Будь умным!


У вас вопросы?
У нас ответы:) SamZan.ru

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КРУГОВОГО И ПРЯМОГО ТОКО

Работа добавлена на сайт samzan.ru: 2015-12-26


Лабораторная работа № 8

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КРУГОВОГО И ПРЯМОГО ТОКОВ

Цель работы: изучение метода измерения магнитного потока и магнитной индукции с помощью микровеберметра;  измерение магнитных индукций прямого и кругового токов и сравнение их с теоретическими, рассчитанными из закона Био-Савара-Лапласа.

Оборудование: стенд с круговым и прямым проводниками токa, микровеберметр Ф5050 с измерительной катушкой (зондом), источник постоянного тока ВСП-50.

Краткие теоретические сведения

По закону Био-Савара-Лапласа элемент длины проводника , по которому течет ток I, создает в некоторой точке A пространства на расстоянии  (рис. 8.1) магнитное поле, магнитная индукция которого рассчитывается по следующей формуле:

   

            (8.1)

или в скалярном виде

,

где о  магнитная постоянная.

Рис. 8.1.

Направление вектора  (рис. 8.1) определяется правилом "правого винта".

Полная магнитная индукция , создаваемая проводником с током, находится интегрированием вдоль всей длины L проводника:

.                                         (8.2)

Для некоторых простых форм проводника, например, для кругового и прямого токов, интеграл (8.2) выражается через простые формулы. Рассмотрим эти случаи.

1. КРУГОВОЙ ТОК. Представим круглую катушку, имеющую n1 витков радиусом Rк. Предполагаем, что длина и толщина намотки катушки много меньше ее радиуса, т.е. катушка выглядит как кольцо. Поместим катушку в горизонтальной плоскости, так чтобы ее ось совпадала с осью z (рис.8.2).

Рис. 8.2.

В этом случае интеграл (8.2) по замкнутому контуру катушки дает теоретическое значение  магнитной индукции для n1 витков:

,                                 (8.3)

где Z – расстояние от центра кольца до точки измерения поля на оси z.

2. ПРЯМОЙ ТОК. Решение интеграла (8.2) для n2 прямых параллельных проводников длиной L=L1+L2, по которым течет ток Iпр (рис.8.3), дает теоретическое значение индукции :

,                    (8.4)

где b  длина перпендикуляра, опущенного из точки измерения поля на проводник с током.

Используя геометрические размеры b, L1 и L2, получим рабочую формулу

.              (8.5)

Рис. 8.3.

Методика проведения эксперимента

В данной лабораторной работе экспериментальная магнитная индукция ВЭ рассчитывается из измеренных значений магнитного потока ФЭ по формуле

,                                            (8.6)

где rср  средний радиус витка измерительной катушки (зонда), N число ее витков. Сам же магнитный поток ФЭ измеряется цифровым микровеберметром Ф5050.

Принцип измерения магнитного потока микровеберметром основан на измерении электронным цифровым вольтметром, встроенным в этот прибор, разности потенциалов Uc на эталонном конденсаторе С (рис. 8.4).

Рис.8.4.

Разность потенциалов Uc пропорциональна изменению магнитного потока Ф, пронизывающего измерительную катушку. Докажем это.

В момент подключения кругового или прямого проводников к источнику питания появляется нарастающий магнитный поток, пронизывающий измерительную катушку с сопротивлением обмотки R. В соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея в ней возникает ЭДС индукции

.                                              (8.7)

Если измерительная катушка подключена к конденсатору С, то он зарядится до разности потенциалов

.                                               (8.8)

Ток заряда конденсатора определяется по закону Ома:

.                                                    (8.9)

Используя определение электрического тока , можно рассчитать заряд Q на пластинах конденсатора:

.            (8.10)

Подставляя (8.10) в (8.8), получим

.                                       (8.11)

Таким образом, мы видим, что разность потенциалов на эталонном конденсаторе С пропорциональна изменению магнитного потока Ф, пронизывающего измерительную катушку.

Подчеркнем, что цифровой вольтметр проградуирован не в вольтах, а в единицах измерения магнитного потока веберах (Wb) и его долях  mWb и Wb.

Порядок выполнения работы

  1.  

Собрать установку согласно схеме на рис. 8.5.

Рис.8.5.

  1.  На передней панели микровеберметра Ф5050 нажать кнопку “КАЛИБРОВКА” и кнопку пределов измерений “100 Wb”. Затем только включить прибор Ф5050 и дать ему прогреться 2 3 минуты.

3. После прогрева прибора нажать и отпустить кнопку “ПУСК”. На цифровом табло Ф5050 должно появиться число "100" или близкое к нему. В противном случае нужно обратиться к лаборанту или преподавателю для настройки прибора с помощью регулятора "КАЛИБРОВКА".

4. После проверки прибора отжать кнопку "КАЛИБРОВКА". Включить блок питания ВСП-50. Установить по вольтметру напряжение на катушке 20 вольт.

  1.  Отклонить на 3 - 5 секунд ручку переключателя "П" на стенде (рис. 8.5) влево и измерить по амперметру на блоке питания значение кругового тока Iкр. Затем отклонить "П" вправо и измерить ток Iпр прямого проводника. Их значения занести в табл. 8.1.

Для измерения  установить плоскость измерительной катушки в плоскость кругового витка в точку Z = 0 (центр витка), нажать и отпустить кнопку "ПУСК", вслед за этим отклонить переключатель "П" влево и удерживать его до тех пор, пока не появится значение магнитного потока на приборе Ф5050. После этого отпустить "П". Измерения в каждой точке провести 3 раза и в таблицу занести среднее значение.

Если измеряемое значение магнитного потока больше 100 Wb, то на микровеберметре Ф5050 переключите пределы измерения со “100 Wb” на “1 mWb”.

Таблица 8.1

Круговой ток IКР =……, А

Прямой ток IПР =……., А

Z, м

b, м

1

2

3

4

0

0,05

0,1

0,15

0,04

0,06

0,08

0,1

n1 = …витков

N = …витков

Rk = …м

N2 = …витков

rСР = …м

L1 = …м

L2 = …м

7. Далее, поднимая измерительную катушку вдоль оси Z, провести аналогичные измерения в точках Z = 5, 10, 15 см. Усредненные данные занести в табл.8.1.

8. Перед измерением магнитного потока прямого проводника  узнать у преподавателя значения L1 и L2 (рис. 8.3), (их сумма должна равняться 24 см). По данным L1 и L2 найти положение перпендикуляра b (рис. 8.3) на координатной сетке стенда (рис. 8.5) справа от прямого провода. Выбрать на отрезке b четыре точки через каждые 2 см (ближайшая к проводу точка должна быть на расстоянии не менее 4 см).

Устанавливая в плоскость координатной сетки измерительную катушку, измерить значения магнитного потока  также 3 раза в каждой точке и занести в табл. 8.1 усредненные значения.

В таблицу также занести значения n1 , n2 , N, Rk , rср, указанные на стенде.

Обработка результатов измерений

1. Используя формулу (8.6) рассчитать экспериментальные значения магнитной индукции кругового  и прямого  токов и занести их в таблицу. Туда же занести теоретические значения  и , рассчитанные соответственно по формулам (8.3) и (8.4).

2. По данным табл.8.1 построить графики зависимостей  и графики . Теоретические и экспериментальные кривые необходимо строить на одних и тех же осях. Для прямого и кругового токов следует выбирать один и тот же масштаб. Это поможет выявить сходство и различия между этими кривыми.

  1.  Объяснить различия между теоретическими и экспериментальными кривыми в случаях прямого и кругового токов.

Внимание! Все расчеты следует проводить в системе СИ.

Контрольные вопросы

1. Сформулируйте закон Био-Савара-Лапласа.

2. Как определить направление вектора магнитной индукции В в точке измерения?

3. Что такое магнитный поток?

4. Сформулируйте закон Фарадея?

5. Расскажите о принципе измерения магнитного потока в данной работе?

6. Как влияют размеры измерительной катушки на точность измерения магнитного потока?

Библиографический список

1. Курс физики: Учебник для вузов: В 2 т. Т. 1./ ред. В. Н. Лозовский. – СПб.: Лань, 2007. – § 2.37–2.39.

2. Савельев, И.В. Курс общей физики в 3-х т. Т. 2 / И. В. Савельев. – М.: Наука, 2005. – § 40, 42,47.

3. Трофимова, Т.И. Курс физики / Т.И. Трофимова. –  М.: Высш. шк., 2001. – § 110.




1. Инородцы в Российской империи
2. казанские походы Ивана Грозного руководимые самим Иваном IV когда он достиг совершеннолетия и в 1547 году вп
3. реферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата соціологічних наук1
4. Свойства яйцепродуктов
5. Анимация в туризме является формирование у студентов основных знаний о формах и способах организации ани
6. История зарождения фашизма
7. Германо-скандинавская мифологи
8. Радиоактивное излучение
9. Инвестиционная деятельность. Сущность инвестиционного прогнозирования
10. Курсовая работа- Расчёт экономической эфективности предприятия
11. задание меняющее смысл ходьбы и переносящий участников тренинга в самые неожиданные места
12. Дети оставшиеся в Ленинграде Когда в сентябре 1941 года замкнулось блокадное кольцо в Ленинграде ост
13. Киниматика точек
14. Движение по автомагистралям и дорогам для автомобилей Выполнил- курсант 301 у
15. Идейно-художественное своеобразие стихотворения ИС Тургенева Повесить его
16. осевой культуре является А
17. Тема 1 Экономическая сущность необходимость и роль специальных налоговых режимов в системе государственно
18. на тему- Числа Фибоначчи- технический анализ
19. НАДОНУ ПРОТИВ ПЕРЕНОСА ПАМЯТНИКА КАРЛУ МАРКСУ Мы жители РостованаДону встревожены новыми попытками в.
20. Утопизм эпохи Возрождения