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

61061. Г. Сковорода. Біблійна основа творчості. «Вступні двері до християнської добронравності», афоризми 86.5 KB
  Сковорода і що з цього приводу зазначено в Біблії Чи спроможний кожний із вас пізнати себе виявити свої задатки і в результаті цього обрати в майбутньому вид практичної діяльності Відповідь стисло вмотивуйте.
61062. Розділові знаки між частинами складносурядного речення 48.5 KB
  Мета: поглибити знання учнів про складносурядні речення; формувати вміння правильно розставляти розділові знаки та інтонувати складносурядні речення; розвивати творчі вміння моделювати складносурядні речення за поданим початком або з кількох простих речень...
61064. Монтаж и приемочные испытания промышленного оборудования 79 KB
  Цели урока: обучающая студент должен: а иметь представление: о видах испытаний промышленного оборудования; б знать: основные правила монтажа и приемки к эксплуатации оборудования машиностроительного производства...
61066. ПРОСТЕ І СКЛАДНЕ РЕЧЕННЯ. ПРЯМА МОВА І ДІАЛОГ 57 KB
  Мета: повторити узагальнити й поглибити основні теоретичні відомості про просте і складне речення пряму мову й діалог сформувати цілісну систему особистих знань восьмикласників з теми...
61067. Опозиція Фауст — Мефістофель, діалектичне вирішення проблеми добра і зла. Трагічний конфлікт Фауст — Маргарита 59 KB
  Не лише похмурі невдоволені шукання Фауста а й знущання й гірка іронія Мефістофеля становлять частину моєї власної душі. Погляньте будь ласка на вислів Ґете який став епіграфом сьогоднішнього уроку: автор частками своєї душі вважає і Фауста і Мефістофеля.
61068. Усна народна творчість. Давня українська література 79 KB
  Мета: за допомогою запропонованих завдань виявити в учнів рівень знань умінь та навичок із вивченої теми закріпити їх; розвивати увагу память спритність рішучість уміння акумулювати отриманні знання і застосовувати їх під час виконання завдань...