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

52137. Застосування властивостей степеня з натуральним показником 179.5 KB
  Тема уроку: Застосування властивостей степеня з натуральним показником Очікувані результати: Після цього уроку учні зможуть: застосовувати властивості степеня з натуральним показником при спрощенні виразів і розвязуванні рівнянь; користуватися властивостями степеня при визначенні значень числових виразів та при порівнянні чисел; застосовувати властивості степеня з натуральним...
52138. Використання формул квадрата двочлена при розвязуванні вправ 96.5 KB
  Обладнання: карта походу карткизавдання портрет Евкліда. Тож завдання наступне виконуємо в парах. До кожного завдання вказані чотири відповіді одна з яких правильна. Ваше завдання скласти це слово.
52139. Розвязування квадратних рівнянь 139.5 KB
  Мета уроку. Навчальна складова мети формування предметних компетенцій: удосконалювати вміння застосовувати набуті раніше знання до розвязування вправ. Розвивальна складова мети розвиток навичок мислення високого рівня: розвивати навички розуміння використання аналізу синтезу оцінювання.
52140. Розвязування рівнянь 120.33 KB
  Мета уроку: Розвязувати найрізноманітніші рівняння, що відрізняються за тематикою і аналіз ситуації у яких припускаються найбільш поширені помилки; підвищення строгості математичних міркувань; виховувати увагу культуру математичного мовлення кмітливість. В історії розвитку математичних софізмі зіграли суттєву роль. Корекція вмінь та навичок учнів з теми через розвязування рівнянь.
52141. Квадратные уравнения. Решение квадратных уравнений 325 KB
  Тема урока: Решение квадратных уравнений. Квадратные уравнения находят широкое применение при решении тригонометрических показательных иррациональных уравнений и неравенств используются при решении задач по химии и физике. Мы изучили с вами формулы корней квадратных уравнений с помощью которых можно решить любое квадратное уравнение. Однако имеются и другие приемы решения квадратных уравнений которые позволяют очень быстро и рационально решать их.
52142. Найпростіші перетворення графіків функцій 61.5 KB
  Учні самі розподіляються хто яку роботу виконує. Один учень виконує роботу на листі А4. Один учень виконує роботу на листі А4. Один учень виконує роботу на листі А4.
52143. Квадратична функція 1.85 MB
  Вони повинні розглядатися у наступному тематичному блоці адже розвязування більшості цих вправ не потребує знань властивостей та графіка квадратичної функції. Властивості функції. Елементарні функції. Властивості функції.
52144. Построение графиков с помощью геометрических преобразований 2.47 MB
  Найти область определения функции: ученик работает у доски у= . Перед учащимися карточки с изображением графиков функции у=fx. Для построения графика функции у=2 необходимо выполнить: А параллельный перенос графика функции у= на 2 единицы влево; Б параллельный перенос графика функции у= на 2 единицы вверх; В сжатие графика функции у= вдоль оси ОУ в 2 раза; Г параллельный перенос графика функции у= на 2 единицы вниз;...
52145. Многочлен від однієї змінної та його корені 30.5 KB
  Поділивши куточком многочлен Ах на многочлен Вх знайдіть неповну частку й остачу: Ах = 2х5 5х3 6х 7 Вх = х3 х. Методом невизначених коефіцієнтів знайдіть значення параметра а якщо при діленні многочлена х4 ах3 2х2 х 1 на тричлен х2 х 1 остача дорівнює 6х 2. Знайдіть корені многочлена 2х3 7х2 7х 2. Поділивши куточком многочлен Ах на многочлен Вх знайдіть неповну частку й остачу: Ах = х4 х 1 Вх = х2 х 1.