42159

ИЗУЧЕНИЕ СИЛЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДВУХ КРУГОВЫХ КОНТУРОВ С ТОКОМ

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Механическое взаимодействие контуров с током под действием силы Ампера можно представить следующим образом: один контур создает магнитное поле которое воздействует на проводники с током второго контура и наоборот. Таким образом задача анализа взаимодействия контуров расчленяется на две: первая расчет магнитного поля создаваемого первым контуром в месте расположения витков второго и вторая определение силы действующей на второй контур. 3 показаны силы действующие на два произвольных симметрично...

Русский

2013-10-27

105 KB

59 чел.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА  № 4 – 7

ИЗУЧЕНИЕ СИЛЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ                                              ДВУХ  КРУГОВЫХ КОНТУРОВ С ТОКОМ

         Цель работы - экспериментальное определение зависимости силы взаимодействия катушек с током от величины протекающего по ним тока.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

          Механическое взаимодействие контуров с током под действием силы Ампера можно представить следующим образом: один контур создает магнитное поле, которое воздействует на проводники с током второго контура и наоборот. Таким образом, задача анализа взаимодействия контуров расчленяется на две: первая – расчет магнитного поля, создаваемого первым контуром в месте расположения витков второго, и вторая – определение силы, действующей на второй контур. Задача расчета магнитного поля решается с помощью закона Био – Савара – Лапласа, который дает возможность определить индукцию магнитного поля  , создаваемого элементом   проводника с током  I  в точке  А, находящейся на расстоянии   от  

                                          ,                                            (1)

где  0 = 4 10-7 Гн/м – магнитная постоянная, - магнитная проницаемость среды (воздух - = 1,0). Векторное произведение   определяет направление  :   перпендикулярен плоскости, построенной на векторах    и   и направлен в сторону, глядя с которой, можно совместить вектор   с    кратчайшим вращением против часовой стрелки.

                                                                                           

                                      

                                                      

         На рис. 1 вектора     и    лежат в плоскости листа и согласно правилу векторного произведения вектор    перпендикулярен плоскости листа и направлен к нам. Определив с помощью закона Био – Савара – Лапласа вектор  , для каждого элемента контура проводим интегрирование по всем элементам контура.  Поскольку катушка состоит из  N  одинаковых витков,  интегрирование проведем по элементам одного витка и результат умножим на число витков  N.

                                       .                                        (2)

         Картина магнитного поля кругового контура изображена на рис. 2.

                                                                Z

                                                                                                    

                                                                                                             

                                                                                                        

                                                  R                                                  X

                                                           

                                                      I   

                                                           Рис. 2

         Видно, что поле симметрично относительно оси контура и индукция имеет две составляющих:  BZ – перпендикулярную плоскости контура и  BX – параллельную плоскости контура. В лабораторной работе второй контур расположен соосно с первым на расстоянии b от него. Результат интегрирования при  x = R  (R – радиус контура)  и  Z = b дает величину магнитной индукции в месте расположения витков второй катушки

                           .                    (3)

Здесь  Е  и  К  - эллиптические интегралы (специальные функции, зависящие от величин  R  и  b)/ Составляющая  BZ нам не понадобится.

         Рассчитав поле, приступим к определению сил. Будем опираться на закон Ампера, который позволяет определить силу    , действующей на элемент      проводника с током  I , помещенного в поле с индукцией  :

                                                                                               (4)

Направление    определяется правилом левой руки. На рис. 3 показаны силы, действующие на два произвольных, симметрично расположенных контура в магнитном поле.

                       dFZ                                                          dFZ 

                                                                                                       

                                            dFX                          dFX     

                                                                        I   

                                                           Рис. 3

         Суммарная сила, действующая на контур, получается интегрированием выражения (4) по элементам второго контура. Из рис. 3 видно, что интегрирование составляющих  dFX дает ноль (эти силы сжимают контур), а интегрирование  dFZ дает суммарную силу отталкивания. Из правила левой руки следует, что  dFZ определяется составляющей индукции  BZ:

                                            dFZ = I dl BZ  .                                                       (5)

При интегрировании учтем, что и второй контур содержит  N  витков, а  ВХ одинакова для всех элементов  dl:

                                                                             (6)

Подставляем в (6) выражение для  ВХ, получаем расчетную формулу для силы взаимодействия между контурами:

                                                               (7)

         По таблицам специальных функций найдены значения эллиптических интегралов при   R = 54 мм  и

        b = 16 мм,              Е = 1,030,           К = 3,32

        b = 26 мм,              Е = 1,065,           К = 2,87.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

         Электромагнитную силу взаимодействия контуров с током определяют с помощью  технических весов первого класса  (рис. 1).

         

                                                                                                           4     

                                                                                                      мг

                                                          3

                                                                                                           5

                                                              b  

                                   мА                  1                                               2

                                          =

                                                                             6         

                                                                 Рис. 4

         К левому плечу коромысла подвешена катушка (1), к правому – чашка для гирь (2). Вторая катушка (3) закреплена неподвижно над первой. С помощью рукоятки (4) правое коромысло весов нагружается перегрузками от 10 до 90 мг, с помощью рукоятки (5) – от 100 до 900 мг. Питание катушек осуществляется от выпрямителя постоянного тока, величина которого может регулироваться. Круглая форма катушек имеет практический интерес, так как устройства, аналогичные описанной лабораторной установке, применяются в метрологических лабораториях для измерения силы тока абсолютным методом.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

  1.  Установите расстояние между катушками 16 мм.
  2.  Осторожным поворотом рукоятки (6) разарретируйте и уравновесьте весы.
  3.  Включите установку в сеть и установите нулевой ток.
  4.  Поворотом рукоятки (5) положите перегрузок 100 мг и, увеличивая силу тока, уравновесьте весы. Тогда сила тяжести, действующая на перегрузок, и сила взаимодействия катушек будут равны.
  5.  Силу тока, массу перегрузка и расстояние между катушками занесите в таблицу.

B =

m, (мг)

I, (А)

P = mg

I2, (A2)

F, теор

1

2

100

200

  1.  Положите перегрузок 200 мг и повторите пункты 3 и 4 и так далее до 500 мг.
  2.  Определите силу взаимодействия по силе тяжести перегрузка            P = mg. 
  3.  Найдите квадрат силы тока.
  4.  По формуле (7) рассчитайте теоретическое значение силы взаимодействия.
  5.  Установите расстояние между катушками 26 мм и повторите пункты     4 – 9.
  6.  На одном графике для двух b постройте экспериментальные и теоретические зависимости силы взаимодействия катушек от  I2.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  1.  Дайте определение индукции магнитного поля. Определите ее величину в центре между катушками.
  2.  Сформулируйте законы Био – Савара – Лапласа и Ампера.
  3.  Покажите на рисунке силы взаимодействия катушек.
  4.  Выведите формулу для магнитной индукции прямого проводника с током и кругового тока.
  5.  Получите формулу для силы взаимодействия параллельных токов.
  6.  Покажите, как изменяется сила взаимодействия контуров с изменением расстояния между ними.

       

38

I

Рис. 1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

74800. Адиабатическое дросселирование. Эффект Джоуля-Томсона 57.5 KB
  Подобный процесс но с реальным газом адиабатическое расширение реального газа с совершением внешними силами положительной работы осуществили английские физики Дж. После прохождения газа через пористую перегородку в правой части газ характеризуется параметрами...
74801. Физика как наука. Основные разделы, этапы развития. Связь с философией и техникой 32 KB
  Физика – наука о наиболее простых и общих формах движения материи и их взаимных превращениях. Физика и ее законы лежат в основе всего естествознания. Она относится к точным наукам и изучает количественные закономерности явлений и процессов в окружающем нас мире.
74803. Механика и ее разделы. Кинематика вращательного движения материальной точки. Связь между векторами линейных и угловых скоростей и ускорений 74 KB
  Вращательным движением абсолютно твердого тела называют такое движение при котором все точки тела движутся в плоскостях перпендикулярных к неподвижной прямой называемой осью вращения и описывают окружности центры которых лежат на этой оси роторы турбин генераторов и двигателей.
74804. Первый закон Ньютона. Инерция, масса. Инерциальные системы отсчета. Механический принцип относительности. Преобразование координат Галилея. Теорема сложения скоростей и независимость массы от скорости в классической механике 58.95 KB
  Механическое движение относительно и его характер зависит от системы отсчета. Первый закон Ньютона выполняется не во всякой системе отсчета а те системы по отношению к которым он выполняется называются инерциальными системами отсчета.
74805. 2 и 3 законы Ньютона. Связь с 1 законом. Импульс, сила, импульс силы 34.5 KB
  Импульс сила импульс силы второй закон Ньютона: ускорение приобретаемое материальной точкой телом совпадает по направлению с действующей на нее силой и равно отношению этой силы к массе материальной точки.
74806. Закон сохранения импульса. Принцип реактивного движения. Уравнения Мещерского и Циолковского 65.5 KB
  Таким образом, уравнение движения тела переменной массы имеет следующий вид: (2.13) Уравнение (2.13) называется уравнением И.В. Мещерского. Применим уравнение (2.12) к движению ракеты, на которую не действуют никакие внешние силы.
74807. Работа переменной силы. Кинетическая, потенциальная энергии 144.5 KB
  Кинетической энергией называют механическую энергию всякого свободно движущегося тела и измеряют ее той работой, которую могло бы совершить тело при его торможении до полной остановки.
74808. Закон сохранения энергии в механике. Консервативные, диссипативные системы. Примеры 26 KB
  В замкнутой системе тел, силы взаимодействия между которыми консервативны (потенциальны), отсутствуют взаимные превращения механической энергии в другие виды энергии. Такие системы называются замкнутыми консервативными и для них справедлив закон сохранения энергии...