкус и аромат пива обуславливают содержащиеся в нем экстрактивные вещества, извлеченные из зернового сырья, горькие и ароматические вещества хмеля, а также спирт, диоксид углерода и другие продукты брожения.
64149. Система мероприятий по эффективному использованию интегрированных маркетинговых коммуникаций в деятельности ООО «Градиент» и экономическая оценка их эффективности 1.12 MB
  Осознавая объективные обстоятельства организации коммерческой деятельности и необходимость существования в условиях насыщенного рынка, жесткой конкуренции, быстро меняющихся рыночных обстоятельствах и увеличения разносторонних требований потребителей
64150. Эстрадное представление «Дед Мороз и Санта – хранители волшебства» 10.35 MB
  В плане работы любого из учреждений культуры есть место новогодним мероприятиям. Ежегодно продюсерская компания «КДК–Премьер» организовывает городские елки в Крымском Академическом Музыкальном Театре. Руководители компании обратились за помощью к студентам, их выбор пал на меня.
64151. Разработка теоретических и методических основ совершенствования механизма управления гостиничным комплексом «Белгород» 10.04 MB
  Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач: анализ состояния и перспектив развития российского гостиничного бизнеса; исследование особенностей управления предприятиями гостиничного бизнеса в современных условиях...
64152. СЛЕНГ В ЯЗЫКОВОЙ СРЕДЕ МУРМАНСКА 8.24 MB
  Теоретическую базу по формам существования русского языка в общем и социолектов в частности составляют труды таких учёных как Л. В первой главе рассматривается понятие русского языка как национального даётся характеристика...