72989

Изучение распределения магнитного поля вдоль оси 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

2017-09-27

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

36424. Компьютерное моделирование физических процессов 161.5 KB
  При этом судьба каждой частицы разыгрывается с помощью случайного выбора а полученные для множества частиц результаты подвергаются статистической обработке. Метод применяется например при проектировании ядерных реакторов детекторов частиц на ускорителях и обработке получаемых результатов а также во многих других случаях скажем при исследовании распространения мутаций в среде живых организмов. Мы будем изучать естественно очень простой вариант задачи прохождение пучка тяжелых частиц через слой газа состоящего из легких...
36425. Имитационное моделирование систем в MatLab Simulink 180.5 KB
  Пример разработки имитационной модели. Построение словарной модели описательная дескриптивная вербальная модель. Сумма налоговых поступлений от предприятий за моделируемый период накапливается на бюджетных счетах и представляется интегралом: где BDt сумма поступивших в бюджет средств от начала моделирования к моменту t руб.
36426. Программирование в MatLab 140.5 KB
  Листинг 1 содержит файлпрограмму для вывода графиков функции на отрезке [22] для значений параметра . Например для вычисления суммы при различных значениях x потребуется файлфункция текст которой приведен на листинге 2. Файлфункция для вычисления суммы function s=sum10x s=0; for k=1:10 s=sx. Файлфункция negsum см.
36427. Работа с матрицами в Matlab 227.5 KB
  Например матрицу можно ввести следующим образом: набрать в командной строке разделяя элементы строки матрицы пробелами: =[0. Элементы каждой следующей строки матрицы набираются через пробел а ввод строки завершается нажатием на Enter . Другой способ ввода матрицы основан на том что матрицу можно рассматривать как векторстолбец каждый элемент которого является строкой матрицы.
36428. Работа со строками и текстовыми файлами в MatLab 242.5 KB
  Строки записываются в текстовый файл при помощи функции fprintf ее первым входным аргументом является идентификатор файла а вторым добавляемая строка. Если поместить его в конец добавляемой строки то следующая команда fprintf будет осуществлять вывод в файл с новой строки а если n находится в начале то текущая команда fprintf выведет текст с новой строки.txt''wt'; fprintff'текст '; fprintff'еще текст n'; fprintff'а этот текст с новой строки'; fclosef; Листинг 5.3 текст еще текст а этот текст с новой строки Аналогичного...
36429. Австралия и Океания 35.5 KB
  Австралия расположенная в тропиках и субтропиках за исключением о. В некоторых из них часто проходят фестивали и спортивные соревнования поэтому Австралия район и фестивального туризма. Юговосточная Австралия которая протянулась вдоль одного из морей Тихого Океана Тасманова моря. Восточная Австралия район тоже примыкающий к морям Тихого океана Тасманову и Коралловому.
36430. Государственные природные заказники России: статус, режим, функции, задачи, перспективы развития ФЗ и РЗ 26 KB
  Государственными природными заказниками являются территории акватории имеющие особое значение для сохранения или восстановления природных комплексов и их компонентов и поддержания экологического баланса. Режим особой охраны территорий государственных природных заказников 1. На территориях государственных природных заказников постоянно или временно запрещается или ограничивается любая деятельность если она противоречит целям создания государственных природных заказников или причиняет вред природным комплексам и их компонентам. На...
36431. История заповедного дела 26.5 KB
  Большое значение для расширения заповедного дела имел Декрет Совета Народных Комиссаров СССР от 16 сентября 1921 года Об охране памятников природы садов и парков заложивший основы классификации ОПТ. Улучшению работы по формированию ОПТ способствовало принятие федеральных законов Об охране окружающей природной среды 1991 и Об особо охраняемых природных территориях 1995 Сеть ОПТ области формировалась в течение почти 80 лет . Штильмарк выдвинули концепцию в соответствии с которой каждый регион должен обладать системой ОПТ. Впервые...
36432. Туристский спрос и предложение 30.5 KB
  Предложение туристского продукта зависит от многих факторов: количества туристских поставщиков предприятия размещения питания развлечений и т. Компоненты предложения определенного туристского региона могут быть разбиты на 4 основные категории: 1 природные ресурсы 2 инфраструктура 3 материальнотехническая база туризма которая включает: туроператоров и турагентов предприятия размещения предприятия питания и торговли автотранспортные предприятия и т. В состав материальнотехнической базы туризма входят: туроператоры и турагенты...