42157

ИЗУЧЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ СОЛЕНОИДА

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Магнитное поле соленоида представляет собой результат сложения полей создаваемых круговыми токами расположенными вплотную и имеющими общую ось. Сечение соленоида схематически показано на рис. Распределение магнитной индукции по длине соленоида вдоль его оси описывается выражением 1: Рис.

Русский

2013-10-27

90 KB

25 чел.

ЛАБОРАТОРНАЯ   РАБОТА  № 4 – 5

ИЗУЧЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ СОЛЕНОИДА

         Цель работы - экспериментальное изучение распределения магнитного поля вдоль оси соленоида.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

         Соленоидом называют катушку цилиндрической или иной формы из проволоки, витки которой намотаны в одном направлении. Магнитное поле соленоида представляет собой результат сложения полей, создаваемых круговыми токами, расположенными вплотную и имеющими общую ось. Сечение соленоида схематически показано на рис.1. Распределение магнитной индукции по длине соленоида вдоль его оси описывается выражением (1):

                                             Рис. 1

                          (Сos 2 - Cos 1),                                               (1)

где I – сила тока, протекающего по соленоиду, 0 = 4 10-7  Гн/м – магнитная постоянная,  1 и  2 – углы между осью соленоида (по направлению вектора В) и прямыми, проведенными от исследуемой точки  А  до концов соленоида (точки  В  и  С  соответственно), n = N/L - число витков, приходящихся на единицу длины соленоида, N – число витков соленоида, L – его длина.

        Для бесконечно длинного соленоида в каждой точке на его оси      1 = 1800,   = 00. Подставляя значения  1 и  2 в  (1), получаем выражение для магнитной индукции на оси бесконечно длинного соленоида, В:  

                                             В = 0 n I.                                                      (2)

         Индукция  В  магнитного поля в любой точке на оси соленоида конечной длины всегда меньше индукции магнитного поля бесконечно длинного соленоида В в  В/ В раз.

         Зная геометрические параметры соленоида ( L и D), можно рассчитать  1 и  2 , а следовательно, и  В для любой точки оси соленоида. Для центра соленоида выражение для  В  имеет наиболее простой вид ( в этом случае 1 = 1800 -  2).

         Обозначив  2 = 0, а  1 = 1800 - 0 и подставив в (3), получим выражение для индукции магнитного поля в центре соленоида, ВЦ:

                                        ВЦ = В Соs 0.

Из геометрических соображений

                  Cos 0 = .                             (3)

Тогда

                                         ВЦ =  .                                              (4)

         В данной работе для экспериментального изучения распределения магнитного поля на оси соленоида используется датчик, работа которого основана на эффекте Холла. При внесении в магнитное поле датчика Холла (рис. 2) в его проводящей пластине, расположенной перпендикулярно вектору магнитной индукции, через которую проходит постоянный ток, возникает поперечная разность потенциалов, то есть ЭДС Холла  ЕХ:  

                                                                    b      

                              IX                                                        EX

                              IX                                                EX    

                                                          Рис. 2

                                      ЕХ = ,                                                     (5)

где  RXпостоянная Холла,  b – толщина пластины в направлении вектора индукции магнитного поля, IХ – сила тока, проходящего через пластину,  B – модуль вектора индукции магнитного поля, в котором находится пластина.      

ОПИСАНИЕ  ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ  

                                       

         Блок схема установки представлена на рис. 3.

                                                    ФПЭ-04  

                                                                                               В7-16А    

            Источник                              PV 

             питания         

                                                                                             100 v    

                                                               Рис. 3

         Установка ФПЭ-04 кассетного типа представляет собой соленоид, внутри которого перемещается шток. На конце штока установлен датчик Холла. По длине штока нанесена сантиметровая шкала, по которой определяется положение датчика относительно центра соленоида ( 0 – соответствует положению датчика Холла в центре соленоида).

         Геометрические параметры соленоида: диаметр D = 58 мм, длина – L = 168 мм, число витков N – 1700.

         Параметры датчика Холла: ДХГ-2 с германиевой пластиной, геометрические параметры которой 7х10х0,4 мм, b = 0,4 мм, I = 0,013 А.

         Используемый в работе датчик Холла нужно проградуировать. Для этого необходимо найти зависимость ЭДС Холла от величины индукции магнитного поля,  ЕХ (В). С этой целью датчик Холла устанавливается в центре соленоида, где неоднородность магнитного поля наименьшая. Меняя ток соленоида  I (соответственно В), измеряют  ЕХ. Рассчитав по формуле (4)  В , строят  градуировочный график  ЕХ (В).

         Установив в соленоиде некоторые значения тока и перемещая датчик Холла вдоль оси соленоида ( на различное   ), измеряют ЕХ (В). Далее по градуировочному графику каждому значению  ЕХ ставится в соответствие значение  В  и строится график зависимости В (), то есть кривая распределения индукции магнитного поля вдоль оси соленоида. По формуле (5) определяют постоянную датчика Холла RX.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

         Упражнение 1. Градуировка датчика Холла.

         1. Установите датчик Холла в центре соленоида (на штоке должно быть деление 0).

         2. Включите источник питания.

         3. Установите ток соленоида  I = 0,4 А. Для измерения тока соленоида должна быть включена правая кнопка «Контроль тока» на источнике питания. Регулировка тока соленоида осуществляется ручкой «5 В – 25 В».

         4. Измерьте напряжение  ЕХ по милливольтметру, подключенному к гнездам «PV».

         5. Увеличивая ток соленоида до 1,8 А через каждые 0,2 А, измеряйте значения ЭДС ЕХ. Полученные данные  ЕХ  и  тока соленоида  IC занесите в табл. 1.

         6. Повторите пункт  5  в обратном направлении, то есть, измеряйте значения  ЕХ, уменьшая ток соленоида от 1,8 А до 0,4 А через 0,2 А. Данные занесите в табл 1.

         7. Усредните значения  ЕХ для каждого значения  IC при прямом и обратном измерениях.

         8. Вычислите индукцию магнитного поля в центре соленоида по формуле (4).

Таблица   1

№ п/п

Ток в соленоиде, IC , А

ЕХ при увеличении тока соленоида, мВ

ЕХ при уменьшении тока соленоида, мВ

Среднее значение ЕХ , мВ

В = 0nI

В, Тл

1

2

и т.д.

         9. Постройте график зависимости ЭДС Холла  ЕХ от индукции магнитного поля  В, ЕХ (В).

  1.   Из выражения (5) определите постоянную Холла

                                               ,

где  tg  находится из графика  ЕХ (В).

         Упражнение 2. Изучение распределения магнитного поля вдоль оси соленоида.

         1. Установите ток соленоида 0,5 А, 1 А или 1,5 А (по указанию преподавателя).

         2. Перемещая шток с датчиком Холла вдоль оси соленоида на расстояние   через 1 см, измеряйте значения ЭДС Холла ЕХ. Данные  и ЕХ занесите в табл. 2.

         3. По графику ЕХ (В) определите значения индукции магнитного поля  В  соленоида, соответствующие каждому значению  ЕХ  при различных  . Данные занесите в табл. 2.

Таблица   2

№ п/п

Положение датчика Холла в соленоиде,

, см

ЭДС Холла,

ЕХ , мВ

Индукция магнитного поля вдоль оси соленоида,  В, Тл

1

2

и т. д.

         4. Постройте график зависимости величины индукции магнитного поля от расстояния   относительно центра катушки, В (), в положительном и отрицательном направлениях, рис. 4.

         5. Отметьте границу соленоида «конец катушки».

         6. Сделайте вывод об однородности магнитного поля в соленоиде.

                                                               Рис. 4.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  1.  В чем заключается эффект Холла. Объясните принцип работы датчика Холла.
  2.  Дайте определение силы Лоренца. Как определяется ее величина и направление.
  3.  Объясните характер распределения магнитного поля вдоль оси соленоида, полученного в работе
  4.  Во сколько раз и почему магнитное поле конечного соленоида меньше поля бесконечного соленоида?
  5.  Изобразите силовые линии магнитного поля прямого провода, витка с током и соленоида.
  6.  Запишите закон Био – Савара – Лапласа.
  7.  Выведите формулу для расчета магнитного поля на оси соленоида конечной длины, бесконечно длинного соленоида.

8. Получите формулу для расчета магнитного поля, создаваемого проводником с током в форме кольца в его центре.

26


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

23471. Слияние гласных в именных и глагольных формах 222.5 KB
  движение сверху вниз с чего откуда по чему под что куда а также место под которым находится ктолибо или чтолибо под чем где: κατὰ τῆς πέτρας Xenoph. промежуток времени в пределах которого осуществляется какоелибо действие в течение чего в продолжение чего при ком: κατὰ τὸν Πελοποννησίων καὶ Ἀθηναίων πόλεμον Herod. отношение соответствие или сообразность с чемлибо относительно чего в соответствии с чем сообразно чему по чему: τὸ κατὰ τοῦτον εἶναι Xenoph. ἀπέκτονα убивать умерщвлять коголибо асс.
23472. Слитные глаголы I спряжения 163.5 KB
  Спряжение глаголов на εω Образец спряжения φιλέω основа φιλη – любить praesens indicativi activi singularis pluralis 1 φιλέω φιλῶ φιλέομεν φιλοῦμεν 2 φιλέεις φιλεῖς φιλέετε φιλεῖτε 3 φιλέει φιλεῖ φιλέουσιν φιλοῦσιν imperativus praesentis activi 2 φίλεε φίλει φιλέετε φιλεῖτε 3 φιλεέτω φιλείτω φιλεόντων φιλούντων infinitivus praesentis activi – φιλέεν φιλεῖν1 imperfectum activi 1 ἐφίλεον ἐφίλουν ἐφιλέομεν ἐφιλοῦμεν 2 ἐφίλεες ἐφίλεις ἐφιλέετε ἐφιλεῖτε 3 ἐφίλεε ἐφίλει ἐφίλεον ἐφίλουν praesens indicativi medii passivi singularis pluralis 1...
23473. III склонение 218.5 KB
  При склонении имён третьего склонения к их основам добавляются окончания во многом сходные с окончаниями первого и второго склонений: число singularis pluralis падеж род m f n m f n nominativus ς ø ø ες ᾰ genetivus ος ων dativus ῐ σῐ accusativus ν ᾰ = nom. Ἄραψ gen. ὄρνις gen. ἐλπίς gen.
23474. III склонение. Основы на -ν 147.5 KB
  существительные имеющие асигматический именительный падеж с удлинением последнего гласного: ὁ ἡ γείτων gen. γείτονος – сосед соседка ὁ ποιμήν gen. существительные с асигматическим именительным падежом распространившие конечный долгий гласный на все формы: ὁ ἀγών gen. ἀγῶνος – собрание состязание борьба ὁ Ἕλλην gen.
23475. Aoristus (аорист) 107.5 KB
  а также при некоторых близких им по значению прилагательных и указывает на цену чеголибо за сколько достойный чего: πολλοῦ πωλεῖται – продаётся за большие деньги ἄιος ἐπαίνου – достойный похвалы ; τῶν πόνων πωλοῦσιν ἡμῖν πάντα τἀγάθ᾿ οἱ θεοί Xenoph. ᾐνιάμην говорить загадками выражаться туманно намекать на чтолибо асс. ἠκολούθηκα следовать за сопровождать коголибо чтолибо dat. ἠτύχηκα терпеть неудачу не достигать чеголибо gen.
23476. III склонение. Основы на заднеязычные (γ, κ, χ) 111.5 KB
  κόρα gen. αἴ gen. ὄνυ gen. Образцы склонения ὁ κόρα – €œворон€ ἡ αἴ – €œкоза€ ὁ ὄνυ – €œноготь коготь€ ὁ ἅρπα λύκος – €œжадный волк€ основа κορᾰκ αἰγ ὀνῠχ ἁρπᾰγ singularis nominativus ὁ κόρα ἡ αἴ ὁ ὄνυ ὁ ἅρπα λύκος genetivus τοῦ κόρακος τῆς αἰγός τοῦ ὄνυχος τοῦ ἅρπαγος λύκου dativus τῷ κόρακι τῇ αἰγί τῷ ὄνυχι τῷ ἅρπαγι λύκῳ accusativus τὸν κόρακα τὴν αἶγα τὸν ὄνυχα τὸν ἅρπαγα λύκον vocativus ὦ κόρα ὦ αἴ ὦ ὄνυ ὦ ἅρπα λύκε pluralis nominativus οἱ κόρακες αἱ αἶγες οἱ ὄνυχες οἱ ἅρπαγες λύκοι genetivus τῶν κοράκων τῶν...
23477. III склонение. Основы на губные (β, π) 141 KB
  Расстояние от одного места до другого как далеко проходимое пространство какое расстояние а также дорога по которой ктолибо или чтолибо движется каким путём6 обозначаются в греческом языке винительным падежом без предлога – accusativus spatii €œвинительным протяжения в пространстве€: ἀπέχει ἡ Πλάταια τῶν Θηβῶν σταδίους ἑβδομήκοντα Thuc. ᾐδέσθην стыдиться совеститься; чтить уважать коголибо асс. ἀπέχω быть удалённым отстоять находиться от чеголибо на расстоянии чеголибо gen. ἐβλάβην вредить комулибо чемулибо ...
23478. III склонение. Основы на переднеязычные (δ, τ, θ) 191 KB
  ἐλπίς gen. ἐσθής gen. κόρυς gen. Образцы склонения ἡ ἐλπίς – €œнадежда€ ἡ ἐσθής – €œодежда€ ἡ κόρυς – €œшлем€ ὁ τάπης – €œковёр€ основа ἐλπῐδ ἐσθητ κορῠθ τᾰπητ singularis nominativus ἡ ἐλπίς ἐσθής κόρυς ὁ τάπης genetivus τῆς ἐλπίδος ἐσθῆτος κόρυθος τοῦ τάπητος dativus τῇ ἐλπίδι ἐσθῆτι κόρυθι τῷ τάπητι accusativus τὴν ἐλπίδα ἐσθῆτα κόρυν κόρυθα τὸν τάπητα vocativus ὦ ἐλπί ἐλπίς ἐσθής κόρυ κόρυς ὦ τάπη τάπης pluralis nominativus αἱ ἐλπίδες ἐσθῆτες κόρυθες οἱ τάπητες genetivus τῶν ἐλπίδων ἐσθήτων κορύθων τῶν ταπήτων dativus...
23479. Coniunctivus (сослагательное наклонение) 131.5 KB
  Все времена сослагательного наклонения кроме перфекта впрочем малоупотребительного1 образуются посредством добавления к соответствующей основе глагольной или настоящего времени долгих тематических гласных ω η2 служащих показателем сослагательного наклонения и первичных личных окончаний при соединении которых получается следующий набор практических окончаний:3 activum medium singularis pluralis singularis pluralis 1 ω ωμεν ωμαι ωμεθα 2 ῃς ηις ητε ῃ ηαι ησαι ησθε 3 ῃ ηι ωσιν ηται ωνται Coniunctivus...