37919

ИЗУЧЕНИЕ ВИХРЕВОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Лабораторная работа

Физика

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 57 ИЗУЧЕНИЕ ВИХРЕВОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ Цель работы Изучение явления электромагнитной индукции и свойств вихревого электрического поля. Уравнение Максвелла для электрического поля В 1931 году М.1 Анализируя явление электромагнитной индукции Максвелл установил что причиной появления ЭДС индукции является возникновение в контуре электрического поля.

Русский

2013-09-25

310.5 KB

12 чел.

Содержание

                            

  1.   Цель работы……………………………………………………………4
  2.  Теоретическая часть……………………………………………………4

2.1. Явление электромагнитной индукции.

Уравнение Максвелла для электрического поля……………………….4

2.2. Вихревые токи (токи Фуко)…………………………………………6

  1.   Экспериментальная часть……………………………………………..8

3.1. Описание лабораторной установки………………………………...8

3.2. Требования по технике безопасности……………………….……..8

3.3. Порядок выполнения работы…………………………………….…9

3.4. Требования к отчёту………………………………………….…….10

  1.   Контрольные вопросы……………………………………………….10

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

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА  № 57

ИЗУЧЕНИЕ ВИХРЕВОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

  1.  Цель работы

Изучение явления электромагнитной индукции и свойств вихревого электрического поля.

2. Теоретическая часть

  1.   Явление электромагнитной индукции.

Уравнение Максвелла для электрического поля      

В 1931 году М. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, согласно которому любое изменение сцепленного с проводящим контуром магнитного потока приводит к возникновению в контуре электродвижущей силы (ЭДС). Появление в контуре ЭДС индукции не связано с изменением свойств проводника в магнитном поле, а обусловлено самим полем.

Величина ЭДС индукции определяется скоростью изменения магнитного потока:          

                                    ,                                             (2.1)

где  – поток магнитной индукции через площадь S, ограниченную рассматриваемым контуром L.

.                                                (2.2)

Знак минус в правой части уравнения (2.1) соответствует правилу Ленца: при всяком изменении магнитного потока сквозь поверхность, ограниченную проводящим контуром, в последнем возникает индукционный ток такого направления, что его магнитное поле противодействует изменению магнитного потока.

Формула (2.1), объединяющая в себе закон Фарадея и правило Ленца, является математическим выражением основного закона электромагнитной индукции: электродвижущая сила электромагнитной индукции в замкнутом проводящем контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока сквозь поверхность, ограниченную контуром рис.2.1.

     

Рис.2.1

Анализируя явление электромагнитной индукции, Максвелл установил, что причиной появления ЭДС индукции является возникновение в контуре электрического поля. При этом проводники играют второстепенную роль и являются своего рода приборами, обнаруживающими это поле.

Возникающие электрическое поле не является электростатическим. Это поле имеет замкнутые силовые линии, т.е. является вихревым. Циркуляция вектора напряженности по замкнутому контору в этом поле не равна нулю. Вихревое  электрическое поле вызывает движение электронов по замкнутым траекториям и приводит к возникновению ЭДС, при этом сторонними силами являются силы этого поля рис.2.2.

  

       

Рис.2.2

ЭДС, действующая в любом контуре L, равна:

,                                                (2.3)

где Ест  – напряженность поля сторонних сил.

В данном случае Ест – напряженность вихревого электрического поля Е и для ЭДС индукции справедливо выражение:

.                                                (2.4)

С учетом (2.4) выражение (2.1) принимает вид:

.                                           (2.5)

Максвелл предложил считать, что соотношение (2.5) справедливо не только для проводника, но и любого замкнутого контура, мысленно выбранного в переменном магнитном поле.   Обобщенное таким образом уравнение (2.5) называется первым уравнением Максвелла в интегральной форме для вихревого       электрического поля: циркуляция вектора напряженности электрического поля по произвольному замкнутому контуру L равна взятой с обратным знаком скорости изменения потока магнитной индукции через поверхность, опирающуюся на данный контур. Физический смысл этого уравнения заключается в следующем: переменное магнитное поле в любой точке пространства создает вихревое электрическое поле независимо от того, находится в этой точке проводник или нет.

Если в рассматриваемом контуре помимо ЭДС электромагнитной индукции, имеются другие ЭДС ε1, ε2, … εn, то для такого контура:

.                                (2.6)

                            

2.2.  Вихревые токи (токи Фуко)     

Индукционный ток возникает не только в линейных, но и в массивных сплошных проводниках, помещенных в переменное магнитное поле. Эти токи оказываются замкнутыми в толще проводника и поэтому называются вихревыми. Их также называют токами Фуко – по имени первого их исследователя. Токи Фуко, как и индукционные токи в линейных проводниках, подчиняются правилу Ленца: их магнитное поле направлено так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующего вихревые токи.

Взаимодействуя с магнитным полем, вихревые токи вызывают появление сил, действующих на движущийся проводник, противодействуя его движению. Силы, вызываемые токами Фуко и действующие на движущиеся проводники в магнитном поле, используются для демпфирования (успокоения) подвижных частей гальванометров, сейсмографов и других измерительных приборов.

Токи Фуко вызывают нагревание проводников. Тепловое действие токов Фуко используется в индукционных металлургических печах. С помощью токов Фуко осуществляется также прогрев внутренних металлических частей вакуумных установок для их обезгаживания.

Во многих случаях токи Фуко бывают нежелательными, и приходится принимать для борьбы с ними специальные меры. Так, для уменьшения потерь на нагревание якоря генераторов и сердечники трансформаторов делают не сплошными, а изготавливают из тонких пластин, отделенных одна от другой слоями изолятора, и устанавливают их так, чтобы вихревые токи были направлены поперек пластин.

Количество теплоты, выделяющееся за единицу времени в единице объема проводника, называется удельной тепловой мощностью. Она равна:

,                                                  (2.7)

где  – удельное сопротивление проводника, Е – напряженность вихревого электрического поля.

Учитывая, что разность потенциалов между двумя точками поля, находящимися на расстоянии l друг от друга, равна:

.                                                     (2.8)

Формулу (2.6) можно представить в виде:

    .                                                 (2.9)

3. Экспериментальная часть

3.1. Описание лабораторной установки

Схема лабораторной  установки представлена на рис.3.1.

При включении тумблера 2 по катушке электромагнита 1 течет переменный ток и в железном сердечнике возникает переменное магнитное поле. В листе латуни 3 индуцируется вихревое электрическое поле. Изучение этого поля осуществляется с помощью зонда 4 и цифрового вольтметра 5.

Рис.3.1

  1.   Требования по технике безопасности
  2.   Прежде чем приступить к работе, внимательно ознакомьтесь с заданием и оборудованием.
  3.  Проверьте заземление лабораторной установки и изоляцию токонесущих проводов. Немедленно сообщите преподавателю о замеченных неисправностях.
  4.  Не оставляйте без присмотра включенную лабораторную установку.
  5.  По окончании работы приведите свое рабочее место в порядок. Обесточьте приборы.

  1.   Порядок выполнения работы
  2.  Включить установку в сеть.
  3.  Включить цифровой вольтметр. Нажать на вольтметре, предназначенном для измерения напряжения, клавишу «   » и клавишу «АВП», соответствующую автоматическому выбору пределов измерения.
  4.  Расстояние между иглами двойного зонда сделать равным     20 мм.
  5.  Поместить одну иглу двойного зонда в точку А                         (с координатами 25,2) на листе латуни. Нанести эту точку на лист миллиметровой бумаги.
  6.  Вращая зонд относительно точки А, найти второй иглой на листе латуни точку, соответствующую максимальному значению показаний вольтметра. Полученную точку наколоть второй иглой. Эту точку также нанести на лист миллиметровой бумаги.
  7.  Оставляя вторую иглу неподвижной, найти первой иглой точку на латуни, соответствующую максимальному значению показаний вольтметра, и т.д.
  8.  Соединить точки. Полученная линия есть силовая линия вихревого электрического поля в области листа латуни.
  9.  Помещая иглу двойного зонда последовательно в точки с координатами 25,3; 25,4 и повторяя п.п. 3–6, построить на том же листе миллиметровой бумаги еще 2 силовые линии.
  10.  Построить линии равного потенциала.
  11.  Рассчитать удельную тепловую мощность по формуле:

,

где U – напряжение между двумя точками вдоль силовой линии, находящимися на расстоянии  друг от друга; =7,1.10-8 – удельное сопротивление латуни; R – радиус кривизны силовой линии;  – угол, соответствующий дуге l рис.3.2.

Рис.3.2

11. Получить 3 значения для различных точек, подсчитать среднее значение удельной мощности потерь, абсолютную и относительную погрешности. Результаты занести в табл.  

Таблица

3.4. Требования к отчёту

        Отчёт по лабораторной работе должен содержать:

1. Название и номер лабораторной работы.

2. Основные положения теории метода.

3. Основные формулы для выполнения расчётов.

4. Таблицу с результатами измерений и вычислений.

5. Лист миллиметровой бумаги с силовыми линиями и линиями равного потенциала для вихревого электрического поля.

6. Формулы  для  расчёта  относительной  и  абсолютной погрешности определения удельной мощности.  

7. Выводы к работе.

4. Контрольные вопросы

1. В чем суть явления электромагнитной индукции?

2.Сформулируйте и запишите основной закон электромагнитной индукции.

3. Запишите уравнение Максвелла для вихревого электрического поля. Раскройте физический смысл этого уравнения.

4. Какова природа вихревых токов (токов Фуко)?

5. Какую  форму  имеют  силовые  линии  и  линии  равного электрического поля?

6. Объясните  метод  построения  силовых  линий  вихревого электрического поля с помощью двойного зонда.

  1.   Как определяется удельная мощность потерь в латуни за счет вихревых токов?

       

Список литературы

1.  Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2. – М.: Наука. Физмат, 1998.

2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1999.

3. Калашников С.Г. Электричество. – М.: Наука, 1985.

10


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

7011. Определение качества кабельной изоляции по токам абсорбции 42 KB
  Тема: Определение качества кабельной изоляции по токам абсорбции Цель: Изучение приборов и методов измерения сопротивления изоляции электрооборудования выработка навыков использования приборов и методов измерений. Рисунок 1. Упрощенная схема мегомм...
7012. Определение электрической прочности жидких диэлектриков 59.5 KB
  Тема: Определение электрической прочности жидких диэлектриков. Цель работы: Ознакомление с методами испытания жидких диэлектриков, определение пригодности испытываемой жидкости для применения в высоковольтных аппаратах путём сравнения опытных д...
7013. Измерение тангенса угла диэлектрических потерь трансформаторного масла 56 KB
  Измерение тангенса угла диэлектрических потерь трансформаторного масла. Цель: Ознакомиться с установкой измерения состояния трансформаторного масла. Приборы и оборудование: Мост переменного тока Р5026. Мост переменного тока Р5026 ...
7014. Расчет феррорезонансных перенапряжений в сети с изолированной нейтралью приемного трансформатора 260 KB
  Тема: Расчет феррорезонансных перенапряжений в сети с изолированной нейтралью приемного трансформатора. Цель: Ознакомление с феррорезонансными перенапряжениями при изолированной нейтрали приемного трансформатора и методикой их расчета. Схема, в кото...
7015. Электроника. Учебное пособие 848 KB
  Цифровые интегральные микросхемы. Основы алгебры логики. Основные определения В зависимости от отсутствия или наличия элементов памяти цифровые устройства делятся на комбинационные устройства (КУ) и конечные автоматы (последовательные у...
7016. Электробезопасность. Методические пособия для самостоятельного изучения 732 KB
  Методические пособия предназначены для студентов всех специальностей и используются при самостоятельном изучении теоретической части курса по дисциплине Охрана труда, выполнении контрольных, лабораторных работ и расчетной части разделов Охрана труд...
7017. Макроэкономическое равновесие как экономическая категория 696.19 KB
  Введение Важнейшим методом исследования состояния экономики является метод равновесного анализа.Этот метод полностью применим при анализе категорий совокупных народно-хозяйственных показателей, т.е. национального дохода, инвести...
7018. Джерела енергії та вибір енергоносія 332 KB
  Джерела енергії та вибір енергоносія Мета цієї лекції допомогти оцінити різні джерела енергії разом з їх перевагами та недоліками. Лекція складається з трьох частин. У першій - розглянуті технічні і економічні аспекти різних типів джер...
7019. Засоби реалізації потенціалу енергозбереження 554 KB
  Засоби реалізації потенціалу енергозбереження Існує багато шляхів реалізації ПЕ. Нижче перерахуємо найбільш вживані і відомі: впровадження нових, досконаліших, способів виробництва, наприклад, сухий спосіб виробництва цементу, не...