72989

ИЗУЧЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ СОЛЕНОИДА

Лабораторная работа

Физика

Особенность магнитного поля состоит в том что оно создается движущимися заряженными частицами или переменным электрическим полем. Обобщение основных законов электродинамики законов Кулона Био-Савара-Лапласа закона электромагнитной индукции привело Максвелла к выводу что магнитное...

Русский

2014-12-02

202 KB

4 чел.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА Э-4

ИЗУЧЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ СОЛЕНОИДА

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

Приборы и принадлежности: соленоид, подвижная катушка со шкалой, амперметр, баллистический гальванометр, переключатель.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

 Магнитное поле, как и электрическое, является формой существования материи. Особенность магнитного поля состоит в том, что оно создается движущимися заряженными частицами или переменным электрическим полем. Магнитное поле обнаруживается не только по действию на магнитную стрелку (опыт Эрстеда), оно оказывает силовое действие на движущиеся заряды, проводник или рамку, по которым протекает электрический ток.

Обобщение основных законов электродинамики (законов Кулона, Био – Савара – Лапласа, закона электромагнитной индукции) привело Максвелла к выводу, что магнитное поле является одной из составных частей электромагнитного поля называемого также электромагнитной волной.

Силовой характеристикой магнитного поля является физическая векторная величина , называемая магнитной индукцией или индукцией магнитного поля. Вектор  условились направлять так, как располагается ось юг – север (SN) свободной магнитной стрелки, помещенной в данную точку поля (рис.1). Поэтому вектор   относится к классу псевдовекторов. Известно, что магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие, поворачивая ее определенным образом, что можно использовать для выбора направления магнитного поля. За направление магнитного поля () в данной точке принимается направление, вдоль которого располагается положительная нормаль к рамке. За положительное направление нормали принимается направление поступательного движения правого винта, головка которого вращается в направлении тока, текущего в рамке (рис. 1).

Магнитное поле, во всех точках которого вектор  постоянный, называется однородным.

Для среды с одинаковыми магнитными свойствами во всех направлениях (так называемой изотропной среды) и с магнитной проницаемостью вектор магнитной индукции  равен:

 (1)

где 0 – магнитная постоянная

  - напряженность магнитного поля, вектор  имеет то же направление, что и вектор .

 - это характеристика магнитного поля, описывающая магнитное поле макротоков, текущих по проводникам.

Вектор  характеризует результирующее магнитное поле, создаваемое всеми макротоками в проводниках и микроскопическими токами, обусловленными движением электронов в атомах и молекулах среды.

Поле макротоков действуя на микротоки среды определенным образом создают в среде дополнительное магнитное поле.

 Соленоидом называют катушку цилиндрической формы из проволоки,  витки которой намотаны в одном направлении. Магнитное поле соленоида представляет собой результат сложения полей, создаваемых всеми круговыми токами, расположенными рядом и имеющими общую ось. Напряженность Н магнитного поля в точке А на оси соленоида равна:

(2)

где  и   - углы между осевой линией поля соленоида и радиус – векторами, проведенными к крайним виткам. .

(3)                  (4)      

Из (2),(3),(4) следует, что численное значение напряженности магнитного поля в точке А, лежащей на оси соленоида (см.рис.2), зависит от числа витков на единицу длины , силы тока J в соленоиде, длины соленоида L и радиуса R витков, а также от положения точки А по отношению к его концам.

Для бесконечно длинного соленоида (R  L) можно положить , , тогда                         

  (5)

Поле бесконечно длинного соленоида однородно и сосредоточено целиком внутри него, а полем вне соленоида можно пренебречь.

У короткого соленоида даже в его средней части напряженность поля не может  достигать величины (5), т.к. углы 1 и 2 под которыми из данной точки видны радиусы концов соленоида, не равны 0, следовательно, поле в таком соленоиде может быть не однородным по всей длине. Величина неоднородности поля зависит от относительной длины соленоида  - отношения его длины к диаметру.

Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея.

Английским физиком М.Фарадеем в 1831 г. открыто явление электромагнитной индукции, заключающееся в том, что в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции, охватываемого этим контуром, возникает электрический ток, получивший название индукционного. Один из опытов, с помощью которых было обнаружено явление электромагнитной индукции, заключается в следующем: концы одной из катушек, вставленные одна в другую присоединяются к гальванометру, а через другую катушку пропускается ток. Отклонение стрелки гальванометра наблюдается в моменты включения или выключения тока или при перемещении катушек друг относительно друга. Отклонение стрелки гальванометра тем больше, чем больше скорость изменения силы тока или скорость движения катушек.

Закон Фарадея можно сформулировать следующим образом: э.д.с. i) электромагнитной индукции в контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром:

                                          .

Знак «-» в этом законе является математическим выражением правила Ленца – общего правила для нахождения направления индукционного тока. Правило Ленца: индукционный ток в контуре имеет всегда такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшему этот индукционный ток.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ

Схема установки изображена на рисунке 3. В данной работе используется баллистический метод измерения индукции магнитного поля В. Для определения Н служит соотношение

    

Внутрь соленоида С, на его ось, помещается небольшая измерительная катушка К, которую можно перемещать вдоль оси соленоида. При любом изменении магнитного потока Ф в ней наводится индукционный ток, который фиксируется по шкале гальванометра G. Общий заряд, который протекает по проводнику измерительной катушки

где  - изменение магнитного потока, связанного с катушкой,

Rk=685Ом - сопротивление в ее цепи (суммарное сопротивление катушки и подводящих проводов гальванометра G).

      n0=5000 - число витков в катушке.

Если изменение магнитного потока связано с включением (или с выключением) тока в соленоиде, то  

где В - магнитная индукция,

     S- сечение магнитного потока, пронизывающего   катушку, имеющую диаметр 25мм.

     

следовательно:

Величину  можно определить, используя баллистический гальванометр. Зная баллистическую постоянную   и отброс - максимальное отклонение стрелки гальванометра:

         

Окончательно, магнитная индукция

.

Численное значение  напряженности магнитного поля:  

                              (6)

- площадь сечения катушки,

μ ≈ 1 магнитная проницаемость воздуха,

μ0 – магнитная постоянная.

                                            

                  Рис.3 Схема рабочей установки.

Если измерительную катушку перемещать по оси соленоида, можно найти распределение магнитной индукции или напряженности магнитного поля вдоль оси соленоида.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1. Включить блок питания в сеть.

2. Выставить положение катушки по линейке на нулевое значение (измерительная катушка находится в середине соленоида).

3. Нажать кнопку "сброс" - стрелка микроамперметра установится на "0".

4. Установить тумблер "полярность" в положение "+", при этом тумблер "Включение соленоида" должен находиться в положении вкл. Убедиться, что стрелка на "0''.

5. Включить тумблер "Включение соленоида" в положение откл. Зафиксировать максимальное отклонение стрелки -).

6. Переключить тумблер "Полярность" в положение "-". Выждать 1 минуту. Нажать кнопку "сброс". Убедиться, что стрелка на "0".

7. Включить тумблер "Включение соленоида'' в положение вкл. Зафиксировать max отклонение стрелки - .

8. Найти среднее значение  

9. Пункты 4-8 повторить для положений измерительной катушки, соответствующих : 10 см,

20 см, 30 см. 40 см, 45 см и далее через 1 см до конца.

10. Рассчитать напряженности магнитного  поля по формуле (6), результаты занести в таблицу:

l, см 

φср (дел)

H, А/м

1

2

3

Данные, необходимые для расчетов:

11. Построить  график зависимости , проанализировать распределение магнитного поля вдоль оси соленоида.

Контрольные вопросы:

1. Как отброс баллистического гальванометра, связан с исследуемой индукцией магнитного  поля?

2. От чего и как зависит величина индукционного заряда?

3. Напряженность поля на оси соленоида.

4. В чем заключается явление электромагнитной  индукции?

5. Закон Фарадея.

6. Изменялся ли в работе магнитный поток, если да, то каким образом?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

20507. Моделі подання знань.Вимоги до моделей подання знань 26.5 KB
  Моделі подання знань.Вимоги до моделей подання знань Подання знань це множина синтаксичних і семантичних угод що роблять можливим формальне вираження знань про предметну галузь у комп’ютерноінтерпретованій формі. Найрозповсюдженішими є такі моделі представлення знань: логічні моделі продукційні моделі фреймові моделі семантичні мережі. До основних вимог подання знань належать: Лаконічність зміст друкованих знаків.
20508. Неорієнтовані та орієнтовані графи 27 KB
  Граф це сукупність об'єктів із зв'язками між ними. Об'єкти розглядаються як вершини або вузли графу а зв'язки як дуги або ребра. Для різних областей використання види графів можуть відрізнятися орієнтовністю обмеженнями на кількість зв'язків і додатковими даними про вершини або ребра.
20509. Нотація Баркера 38 KB
  Связи обозначаются линиями с именами место соединения связи и сущности определяет кардинальность связи: Обозначение Кардинальность 01 11 0N 1N Пример: Для обозначения отношения категоризации вводится элемент дуга :.
20510. Орієнтовані і бінарні дерева 50.5 KB
  Бінарне дерево. В програмуванні бінарне дерево – дерево структура даних в якому кожна вершина має не більше двох дітей. Різновиди бінарних дерев Бінарне дерево – таке кореневе дерево в якому кожна вершина має не більше двох дітей. Повне закінчене бінарне дерево – таке бінарне дерево в якому кожна вершина має нуль або двох дітей.
20511. Пошук даних за допомогою мови SQL 25 KB
  Пошук даних за допомогою мови SQL Пошук здійснюється командою SELECTSELECT FROM table_name WHERE выражение [order by field_name [desc][asc]] Ця команда шукає всі записи в таблиці table_name які задовольняють висловом вираз.
20512. Реляційна алгебра 19.16 KB
  нові імена атрибутів[Правити] Об'єднанняВідношення з тим же заголовком що і у сумісних за типом відносин A і B і тілом що складається з кортежів які належать або A або B або обом відносинам.Синтаксис:A UNION B[Правити] ПеретинВідношення з тим же заголовком що й у відносин A і B і тілом що складається з кортежів які належать одночасно обом відносин A і B.Синтаксис:A INTERSECT B[Правити] ВідніманняВідношення з тим же заголовком що і у сумісних за типом відносин A і B і тілом що складається з кортежів що належать відношенню A і не...
20513. Розбивання квадратних матриць на клітки другим способом 66.5 KB
  Матриці мають довготривалу історію застосування при розв'язуванні систем лінійних рівнянь. Поняття матриці яке вже не було похідним від поняття визначник з'явилось тільки в 1858 році в праці англійського математика Артура Келі. Термін матриця першим став вживатиДжеймс Джозеф Сильвестр який розглядав матрицю як об’єкт що породжує сімейство мінорів визначників менших матриць утворених викреслюванням рядків та стовпців з початкової матриці. LU розклад матриці представлення матриці у вигляді добутку нижньої трикутної матриці та...
20514. Розбивання квадратних матриць на клітки першим способом 41.5 KB
  Одним з найважливіших завдань є завдання знаходження вирішення систем лінійних рівнянь алгебри. коефіцієнтів Х шукане рішення записане у вигляді стовпця з n елементів F стовпець вільних членів з mелементів. Якщо A прямокутна m ´ n матріца рангу до те рішення може не існувати або бути не єдиним. В разі неіснування рішення має сенс узагальнене рішення що дає мінімум сумі квадратів нев'язок див.
20515. Розміщення без повторень 18.84 KB
  формула для знаходження кількості розміщень без повторень: Перестановки без повторень комбінаторні сполуки які можуть відрізнятися одинвід одного лише порядком входять до них елементів.формула для знаходження кількості перестановок без повторень: .