Електромагнетизм лабораторний практикум із фізики. Електромагнетизму. Лабораторні роботи. Короткі відомості з теорії

Міністерство освіти та науки Російської Федерації

Балтійський державний технічний університет «Воєнмех»

ЕЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

Лабораторний практикум з фізики

Частина 2

Під редакцією Л.І. Васильєвоїі В.А. Живуліна

Санкт-Петербург

Укладачі: Д.Л. Федоровд-р фіз.-мат. наук, проф.; Л.І. Васильєва, проф.; Н.А. Іванова, Доц.; Є.П. Денисів, Доц.; В.А. Живулін, Доц.; О.М. Старухін, проф.

УДК 537.8(076)

Е

Електромагнетизм: лабораторний практикум з фізики / уклад: Д.Л. Федоров [та ін]; Балт. держ. техн. ун-т. - СПб., 2009. - 90 с.

Практикум містить опис лабораторних робіт№№ 14–22 на теми «Електрика та магнетизм» на додаток до опису робіт №№ 1–13, представлених в однойменному практикумі, виданому 2006 р.

Призначений для студентів усіх спеціальностей.

45

УДК 537.8(076)

Рецензент: д-р техн. наук, проф., зав. кав. інформаційно-енергетичних технологій БДТУ С.П. Присяжнюк

Затверджено

редакційно-видавничим

© БДТУ, 2009

Лабораторна робота № 14 Вивчення електричних властивостей сегнетоелектриків

Мета роботи – вивчити поляризацію сегнетоелектриків залежно від напруженості електричного поля Е, отримати криву E = f(Е), вивчити діелектричний гістерезис, визначити діелектричні втрати у сегнетоелектриках.

Короткі відомості з теорії

Як відомо, молекули діелектриків за своїми електричними властивостями еквівалентні електричним диполям і можуть мати електричний момент.

де q- Абсолютна величина сумарного заряду одного знака в молекулі (тобто заряду всіх ядер або всіх електронів); l- Вектор, проведений з "центру тяжкості" негативних зарядів електронів в "центр тяжіння" позитивних зарядів ядер (плечо диполя).

Поляризація діелектриків зазвичай описується на основі уявлень про жорсткі та індуковані диполі. Зовнішнє електричне поле або упорядковує орієнтацію жорстких диполів (орієнтаційна поляризація в діелектриках з полярними молекулами), або призводить до появи повністю впорядкованих індукованих диполів (поляризація електронного та іонного усунення в діелектриках з неполярними молекулами). У всіх цих випадках діелектрики поляризуються.

Поляризація діелектрика полягає в тому, що під дією зовнішнього електричного поля сумарний електричний момент молекул діелектрика стає відмінним від нуля.

Кількісною характеристикою поляризації діелектрика є вектор поляризованості (або вектор поляризації), який дорівнює електричному моменту одиниці об'єму діелектрика:

, (14.2)

- Векторна сума дипольних електричних моментів всіх молекул діелектрика у фізично нескінченно малому обсязі
.

У ізотропних діелектриків поляризованість пов'язана з напруженістю електричного поля у тій же точці співвідношенням

æ
, (14.3)

де æ - коефіцієнт, що не залежить в першому наближенні від і називається діелектричною сприйнятливістю речовини; =
Ф/м – електрична стала.

Для опису електричного поля в діелектриках, крім напруженості та поляризованості , використовують вектор електричного зміщення , що визначається рівністю

. (14.4)

З урахуванням (14.3) вектор зміщення можна подати у вигляді

, (14.5)

де
æ – безрозмірна величина, яка називається діелектричною проникністю середовища. Для всіх діелектриків æ > 0, а ε > 1.

Сегнетоэлектрики являють собою особливу групу кристалічних діелектриків, що мають відсутність зовнішнього електричного поля в певному інтервалі температур і тисків спонтанної (самовільної) поляризацією, напрямок якої може бути змінено електричним полем і в ряді випадків механічними напругами.

На відміну від звичайних діелектриків сегнетоелектрики мають поруч характерних властивостей, що були вивчені радянськими фізиками І.В. Курчатовим та П.П. Кобеко. Розглянемо основні властивості сегнетоелектриків.

Сегнетоелектрики характеризуються дуже високими значеннями діелектричної проникності яка може досягати величин порядку
. Наприклад, діелектрична проникність сегнетової солі NaKC 4 H 4 O 6 ∙4H 2 O за кімнатної температури (~20°С) близька до 10000.

Особливістю сегнетоелектриків є нелінійний характер залежності поляризованості Р, а значить, і електричного зміщення Dвід напруженості поля Е(Рис. 14.1). При цьому діелектрична проникність сегнетоелектриків ε виявляється залежною від Е. На рис. 14.2 показано цю залежність для сегнетової солі при температурі 20°С.

Всім сегнетоелектрикам властиве явище діелектричного гістерезису, що полягає у запізнюванні зміни поляризованості Р(або усунення D) при зміні напруженості поля Е. Це запізнення пов'язане з тим, що величина Р(або D) не тільки визначається значенням поля Е, але залежить ще від попереднього стану поляризації зразка. При циклічних змінах напруженості поля Езалежність Рта зміщення Dвід Евиражається кривою, званою петлею гістерези.

На рис. 14.3 представлена ​​петля гістерези в координатах D, Е.

Зі збільшенням поля Езміщення Dу зразку, який спочатку не був поляризований, змінюється по кривій ОАВ. Ця крива називається початковою чи основною кривою поляризації.

Зі зменшенням поля сегнетоелектрик поводиться спочатку як звичайний діелектрик (на ділянці ВАгістерезис відсутня), а потім (від точки А) Зміна зміщення відстає від зміни напруженості. Коли напруженість поля Е= 0, сегнетоелектрик залишається поляризованим і величина електричного зміщення дорівнює
називається залишковим зміщенням.

Для зняття залишкового зсуву до сегнетоелектрика необхідно додати електричне поле протилежного напряму із напруженістю – . Величину прийнято називати коерцитивним полем.

Якщо максимальне значення напруженості поля таке, що спонтанна поляризація досягає насичення, виходить петля гістерезису, звана петлею граничного циклу (суцільна крива на рис. 14.3).

Якщо ж при максимальній напруженості поля насичення не досягається, виходить так звана петля приватного циклу, що лежить всередині граничного циклу (пунктирна крива на рис. 14.3). Приватних циклів переполяризації може існувати безліч, але при цьому максимальні значення зсуву Dприватні цикли завжди лежать на основній кривій поляризації ОА.

Сегнетоелектричні властивості сильно залежать від температури. Для кожного сегнетоелектрика існує така температура , вище за яку його сегнетоелектричні властивості зникають і він перетворюється на звичайний діелектрик. Температура називається точкою Кюрі. Для титанату барію T0 3 точка Кюрі дорівнює 120 ° С. Деякі сегнетоелектрики мають дві точки Кюрі (верхню та нижню) і поводяться як сегнетоелектрики лише у температурному інтервалі між цими точками. До таких належить сегнетова сіль, на яку точки Кюрі рівні +24°С і –18°С.

На рис. 14.4 наведено графік температурної залежності діелектричної проникності монокристалу ВаTi0 3 (Кристал ВаTi0 3 в сегнетоелектричному стані анізотропен. На рис. 14.4 ліва гілка графіка відноситься до напрямку в кристалі, перпендикулярному до осі спонтанної поляризації). Ti0 3 істотно перевищують значення звичайних діелектриків, для яких
. Поблизу точки Кюрі спостерігається значне зростання (Аномалія).

Усі характерні властивості сегнетоелектриків пов'язані з існуванням у них спонтанної поляризації. Спонтанна поляризація є наслідком власної асиметрії елементарного осередку кристала, що призводить до появи у неї дипольного електричного моменту. Внаслідок взаємодії між окремими поляризованими осередками вони розташовуються так, що їх електричні моменти орієнтовані паралельно один одному. Орієнтація електричних моментів багатьох осередків в одному напрямку призводить до утворення областей спонтанної поляризації, які називаються доменами. Вочевидь, кожен домен поляризований до насичення. Лінійні розміри доменів не перевищують 10-6 м.

За відсутності зовнішнього електричного поля поляризованість усіх доменів різна за напрямом, тому кристал виявляється неполяризованим. Це ілюструє рис. 14.5, а, де схематично зображені домени зразка, стрілками показано напрями спонтанної поляризації різних доменів. Під впливом зовнішнього електричного поля багатодоменному кристалі відбувається переорієнтація спонтанної поляризації. Цей процес здійснюється: а) усуненням доменних стінок (домени, поляризованість яких становить гострий кут із зовнішнім полем, ростуть за рахунок доменів у яких
); б) поворотом електричних моментів – доменів – у напрямі поля; в) освітою та проростанням зародків нових доменів, електричні моменти яких спрямовані по полю.

Перебудова доменної структури, що відбувається при накладенні та збільшенні зовнішнього електричного поля, призводить до появи та зростання сумарної поляризованості Ркристала (нелінійна ділянка ОАна рис. 14.1 та 14.3). При цьому внесок у сумарну поляризованість Р, крім спонтанної поляризації, вносить також індукована поляризація електронного та іонного зміщення, тобто.
.

При певній напруженості поля (у точці А) у всьому кристалі встановлюється єдиний напрямок спонтанної поляризації, що збігається з напрямком поля (рис. 14.5, б). Кажуть, що кристал стає однодоменним із напрямком спонтанної поляризації, паралельним до поля. Цей стан називається насиченням. Збільшення поля Епісля досягнення насичення супроводжується подальшим зростанням загальної поляризованості Ркристала, але тепер вже лише за рахунок індукованої поляризації (ділянка АВна рис. 14.1 та 14.3). При цьому поляризованість Рта зміщення Dпрактично лінійно залежать від Е. Екстраполюючи лінійну ділянку АВна вісь ординат, можна оцінити спонтанну поляризацію насичення
, яка приблизно дорівнює значенню
, що відсікається екстраполірованою ділянкою на осі ординат:
. Ця приблизна рівність випливає з того, що для більшості сегнетоелектриків
і
.

Як зазначалося вище, у точці Кюрі при нагріванні сегнетоелектрика зникають його особливі властивості і він перетворюється на звичайний діелектрик. Це пояснюється тим, що при температурі Кюрі відбувається фазовий перехід сегнетоелектрика з полярної фази, що характеризується наявністю спонтанної поляризації, неполярну, в якій спонтанна поляризація відсутня. При цьому змінюється симетрія кристалічних ґрат. Полярна фаза часто називається сегнетоелектричною, а неполярна – параелектричною.

На закінчення обговоримо питання про діелектричні втрати в сегнетоелектриках внаслідок гістерези.

Втрати енергії в діелектриках, що знаходяться в змінному електричному полі, які називаються діелектричними, можуть бути пов'язані з такими явищами: а) відставанням у часі поляризованості Рвід напруженості поля Ечерез молекулярно-тепловий рух; б) наявністю невеликих струмів провідності; в) явищем діелектричного гістерези. У всіх цих випадках відбувається незворотне перетворення електричної енергії на теплоту.

Діелектричні втрати призводять до того, що на ділянці ланцюга змінного струму, Що містить конденсатор, зсув по фазі між коливаннями струму і напруги ніколи не буває точно рівним
, а завжди виявляється менше, ніж
, на кут , що називається кутом втрат. Діелектричні втрати в конденсаторах оцінюються тангенсом кута втрат:

, (14.6)

де - Реактивний опір конденсатора; R- Опір втрат у конденсаторі, що визначається з умови: потужність, що виділяється на цьому опорі при проходженні по ньому змінного струму, дорівнює потужності втрат в конденсаторі.

Тангенс кута втрат є величина, зворотна добротності Q:
, і для його визначення, поряд з (14.6), може бути використаний вираз

, (14.7)

де
- Втрати енергії за період коливань (в елементі ланцюга або у всьому ланцюгу); W- Енергія коливань (максимальна для елемента ланцюга і повна для всього ланцюга).

Скористаємося формулою (14.7) з метою оцінки втрат енергії, викликаних діелектричним гістерезисом. Ці втрати, як і сам гістерезис, є наслідком незворотного характеру процесів, відповідальних за переорієнтацію спонтанної поляризації.

Перепишемо (14.7) у вигляді

, (14.8)

де - Втрати енергії змінного електричного поля на діелектричний гістерезис в одиниці об'єму сегнетоелектрика за час одного періоду; – максимальна щільність енергії електричного поля у кристалі сегнетоелектрика.

Оскільки об'ємна щільність енергії електричного поля

(14.9)

то при збільшенні напруженості поля на
вона відповідно змінюється на . Ця енергія витрачається на переполяризацію одиниці обсягу сегнетоэлектрика і йде збільшення його внутрішньої енергії, тобто. на його нагрівання. Очевидно, що за один повний період величина діелектричних втрат в одиниці об'єму сегнетоелектрика визначається як

(14.10)

і чисельно дорівнює площі петлі гістерези в координатах D, E. Максимальна густина енергії електричного поля в кристалі становить:

, (14.11)

де і
– амплітуди напруженості та усунення електричного поля.

Підставляючи (14.10) і (14.11) (14.8), отримаємо наступний вираз для тангенса кута діелектричних втрат в сегнетоелектриках:

(14.12)

Сегнетоэлектрики застосовуються виготовлення конденсаторів великий ємності, але малих розмірів, до створення різних нелінійних елементів. Багато радіотехнічних пристроях використовуються вариконди – сегнетоэлектрические конденсатори з різко вираженими нелінійними властивостями: ємність таких конденсаторів залежить від величини прикладеного до них напруги. Варикони характеризуються високою механічною міцністю, стійкістю до вібрації, трясіння, вологи. Недоліки варикондів – обмежений діапазон робочих частот та температур, високі значення діелектричних втрат.

9. Отримані дані занести у верхню половину таблиці 2, подавши результати у вигляді.

10. Натиснути перемикач 10, що дозволить проводити вимірювання за схемою рис. 2 (точний вимір напруги). Виконати операції, зазначені у пп. 3-8, замінивши у п. 6 розрахунок за формулою (9) на розрахунок за формулою (10).

11. Дані, отримані при обчисленнях та вимірюваннях з натиснутим перемикачем 10 (див. п. 10), занести в нижню половину таблиці 2, представивши результати вимірювань у вигляді Режим роботи Точне вимірювання струмів Точне вимірювання напруги 1. Яка мета роботи?

2. Які засоби вимірювання активного опору використовуються в даній роботі?

3. Опишіть робочу установку та перебіг експерименту.

4. Запишіть робочі формули та поясніть фізичний сенсвходять до них величин.

1. Сформулюйте правила Кірхгофа для розрахунку розгалужених електричних кіл.

2. Виведіть робочі формули (9) та (10).

3. При яких співвідношеннях R, RА та RV користуються першою схемою виміру? Другий? Поясніть.

4. Порівняйте результати, отримані у цій роботі першим і другим способом. Які висновки можна зробити щодо точності вимірів цими способами? Чому?

5. Чому в п.4 регулятор встановлюють у таке положення, щоб стрілка вольтметра відхилялася не менше ніж на 2/3 шкали?

6. Сформулюйте закон Ома для однорідної ділянки ланцюга.

7. Сформулюйте фізичне значення питомого опору. Від яких чинників залежить ця величина (див. роботу №32)?

8. Від яких чинників залежить опір R однорідного металевого ізотропного провідника?

ВИЗНАЧЕННЯ ІНДУКТИВНОСТІ СОЛЕНОЇДА

Мета роботи - визначення індуктивності соленоїда щодо його опору змінному струму.

Прилади та приладдя: досліджуваний соленоїд, звуковий генератор, електронний осцилограф, міліамперметр змінного струму, з'єднувальні дроти.

Явище самоіндукції. Індуктивність Явище електромагнітної індукції спостерігається у всіх випадках, коли змінюється магнітний потік, що пронизує провідний контур. Зокрема, якщо електричний струмтече у провідному контурі, він створює пронизує цей контур магнітний потік Ф.

При зміні сили струму I у будь-якому контурі змінюється магнітний потік Ф, внаслідок цього в контурі виникає електрорушійна сила(ЕРС) індукції, яка викликає додатковий струм (рис. 1, де 1 - замкнутий контур, що проводить, 2 - силові лінії магнітного поля, створюваного струмом контуру). Це називається самоіндукцією, а додатковий струм, викликаний ЕРС самоіндукції, – екстратоком самоіндукції.

Явище самоіндукції спостерігається в будь-якому замкнутому електричному ланцюгу, в якому протікає елетричний струм при замиканні або розмиканні цього ланцюга.

Розглянемо, від чого залежить величина ЕРС самоіндукції.

Магнітний потік Ф, що пронизує замкнутий провідний контур, пропорційний магнітній індукції магнітного поля, створюваного струмом, що протікає в контурі, а індукція В пропорційна силі струму.

Тоді магнітний потік Ф пропорційний силі струму, тобто.

де L – індуктивність контуру, Гн (Генрі).

З (1) отримаємо Індуктивністю контуру L називається скалярна фізична величина, що дорівнює відношенню магнітного потоку Ф, що пронизує даний контур, до величини сили струму, що тече в контурі.

Генрі - це індуктивність такого контуру, у якому за силі струму в 1А виникає магнітний потік 1Вб, тобто. 1 Гн = 1.

Відповідно до закону електромагнітної індукції Підставляючи (1) до (3), отримаємо ЕРС самоіндукції:

Формула (4) справедлива при L=const.

Досвід показує, що при збільшенні індуктивності L в електричному ланцюзі сила струму в ланцюзі збільшується поступово (див. рис. 2), а при зменшенні L сила струму зменшується так само повільно (рис. 3).

Сила струму в електричному ланцюзі при замиканні змінюється за криві зміни сили струму показані на рис. 2 та 3.

Індуктивність контуру залежить від форми, розмірів та деформації контуру, від магнітного стану середовища, в якому знаходиться контур, а також від інших факторів.

Знайдемо індуктивність соленоїда. Соленоїд - це циліндрична трубка, виготовлена ​​з немагнітного непровідного матеріалу, на яку щільно, виток до витка, намотаний тонкий металевий провідний дріт. На рис. 4 показаний розріз соленоїда вздовж циліндричної трубки діаметром (1 - силові лінії магнітного поля).

Довжина l соленоїда набагато більша, ніж діаметр d, тобто.

l d. Якщо l d, то соленоїд можна як коротку котушку.

Діаметр тонкого дроту набагато менший, ніж діаметр соленоїда. Для збільшення індуктивності всередину соленоїда поміщають феромагнітний осердя з магнітною проникністю. Якщо ld, то при протіканні струму всередині соленоїда збуджується однорідне магнітне поле, індукція якого визначається формулою де = 4·10-7 Гн/м – магнітна постійна; n = N/l – число витків одиниці довжини соленоїда; N - Число витків соленоїда.

Поза соленоїдом магнітне поле практично дорівнює нулю. Оскільки соленоїд має N витків, то повний магнітний потік (потокосчеплення), що пронизує поперечний переріз S соленоїда, дорівнює де Ф = BS - потік, що пронизує один виток соленоїда.

Підставляючи (5) (6) і з урахуванням того, що N = nl, отримаємо З іншого боку, Порівнюючи (7) і (8), отримаємо Площа перерізу соленоїда дорівнює З врахуванням (10) формула (9) запишеться у вигляді Визначити індуктивність соленоїда можна, підключивши соленоїд в електричний ланцюг змінного струму з частотою. Тоді повний опір (імпеданс) визначиться формулою де R – активний опір Ом; L = хL - індуктивний опір; = хс - містковий опір конденсатора з мкістю С.

Якщо електричної ланцюга відсутня конденсатор, тобто.

електромкість ланцюга мала, то хс хL і формула (12) матиме вигляд. Тоді закон Ома для змінного струму запишеться у вигляді де Im, Um – амплітудні значення сили струму та напруги.

Так як = 2, де - Частота коливань змінного струму, то (14) набуде вигляд З (15) отримаємо робочу формулу для визначення індуктивності:

Для виконання роботи зібрати ланцюг за схемою рис. 5.

1. Встановити на звуковому генераторі частоту коливань, вказану викладачем.

2. Виміряти за допомогою осцилографа амплітуду напруги Um та частоту.

3. За допомогою міліамперметра визначити чинне значення сили струму в ланцюзі I e ; користуючись співвідношенням I e I m / 2 і вирішуючи його щодо I m 2 Ie, визначити амплітуду струму в ланцюзі.

4. Дані занести до таблиці.

Довідкові дані: активний опір соленоїда R = 56 Ом; довжина соленоїда l = 40 см; діаметр соленоїда d = 2 см; число витків соленоїда N = 2000.

1. Сформулюйте мету роботи.

2. Дайте визначення індуктивності?

3. Яка одиниця виміру індуктивності?

4. Запишіть робочу формулу визначення індуктивності соленоїда.

1. Отримайте формулу для визначення індуктивності соленоїда, виходячи з його геометричних розмірів та числа витків.

2. Що називається імпеданс?

3. Як пов'язані між собою максимальне та чинне значеннясили струму та напруги в ланцюзі змінного струму?

4. Виведіть робочу формулу індуктивності соленоїда.

5. Опишіть явище самоіндукції.

6. Який фізичний зміст індуктивності?

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Савельєв І.Г. Курс загальної фізики. Т.2, Т. 4. - М.: Вищ.

шк., 2002. - 325 с.

Вищ. шк., 1970. - 448 с.

3. Калашніков С.Г. Електрика. - М.: Вищ. шк., 1977. - 378 с.

4. Трофімова Т.І. Курс фізики - М.: «Академія»., 2006. - 560с.

5. Парселл Еге. Електрика і магнетизм.- М.: Наука, 1971.с.

6. Детлаф А.А Курс фізики: Навчальний посібник для студентів ВТУЗ. - М.: «Академія», 2008. - 720 с.

7. Кортнєв А.В. Практикум з фізики. - М.: Вищ. шк., 1968. с.

8. Іверонова В.І. Фізичний практикум. - М.: Фізматгіз, 1962. - 956 с.

Фундаментальні фізичні константи Атомна одиниця а.е.м 1,6605655(86)·10-27кг 5, маси тарний Заряд питомий -1,7588047(49)·1011Кл/кг електрона Комптонівська К,n=h/ 1,3295 )·10-15м 1, хвилі Комптонівська К,р=h/ 1,3214099(22)·10-15м 1, хвилі Комптонівська К,е=h/ 2,4263089(40) ·10-12м 1, хвилі електрона К ,е/(2) 3,8615905(64) ·10-13м 1, Магнетон Бору Б=е/ 9,274078(36) ·10-24Дж/Тл 3, Ядерний магне- Яд=е/ 5,050824(20 ) ·10-27Дж/Тл 3, мент нейтрону Маса електрона 0,9109534(47) ·10-30кг ідеального газу po за нормальних умов (Т0=273,15 К, р0=101323 Па) Постійна Аво- 6,022045(31 ) ·1023моль- гадро Больцмана Постійна газо- 8,31441(26) Дж/(моль·K) ная універсальна Постійна гра- G, 6,6720(41) ·10-11Н·м2/кг2 вітаційна Постійна маг- о 12, 5663706144·10-7Гн/м нитна Квант магнітно- Ф о = 2,0678506(54) ·10-15Вб 2, випромінювання перша випромінювання друга радея електрична (0с2) класичний (4me) стандартне нейтрона протона електронає. .

Число в круглих дужках вказують стандартну похибку в останніх цифрах наведеного значення величини.

Вступ

Основні вимоги техніки безпеки під час проведення лабораторних робіт у навчальній лабораторії електрики та електромагнетизму

Основи електричних вимірів

Лабораторна робота № 31. Вимірювання величини електричного опору за допомогою R-мосту Уітсона..... Лабораторна робота № 32. Вивчення залежності опору металів від температури

Лабораторна робота № 33. Визначення ємності конденсатора за допомогою С-моста Уітстона

Лабораторна робота № 34. Вивчення роботи електронного осцилографа

Лабораторна робота № 35. Вивчення роботи вакуумного тріода та визначення його статичних параметрів

Лабораторна робота №36. Електропровідність рідин.

Визначення числа Фарадея та заряду електрона

Лабораторна робота № 37. Дослідження режиму роботи RCгенератора за допомогою електронного осцилографа

Лабораторна робота №38. Вивчення електростатичного поля

Лабораторна робота № 40. Визначення горизонтальної складової напруженості магнітного поля землі

Лабораторна робота № 41. Вивчення стабілітрона та зняття його характеристик

Лабораторна робота № 42. Вивчення вакуумного діода та визначення питомого заряду електрона

Лабораторна робота № 43. Вивчення роботи напівпровідникових діодів

Лабораторна робота № 45. Зняття кривої намагнічування та петлі гістерезису за допомогою електронного осцилографа

Лабораторна робота № 46. Затухаючі електричні коливання

Лабораторна робота № 47. Вивчення вимушених електричних коливань та зняття сімейства резонансних кривих...... Лабораторна робота № 48. Вимірювання питомого опору

Лабораторна робота № 49. Визначення індуктивності соленоїда

Список літератури

Додаток …………………………………………………… Дмитро Борисович Кім Олександр Олексійович Кропотов Людмила Андріївна Геращенко Електрика та електромагнетизм Лабораторний практикум Уч.-вид. л. 9,0. Ум. піч. л. 9,0.

Надруковано у видавництві БрДУ 665709, Братськ, вул. Макаренка,

Схожі роботи:

«А.Л. Гельгор Є.А. ПОПОВ СИСТЕМА ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВІЗІЙНОГО МОВЛЕННЯ СТАНДАРТУ DVB-T Рекомендовано Навчально-методичним об'єднанням з університетської політехнічної освіти як навчального посібникадля студентів вищих навчальних закладів, які навчаються за напрямом підготовки Технічна фізика Санкт-Петербург Видавництво полі технічного університету 2011 Міністерство освіти і науки Російської Федерації САНКТ-ПЕТЕРБУРГСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ Пріоритетний...»

фізики ім. Л. В. Кіренського в 1996 р. Красноярськ 1996 -2 ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ Протягом 1996 р. Інститут брав участь у виконанні чотирьох проектів з державних науково-технічних програм; обсяг фінансування з них становив 23.200 тис. рублів (передбачається отримання ще 5.000 тис. крб. по закінченні четвертого кварталу). Роботи з...»

«ПРОГРАМА ФУНДАМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ ПРЕЗИДІУМУ РАН № 13 ЕКСТРЕМАЛЬНІ СВІТЛОВІ ПОЛЯ ТА ЇХ ДОДАТКИ ЗВІТ за 2013 р. Москва 2013 р. Затверджую Президент Російської академії наук академік В.Є. Фортів 2013 р. Комплексна Програма фундаментальних дослідженьПрезидії РАН № 13 ЕКСТРЕМАЛЬНІ СВІТЛОВІ ПОЛЯ ТА ЇХ ДОДАТКИ ЗВІТ за 2013 р. Координатори Програми: Директор ІЛФ З РАН академік _ С.М. Багаєв Науковий керівник ІПФ РАН академік О.В. Гапонов-Грєхов ЗВІТ ПРО ВИКОНАННЯ ПРОЕКТІВ ПО...»

«МАТЕМАТИЧНІ МОДЕЛІ СПЕКТРАЛЬНОЇ ТЕОРІЇ ДІЕЛЕКТРИЧНИХ ХВИЛЬНОВОДІВ Навчальний посібник Казанський державний університет імені В.І. Ульянова-Леніна 2007 Друкується за рішенням кафедри прикладної математики Казанського державного університету Науковий редактор, доктор фізико-математичних наук, професор Н.Б. Плещинський Карчевський О.М. Математичні моделі спектральної теорії діелектричних хвилеводів. Навчальний посібник/Є.М. Карчевський. Казань: Казанський державний університет...»

«Робоча програма навчального предмета Фізика Рівень програми базовий 7-11 класи Розроблена вчителем фізики вищої кваліфікаційної категорії Широкової Г.А. 2013-2014 р. Робочі програми з фізики 7 КЛАС Фізика як наука про найбільш загальні закони природи, виступаючи як навчального предметау школі, робить істотний внесок у систему знань про навколишній світ. Вона розкриває роль науки в економічному та культурному розвитку суспільства, сприяє формуванню сучасного наукового...»

«Серія Педагогіка і Псіхолога Москва 2008 редакційна рада: Рябов В.В. доктор історичних наук, професор, голова ректора МДПУ Атанасян С.Л. кандидат фізико-математичних наук, професор, проректор з навчальної роботиМДПУ Піщулін Н.П. доктор філософських наук, професор, проректор з наукової роботи МДПУ Русецька М.М. кандидат педагогічних наук, доцент, проректор з інноваційної діяльності МДПУ редакційна колегія: Андріаді І.П. доктор педагогічних наук, професор,...»

«КРИЛА ФЕНІКСУ ВВЕДЕННЯ В КВАНТОВУ МІФОФІЗИКУ Єкатеринбург Видавництво Уральського університету 2003 ББК 86.3+87 І 84 Консультант - І. А. Пронін Редактор - Е. К. Созіна Технічне В. . льсон М І. І 84 Крила Фенікса. Введення у квантову міфофізику. - Єкатеринбург: Вид-во Урал. унта, 2003. – 263 с. Широко використовуючи авторитетні тексти різних релігій, але не забуваючи своєї спеціальності - теоретичну фізику, автори намагаються...»

«ЕДМУНДУ ГУССЕРЛЮ у шануванні та дружбі присвячується Тодтнауберг у Бад. Шварцвальде, 8 квітня 1926 р. Попередження до сьомого видання 1953 р. Трактат Буття і час вийшов вперше навесні 1927 р. у щорічнику з феноменології та феноменологічного дослідження т. УШ, що видав Гуссерль, і одночасно окремим відбитком. Справжній передрук, що з'являється дев'ятим виданням, за текстом не змінено, проте заново переглянуто щодо цитат і пунктуації. Номери сторінок передруку узгоджуються аж до...»

«ФІЗИКА Навчальний посібник для підготовчих курсів Міністерство освіти Російської Федерації Ярославський державний університет ім. П.Г. Демидова Центр додаткової освіти М.В. Кіріков, В.П. Алексєєв Навчальний посібник для підготовчих курсів Ярославль 1999 ББК Вя73 К43 Фізика: Навчальний посібник для підготовчих курсів / Упоряд. М.В. Кіріков, В.П. Алексєєв; Яросл.держ. ун-т. Ярославль, 1999. 50 з. Мета навчального посібника - систематизація та повторення матеріалу, пройденого...»

ЕЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ ♦ ВИДАВНИЦТВО ТДТУ ♦ Міністерство освіти Російської Федерації ТАМБІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ЕЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ Лабораторні роботи Тамбов Видавництво ТДТУ 2002 УДК 537.35 н зе н т Доктор педагогічних наук, професор Н. Я. Молотков Укладачі: А .М. Савельєв, Ю. П. Ляшенко, В. А. Шишин, В. І. Барсуков Е45 Електромагнетизм: Лаб. роб. / А. М. Савельєв, Ю. П. Ляшенко, В. А. Шишин, В. І. Барсуков. Тамбов. Вид-во Тамб. держ. техн. ун-ту, 2002. 28 с. Наведено методичні вказівки та опис лабораторних установок, що використовуються під час виконання трьох лабораторних робіт з розділу курсу загальної фізики "Електромагнетизм". У кожній роботі надано теоретичне обґрунтування відповідних методів експериментального вирішення поставлених завдань, а також методики обробки отриманих результатів. Лабораторні роботи призначені для студентів 1 – 2-го курсів усіх спеціальностей та форм навчання інженерного профілю. УДК 535.338 (076.5) ББК В36Я73-5 © Тамбовський державний технічний університет (ТДТУ), 2002 Навчальне видання ЕЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ Лабораторні роботи Укладачі: Савельєв Олександр Михайлович, Ляшенко Юрій Петрович, Шишин Валерій Анатолійович, Барсуков Володимир Іванович Редактор і технічний редактор М. А. Єв се ч єва Комп'ютерне макетування М. А. Філатовий Підписано до друку 1 02. Формат: 60×84/16. Гарнітура Times NR. Папір газетний. Друк офсетний. Об'єм: 1,63 ум. піч. л.; 2,00 уч.-вид. л. Тираж 100 екз. З 565М Видавничо-поліграфічний центр Тамбовського державного технічного університету 392000, Тамбов, вул. Радянська, 106, к. 14 КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ 1 Фізичний зміст понять індукції та напруженості магнітного поля. 2 Запишіть закон Біо-Савара-Лапласа та покажіть його застосування до розрахунку поля прямого струму та поля на осі кругового витка зі струмом. 3 Виведіть розрахункові формули для поля соленоїда кінцевої довжини. 4 Поясніть фізичний зміст теореми про циркуляцію вектора індукції магнітного поля та її застосування для розрахунку поля нескінченно довгого соленоїда. 5 Поясніть принцип роботи, схему встановлення та методику вимірювання. 6 Як зміниться розподіл поля вздовж осі соленоїда залежно від співвідношення між його довжиною та діаметром? Список рекомендованої літератури 1 Савельєв І. В. Курс загальної фізики. Т. 2. М., 1982. 2 Детлаф А. А., Яворський Б. М. Курс фізики. М., 1987. 3 Ахматов А. С. та ін. Лабораторний практикум з фізики. М., 1980. 4 Іродов І. Є. Основні закони електромагнетизму. М.: Вища школа, 1983. Лабораторна робота ВИЗНАЧЕННЯ ПІДДІЛЬНОГО ЗАРЯДУ ЕЛЕКТРОНУ "МЕТОДІМ МАГНЕТРОНУ" Мета роботи: ознайомитися з методом створення взаємно перпендикулярних електричного та магнітного полів, рухом електронів у таких схрещених полях. Експериментально визначити величину питомого заряду електрона. Прилади та приладдя: електронна лампа 6Е5С, соленоїд, джерело живлення ВУП-2М, міліамперметр, амперметр, вольтметр, потенціометр, з'єднувальні дроти. Методичні вказівки В основі одного з експериментальних методів визначення питомого заряду електрона (ставлення заряду електрона до його маси e/m) лежать результати досліджень руху заряджених частинок у взаємно перпендикулярному магнітному та електричному полях. При цьому траєкторія руху залежить від відношення заряду частинки до її маси. Назва застосовуваного в роботі методу обумовлена ​​тим, що подібний рух електронів у магнітному та електричному полях такої ж конфігурації здійснюється в магнетронах – приладах, які використовуються для генерації потужних електромагнітних коливань надвисокої частоти. Основні закономірності, що пояснюють даний метод , можна виявити, розглянувши для простоти рух електрона, що влітає зі швидкістю v однорідне магнітне поле, вектор індукції якого перпендикулярний напрямку руху. Як відомо, у цьому випадку на електрон при його русі в магнітному полі діє максимальна сила Лоренца Fл = evB, яка перпендикулярна швидкості електрона і, отже, є відцентровою силою. При цьому рух електрона під дією такої сили здійснюється по колу, радіус якого визначається умовою: mv 2 evB = , (1) r де e, m, v – заряд, маса та швидкість електрона відповідно; У – значення індукції магнітного поля; r – радіус кола. Або mv r = . (2) eB Зі співвідношення (2) видно, що радіус кривизни траєкторії руху електрона буде зменшуватися зі збільшенням індукції магнітного поля і збільшуватися зі зростанням його швидкості. Виражаючи величину питомого заряду з (1), отримуємо: e v = . (3) m rB З (3) випливає, що для визначення відношення e/m необхідно знати швидкість руху електрона v, значення індукції магнітного поля та радіус кривизни траєкторії електрона r. На практиці для моделювання такого руху електронів та визначення зазначених параметрів надходять у такий спосіб. Електрони з певним напрямом швидкості руху отримують за допомогою двоелектродної електронної лампи з анодом, виготовленим у вигляді циліндра, вздовж осі, якого розташований ниткоподібний катод. При додатку різниці потенціалів (анодної напруги Uа) в кільцевому просторі між анодом і катодом створюється радіально спрямоване електричне поле, під дією сил якого електрони, що вилітають з катода за рахунок термоелектронної емісії, рухатимуться прямолінійно вздовж радіусів анода і міліамперметр, включений в анод покаже певне значення анодного струму Іа. Перпендикулярне до електричного, а отже і швидкості руху електронів, однорідне магнітне поле отримують, розміщуючи лампу в середній частині соленоїда таким чином, щоб вісь соленоїда була паралельна осі циліндричного анода. В цьому випадку, при пропусканні по обмотці соленоїда струму Iс магнітне поле, що виникає в кільцевому просторі між анодом і катодом, викривляє прямолінійну траєкторію руху електронів. У міру збільшення струму соленоїда Iс і, отже, величини магнітної індукції B, радіус кривизни траєкторії руху електрона зменшуватиметься. Однак, при невеликих значеннях магнітної індукції B всі електрони, які раніше досягали анода (при B = 0), як і раніше, потраплятимуть на анод, а міліамперметр фіксуватиме постійне значення анодного струму Iа (рис. 1). При деякому так званому критичному значенні магнітної індукції (Bкр) електрони рухатимуться по траєкторіях, що стосуються внутрішньої поверхні циліндричного анода, тобто. вже перестануть досягати анода, що призводить до різкого зменшення анодного струму та його повного припинення при значеннях B >< Bкр В = Bкр В > Bкр б а В Рис. 1. Ідеальна (а) та реальна (б) скидання характеристики електрона безперервно змінюється за рахунок прискорення, що передається йому силами електричного поля. Тому точний розрахунок траєкторії електронів досить складний. Однак при радіусі анода rа набагато більшому, ніж радіус катода (rа>>rк) вважають, що основне збільшення швидкості електронів під дією електричного поля відбувається в області близькій до катода, де напруженість електричного поля максимальна, а значить, і найбільше прискорення, що повідомляється електронам . Подальший шлях електрон пройде майже з постійною швидкістю, і його траєкторія буде близькою до кола. У зв'язку з цим, при критичному значенні магнітної індукції Bкр за радіус кривизни траєкторії руху електрона приймають відстань, що дорівнює половині радіусу анода лампи, що застосовується в установці, тобто. ra rкр = . (4) 2 Швидкість електрона визначається за умови рівності його кінетичної енергії роботі, що витрачається електричним полем на повідомлення йому цієї енергії mv 2 = eU a , (5) 2 де Uа – різниця потенціалів між анодом та катодом лампи. ПІДСТАВЛЯЮЧИ ЗНАЧЕННЯ ШВИДКОСТІ З (5), РАДІУСА ТРАЄКТОРІЇ RКР З (4) В (3) ПРИ КРИТИЧНОМУ ЗНАЧЕННІ ІНДУКЦІЇ МАГНІТНОГО ПОЛЯ, ОТРИМАЄМО ВИРАЖЕННЯ ДЛЯ 2 ОДНО. (6) m ra Bкр Уточнений розрахунок з урахуванням радіусу катода (rк) дає співвідношення визначення питомого заряду електрона e 8U a = . (7) m  r2  ra 2 Bкр 2 1 − к2   r   a  Для соленоїда кінцевої довжини значення критичної індукції магнітного поля в центральній його частині слід розраховувати за формулою μ 0 (I c) (8) 4 R 2 + L2 де N - число витків соленоїда; L, R – довжина та середнє значення радіусу соленоїда; (Ic)кр. - Струм соленоїда, що відповідає критичному значенню магнітної індукції. Підставляючи Bкр (7) отримуємо остаточний вираз для питомого заряду 8U a (4 R 2 + L2) e = . (9) 2 2 rк 2  m µ 0 ra (I c) кр N 1 − 2  2  r   a  Оскільки згідно з (8) B ~ Ic, то досвід зводиться до зняття скидової характеристики, т.е. е. залежності анодного струму від струму соленоїда Iа = ƒ (Ic). Слід зазначити, що на відміну ідеальної скидної характеристики (рис. 1, а), реальна характеристика має менш круту падаючу частину (рис. 1, б). Це тим, що електрони випромінюються нагрітим катодом з різними початковими швидкостями. Розподіл електронів при термоемісії за швидкостями близький до відомого закону розподілу Максвелла молекул за швидкостями у газі. У зв'язку з цим, критичні умови для різних електронів досягаються при різних значеннях струму соленоїда, що призводить до згладжування кривої Iа = (Ic). Оскільки, згідно з розподілом Максвелла, з усього потоку електронів, що випускаються катодом, більша частина має початкову швидкість близьку до ймовірної для певної температури катода, найбільш різкий спад скидної характеристики спостерігається при досягненні струмом соленоїда критичного значення (Ic)кр саме для цієї групи електронів . Тому визначення значення критичного струму застосовують метод графічного диференціювання. З цією метою на графіку залежності Iа = ƒ(Ic) будують залежність ∆I а = f (I c) ∆I c за тих же значень струму соленоїда. ∆Iа – збільшення анодного струму при відповідній зміні струму соленоїда ∆Iс. ∆I а Зразковий вид скидної характеристики Iа = ƒ(Ic) (а) та функції = f (I c) (б) показано на рис. 2. Значення критичного ∆I c ∆I а струму соленоїда (Ic)кр, що відповідають максимуму кривої = f (I c), приймається для розрахунків Bкр за формулою (8). ∆I c Ia Ia Ic а б (Ic)кр Ic Мал. 2. Скидна (а) і диференціальна (б) характеристики лампи ОПИС ВСТАНОВЛЕННЯ ВСТАНОВЛЕННЯ ЗІБРАНА НА ЛАМПІ 6Е5С, ЩО ЗВИЧАЙНО ВИКОРИСТОВУЄТЬСЯ В ЯКОСТІ ЕЛЕКТРОННОГО ІНДИКАТОРА. ЕЛЕКТРИЧНА СХЕМА ВСТАНОВЛЕННЯ ПРЕДСТАВЛЕНА НА РИС. 3. ЖИВЛЕННЯ ЛАМПИ ПОСТОЯННИМ СТРУМОМ ЗДІЙСНЮЄТЬСЯ ВІД ВИПРЯМЧУВАЧА ВУП–2М, В ЯКОМУ З ДОПОМОГЮ КРУГОВОГО ПОТЕНЦІОМЕТРА (НА ЛИЦЕВОМУ СТОРОНІ РУЧКА НА ЛИЦЯ ЙОМУ ПРЯЖІЙ ПРЯЖІВЯН ІНШІ ВІД ЧАС ІНШИХ НА ЙОМУ ІНШІ ЙОМУ ЙОМУ ЙОМУ ПРЯЖІВЯНДЯ ПРЯЖІВЯН ЙОМЯ ПРЯЖІВЯНДЯ ЙОМЯ ПРЯЖІВЯНДЯ ПРЯЖІВЯН ІНШИХ ВІД ЧАС ВІДПОВІДЬ) КАТОДОМ. КАТОД ЛАМПИ НАГРІВАЄТЬСЯ ЗМІННИМ СТРУМОМ З НАПРУГОМ ~ 6,3 В, ЗНІМАНИМ З ВІДПОВІДНИХ КЛЕМ ВИПРЯМУВАЧА. ВИПРЯМУВАЧ ПІД'ЄДНУЄТЬСЯ ДО МЕРЕЖОВОЇ РОЗЕТКИ 220 В, ЗМІЦНЕНОЇ НА ЛАБОРАТОРНОМУ СТОЛІ. МАЛ. 3. ЕЛЕКТРИЧНА СХЕМА ВСТАНОВЛЕННЯ: ВУП-2М + R ~ 220В 10 - 100 В - V A ~ 6,3 В ВУП-2М - Випромінювач; R – ПОТЕНЦІОМЕТР 0 … 30 ОМ; А – АМПЕРМЕТР 0…2А; MA - МІЛЬЯМПЕРМЕТР - 0 ... 2 МА; V – ВОЛЬТМЕТР 0 … 100 В Соленоїд L через потенціометр R запитується від джерела постійного струму, виведеного на розетку ± 40 В, укріплену також на лабораторному столі. Струм соленоїда заміряється амперметром з межами 0 … 2 А, анодний струм фіксується міліамперметром з межами 0 … 2 мА, а анодна напруга – вольтметром з межами вимірювання 0 … 150 В. ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ по схемою рис. 3. На вимірювальних приладах виставте відповідні межі вимірюваних величин та визначте ціну поділу кожного з них. 2 Підключіть випрямляч ВУП–2М до розетки 220 В, а виходи потенціометра R до розетки +40 В. Перевірте вихід розжарення лампи до клем випрямляча ~6,3 В. 3 Ручкою потенціометра (0 … 100 В) випрямляча по вольтметру встановіть одне із трьох заданих викладачем значень анодної напруги (U a1). 4 При нульовому струмі в соленоїді відзначте максимальне значення анодного струму (Iа)max. Потім, збільшуючи за допомогою потенціометра R струм у соленоїді (Ic) через певний інтервал (наприклад, ∆Iс = 0,1 А), щоразу фіксуйте величину анодного струму. Зробіть не менше 15...18 вимірювань. Отримані величини Ic та Iа занесіть у табл. 1. Таблиці 1 – 3 анодного струму, ∆Iа соленоїда, ∆Iс (A) Приріст струму Струм соленоїда, Ic Прирощення Струм анода Iа e (мА) (мA) ∆I а (А) № (Ic)кр Bкр m п/ п ∆I c (А) (Тл) (Кл/кг) Напруга анод – катод U a 1 1: 18 Напруга анод – катод U a2 1: 18 Напруга анод – катод U a3 1: 18 5 Поставте по вольтметру іншу задану напругу (U a 2) та повторіть усі операції за п. 4. Нові дані внесіть у табл. 2. Аналогічні виміри проведіть і для напруги (U a3), а отримані виміри занесіть у табл. 3. 6 Для кожного значення анодної напруги побудуйте графічні залежності Iа = ƒ(Ic). На ці графіки ∆I а нанесіть залежності похідної анодного струму (dIа) від струму соленоїда, тобто. = f (I c) та за ними визначте критичні ∆I c величини струму соленоїда (Ic)кр, як схематично показано на рис. 2. 7 Знайдені значення (Ic)кр підставте у формулу (8) та оцініть величини критичної індукції (Bкр) магнітного поля для всіх значень анодної напруги. 8 За формулами (7) та (9) розрахуйте три значення питомого заряду електрона (e/m)1,2,3. Знайдіть його середнє значення та порівняйте з табличною величиною. 9 Розрахуйте відносну похибку у визначенні шуканої величини (e / m) за формулою: ∆(e m) ∆ U a 2 ∆е 0 2 ∆ ra 2 (∆ I c) (I c) кр 2 ∆ N 2 ∆ rк ∆ RR + ∆ LL + . + 2 2 + R +L N rк Значення R, L, N, ra, rк наведені на установці, а їх похибки візьміть згідно з відомими правилами для постійних величин. Помилки ∆µ0 і ∆N можна знехтувати. Похибки (∆Ic)кр та ∆Uа визначте за класом точності амперметра та вольтметра. 10 За відносною помилкою знайдіть абсолютну похибку ∆(e / m), усі обчислені величини впишіть у табл. 1 – 3, а остаточний результат дайте у вигляді e m = (e m) ср ± ∆ (e m) . 11 Проаналізуйте отримані результати та зробіть висновки. Контрольні питання 1 За яких умов траєкторія руху зарядженої частки, що знаходиться в магнітному полі, є коло? 2 Розкажіть про пристрій встановлення та сутність "методу магнетрона" для визначення питомого заряду електрона. 3 Що таке критичний струм соленоїда, критичне значення магнітної індукції? 4 Поясніть траєкторію руху електронів від катода до анода при струмі соленоїда Ic< Iкр, Ic = Iкр, Ic >Ікр. 5 Виведіть формулу (6) та (8). 6 Поясніть принципову відмінність ідеальної та реальної скидання електронної лампи. Список рекомендованої літератури 1 Савельєв І. В. Курс загальної фізики. Т. 2. М.: Наука, 1982. 2 Детлаф А. А., Яворський Б. М. та ін. Курс фізики. М.: Вища школа, 1989. 3 Буравіхін В. А. та ін. Практикум з магнетизму. М.: Вища школа, 1979. 4 Майсова Н. Н. Практикум з курсу загальної фізики. М.: Вища школа, 1970. Лабораторна робота ВИВЧЕННЯ ВЛАСНИХ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ КОЛИВАНЬ У КОНТУРІ Мета роботи: вивчення впливу параметрів коливального контуру на характер електромагнітних коливань, що виникають у ньому, а також набуття навичок обробки граф. Прилади та приладдя: електронний генератор короткочасних прямокутних імпульсів, конденсатор контуру, що періодично заряджає, система різних за ємністю конденсаторів, батарея з послідовно з'єднаних котушок індуктивності, набір резисторів, електронний осцилограф, місток Уітстона, перемикачі, ключі. Методичні вказівки В електричному коливальному контурі відбуваються періодичні зміни низки фізичних величин (струму, напруги заряду та ін.). Реальний коливальний контур у спрощеному вигляді складається з послідовно з'єднаних конденсатора C, котушки індуктивності L та активного опору R (рис. 1). Якщо конденсатор зарядити, а потім замкнути ключ K, то в ланцюзі виникнуть електромагнітні коливання. Конденсатор почне розряджатися і в контурі з'являється струм, що наростає, і пропорційне йому магнітне поле. Наростання магнітного поля призводить до виникнення в контурі ЕРС самоіндукції: КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ 1 Фізичний зміст понять індукції та напруженості магнітного поля. 2 Запишіть закон Біо-Савара-Лапласа та покажіть його застосування до розрахунку поля прямого струму та поля на осі кругового витка зі струмом. 3 Виведіть розрахункові формули для поля соленоїда кінцевої довжини. 4 Поясніть фізичний зміст теореми про циркуляцію вектора індукції магнітного поля та її застосування для розрахунку поля нескінченно довгого соленоїда. 5 Поясніть принцип роботи, схему встановлення та методику вимірювання. 6 Як зміниться розподіл поля вздовж осі соленоїда залежно від співвідношення між його довжиною та діаметром? Список рекомендованої літератури 1 Савельєв І. В. Курс загальної фізики. Т. 2. М., 1982. 2 Детлаф А. А., Яворський Б. М. Курс фізики. М., 1987. 3 Ахматов А. С. та ін. Лабораторний практикум з фізики. М., 1980. 4 Іродов І. Є. Основні закони електромагнетизму. М.: Вища школа, 1983. Лабораторна робота ВИЗНАЧЕННЯ ПІДДІЛЬНОГО ЗАРЯДУ ЕЛЕКТРОНУ "МЕТОДІМ МАГНЕТРОНУ" Мета роботи: ознайомитися з методом створення взаємно перпендикулярних електричного та магнітного полів, рухом електронів у таких схрещених полях. Експериментально визначити величину питомого заряду електрона. Прилади та приладдя: електронна лампа 6Е5С, соленоїд, джерело живлення ВУП-2М, міліамперметр, амперметр, вольтметр, потенціометр, з'єднувальні дроти. Методичні вказівки В основі одного з експериментальних методів визначення питомого заряду електрона (ставлення заряду електрона до його маси e/m) лежать результати досліджень руху заряджених частинок у взаємно перпендикулярному магнітному та електричному полях. При цьому траєкторія руху залежить від відношення заряду частинки до її маси. Назва застосовуваного в роботі методу обумовлена ​​тим, що подібний рух електронів у магнітному та електричному полях такої ж конфігурації здійснюється в магнетронах – приладах, які використовуються для генерації потужних електромагнітних коливань надвисокої частоти. Основні закономірності, що пояснюють даний метод, можна виявити, розглянувши для простоти рух електрона, що влітає зі швидкістю v однорідне магнітне поле, вектор індукції якого перпендикулярний напрямку руху. Як відомо, у цьому випадку на електрон при його русі в магнітному полі діє максимальна сила Лоренца Fл = evB, яка перпендикулярна швидкості електрона і, отже, є відцентровою силою. При цьому рух електрона під дією такої сили здійснюється по колу, радіус якого визначається умовою: mv 2 evB = , (1) r де e, m, v – заряд, маса та швидкість електрона відповідно; У – значення індукції магнітного поля; r – радіус кола. Або mv r = . (2) eB Зі співвідношення (2) видно, що радіус кривизни траєкторії руху електрона буде зменшуватися зі збільшенням індукції магнітного поля і збільшуватися зі зростанням його швидкості. Виражаючи величину питомого заряду з (1), отримуємо: e v = . (3) m rB З (3) випливає, що для визначення відношення e/m необхідно знати швидкість руху електрона v, значення індукції магнітного поля та радіус кривизни траєкторії електрона r. На практиці для моделювання такого руху електронів та визначення зазначених параметрів надходять у такий спосіб. Електрони з певним напрямом швидкості руху отримують за допомогою двоелектродної електронної лампи з анодом, виготовленим у вигляді циліндра, вздовж осі, якого розташований ниткоподібний катод. При додатку різниці потенціалів (анодної напруги Uа) в кільцевому просторі між анодом і катодом створюється радіально спрямоване електричне поле, під дією сил якого електрони, що вилітають з катода за рахунок термоелектронної емісії, рухатимуться прямолінійно вздовж радіусів анода і міліамперметр, включений в анод покаже певне значення анодного струму Іа. Перпендикулярне до електричного, а отже і швидкості руху електронів, однорідне магнітне поле отримують, розміщуючи лампу в середній частині соленоїда таким чином, щоб вісь соленоїда була паралельна осі циліндричного анода. В цьому випадку, при пропусканні по обмотці соленоїда струму Iс магнітне поле, що виникає в кільцевому просторі між анодом і катодом, викривляє прямолінійну траєкторію руху електронів. У міру збільшення струму соленоїда Iс і, отже, величини магнітної індукції B, радіус кривизни траєкторії руху електрона зменшуватиметься. Однак, при невеликих значеннях магнітної індукції B всі електрони, які раніше досягали анода (при B = 0), як і раніше, потраплятимуть на анод, а міліамперметр фіксуватиме постійне значення анодного струму Iа (рис. 1). При деякому так званому критичному значенні магнітної індукції (Bкр) електрони рухатимуться по траєкторіях, що стосуються внутрішньої поверхні циліндричного анода, тобто. вже перестануть досягати анода, що призводить до різкого зменшення анодного струму та його повного припинення при значеннях B > Bкр. Вигляд ідеальної залежності Iа = ƒ(B), або так званої скидної характеристики, показано на рис. 1 штрихпунктиром (а). На цьому ж малюнку схематично показані траєкторії руху електронів у просторі між анодом і катодом при різних значенняхіндукції магнітного поля B. Слід зазначити, що в цьому випадку траєкторії руху електронів у магнітному полі вже не є колами, а лініями зі змінним радіусом кривизни. Це тим, що швидкість Ia A K В=0< Bкр В = Bкр В > Bкр б а В Рис. 1. Ідеальна (а) та реальна (б) скидання характеристики електрона безперервно змінюється за рахунок прискорення, що передається йому силами електричного поля. Тому точний розрахунок траєкторії електронів досить складний. Однак при радіусі анода rа набагато більшому, ніж радіус катода (rа>>rк) вважають, що основне збільшення швидкості електронів під дією електричного поля відбувається в області близькій до катода, де напруженість електричного поля максимальна, а значить, і найбільше прискорення, що повідомляється електронам . Подальший шлях електрон пройде майже з постійною швидкістю, і його траєкторія буде близькою до кола. У зв'язку з цим, при критичному значенні магнітної індукції Bкр за радіус кривизни траєкторії руху електрона приймають відстань, що дорівнює половині радіусу анода лампи, що застосовується в установці, тобто. ra rкр = . (4) 2 Швидкість електрона визначається за умови рівності його кінетичної енергії роботі, що витрачається електричним полем на повідомлення йому цієї енергії mv 2 = eU a , (5) 2 де Uа – різниця потенціалів між анодом та катодом лампи. ПІДСТАВЛЯЮЧИ ЗНАЧЕННЯ ШВИДКОСТІ З (5), РАДІУСА ТРАЄКТОРІЇ RКР З (4) В (3) ПРИ КРИТИЧНОМУ ЗНАЧЕННІ ІНДУКЦІЇ МАГНІТНОГО ПОЛЯ, ОТРИМАЄМО ВИРАЖЕННЯ ДЛЯ 2 ОДНО. (6) m ra Bкр Уточнений розрахунок з урахуванням радіусу катода (rк) дає співвідношення визначення питомого заряду електрона e 8U a = . (7) m  r2  ra 2 Bкр 2 1 − к2   r   a  Для соленоїда кінцевої довжини значення критичної індукції магнітного поля в центральній його частині слід розраховувати за формулою μ 0 (I c) (8) 4 R 2 + L2 де N - число витків соленоїда; L, R – довжина та середнє значення радіусу соленоїда; (Ic)кр. - Струм соленоїда, що відповідає критичному значенню магнітної індукції. Підставляючи Bкр (7) отримуємо остаточний вираз для питомого заряду e 8U a (4 R 2 + L2) = . (9) 2 2 m 2  2 µ 0 ra (I c) кр N 1 − rк   r2  a  Оскільки згідно з (8) B ~ Ic, то досвід зводиться до зняття скидової характеристики, тобто . залежності анодного струму від струму соленоїда Iа = ƒ (Ic). Слід зазначити, що на відміну ідеальної скидної характеристики (рис. 1, а), реальна характеристика має менш круту падаючу частину (рис. 1, б). Це тим, що електрони випромінюються нагрітим катодом з різними початковими швидкостями. Розподіл електронів при термоемісії за швидкостями близький до відомого закону розподілу Максвелла молекул за швидкостями у газі. У зв'язку з цим критичні умови для різних електронів досягаються при різних значеннях струму соленоїда, що призводить до згладжування кривої Iа = ƒ(Ic). Оскільки, згідно з розподілом Максвелла, з усього потоку електронів, що випускаються катодом, більша частина має початкову швидкість близьку до ймовірної для певної температури катода, найбільш різкий спад скидної характеристики спостерігається при досягненні струмом соленоїда критичного значення (Ic)кр саме для цієї групи електронів . Тому визначення значення критичного струму застосовують метод графічного диференціювання. З цією метою на графіку залежності Iа = ƒ(Ic) будують залежність ∆I а = f (I c) ∆I c за тих же значень струму соленоїда. ∆Iа – збільшення анодного струму при відповідній зміні струму соленоїда ∆Iс. ∆I а Зразковий вид скидної характеристики Iа = ƒ(Ic) (а) та функції = f (I c) (б) показано на рис. 2. Значення критичного ∆I c ∆I а струму соленоїда (Ic)кр, що відповідають максимуму кривої = f (I c), приймається для розрахунків Bкр за формулою (8). ∆I c Ia Ia Ic а б (Ic)кр Ic Мал. 2. Скидна (а) та диференціальна (б) характеристики лампи

Міністерство освіти і науки Російської Федерації Федеральна державна бюджетна освітня установа вищої професійної освіти «Воронезька державна лісотехнічна академія» ФІЗИКА ЛАБОРАТОРНИЙ ПРАКТИКУМ МАГНЕТИЗМ ВОРОНІЖ 2014 2 УДК 537 Ф-50 Друкується за рішенням навчально-методу. Фізика [Текст]: лаб. практикум. Магнетизм: І.П. Бірюкова, В.М. Бородін, Н.С. Камалова, Н.Ю. Євсікова, Н.М. Матвєєв, В.В. Саушкін; М-во освіти та науки РФ, ФДБОУ ВПО "ВГЛТА". - Воронеж, 2014. - 40 с. Відповідальний редактор Саушкін В.В. Рецензент: канд. фіз.-мат. наук, доц. кафедри фізики ВДАУ В.О. Белоглазов Наводяться необхідні теоретичні відомості, опис та порядок виконання лабораторних робіт з вивчення земного магнетизму, сили Лоренца та сили Ампера, визначення питомого заряду електрона. Розглянуто пристрій та принцип дії електронного осцилографа. Навчальний посібник призначений для студентів очної та заочної форм навчання за напрямами та спеціальностями, у навчальних планах яких передбачено лабораторний практикум з фізики. 3 ЗМІСТ Лабораторна робота № 5.1 (25) Визначення горизонтальної складової індукції магнітного поля Землі …………………………………………………………………… 4 Лабораторна робота № 5.2 (26) Визначення магнітної індукції …………………………………………. 12 Лабораторна робота № 5.3 (27) Визначення питомого заряду електрона за допомогою електроннопроменевої трубки ………………………………………………………………. 17 Лабораторна робота № 5.4 (28) Визначення питомого заряду електрона за допомогою індикаторної лампи ……………………………………………………………………….... 25 Лабораторна робота № 5.5 (29) Дослідження магнітних властивостей феромагнетика ………………………. 32 ДОДАТОК 1. Деякі фізичні постійні........................................... ................ 38 2. Десяткові приставки до назв одиниць...........……………………. 38 3. Умовні позначенняна шкалі електровимірювальних приладів...... 38 Бібліографічний список..................................... ........................................ 39 Лабораторна робота № 5.1 (25) ВИЗНАЧЕННЯ ГОРИЗОНТАЛЬНОЇ СКЛАДНОЇ ІНДУКЦІЇ МАГНІТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛІ Мета роботи: вивчення законів магнітного поля у вакуумі; вимір горизонтальної складової індукції магнітного поля Землі. ТЕОРЕТИЧНИЙ МІНІМУМ Магнітне поле Магнітне поле створюється електричними зарядами, що рухаються (електричним струмом), намагніченими тілами (постійними магнітами) або електричним полем, що змінюється в часі. Наявність магнітного поля проявляється за його силовою дією на рухомий електричний заряд (провідник зі струмом), а також за орієнтовною дією поля на магнітну стрілку або замкнутий провідник (рамку) зі струмом. Магнітна індукція Магнітна індукція B – вектор, модуль якого визначається відношенням максимального моменту сил Mmax, що діє на рамку зі струмом у магнітному полі, до магнітного моменту pm цієї рамки зі струмом M B = max. (1) pm Напрямок вектора B збігається з напрямком нормалі до рамки зі струмом, яка встановилася в магнітному полі. Магнітний момент pm рамки зі струмом за модулем дорівнює добутку сили струму I на площу S, обмежену рамкою рm = IS . Напрямок вектора p m збігається із напрямком нормалі до рамки. Напрямок нормалі до рамки зі струмом визначається за правилом правого гвинта: якщо гвинт з правою нарізкою обертати у напрямку струму в рамці, поступальний рух гвинта збігається з напрямком нормалі до площини рамки (рис. 1). Напрямок магнітної індукції В показує також північний кінець магнітної стрілки, що встановилася в магнітному полі. Одиницею вимірювання магнітної індукції СІ є тесла (Тл). 2 Закон Біо-Савара-Лапласа Кожен елемент dl провідника зі струмом I створює в деякій точці А магнітне поле з індукцією dB величина якої пропорційна векторному добутку векторів dl і радіус-вектора r проведеного від елемента dl в дану точку А (рис. 2). ) μ μI dB = 0 3 , (2) 4π r де dl нескінченно малий елемент провідника, напрям якого збігається з напрямком струму у провіднику; r - модуль вектора r; μ0 - магнітна постійна; μ - магнітна проникність середовища, в якому знаходяться елемент і точка А (для вакууму μ = 1, для повітря μ ≅ 1). dB перпендикулярний вектор площині, в якій розташовані вектори dl і r (рис. 2). Напрямок вектора dB визначається правилом правого гвинта: якщо гвинт з правою нарізкою обертати від dl до r у бік меншого кута, поступальний рух гвинта збігається з напрямком dB . Векторне рівняння (2) у скалярній формі визначає модуль магнітної індукції μ μ I dl sinα dB = 0 , (3) 4π r 2 де α - кут між векторами dl і r . Принцип суперпозиції магнітних полів Якщо магнітне поле створюється кількома провідниками зі струмом (зарядами, що рухаються, магнітами тощо), то індукція результуючого магнітного поля дорівнює сумі індукцій магнітних полів, створюваних кожним провідником окремо: B рез = . i Підсумовування здійснюється за правилами складання векторів. Магнітна індукція на осі кругового провідника зі струмом За допомогою закону Біо-Савара-Лапласа та принципу суперпозиції можна розрахувати індукцію магнітного поля, створюваного довільним провідником зі струмом. Для цього провідник розбивається на елементи dl і за формулою (2) розраховується індукція dB поля, створюваного кожним елементом у точці простору, що розглядається. Індукція B магнітного поля, створюваного всім 3 провідником, дорівнюватиме сумі індукцій полів, створюваних кожним елементом (оскільки елементи нескінченно малі, підсумовування зводиться до обчислення інтеграла по довжині провідника l) B = ∫ dB . (4) l Як приклад визначимо магнітну індукцію у центрі кругового провідника зі струмом I (рис. 3,а). Нехай R радіус провідника. У центрі витка вектори dB всіх елементів dl провідника спрямовані однаково – перпендикулярно до площини витка відповідно до правила правого гвинта. Так само в цій точці спрямований вектор B результуючого поля всього кругового провідника. Оскільки всі елементи dl перпендикулярні радіусу-вектору r , то sinα = 1, а відстань від кожного елемента dl до центру кола однакова і дорівнює радіусу R витка. У цьому випадку рівняння (3) набуває вигляду μ μ I dl . dB = 0 4 π R2 Інтегруючи цей вираз по довжині провідника l в межах від 0 до 2πR, отримаємо індукцію магнітного поля в центрі кругового провідника зі струмом I . (5) B = μ0 μ 2R Аналогічно можна отримати вираз для магнітної індукції на осі кругового провідника на відстані h від центру витка зі струмом (рис. 3,б) B = μ0 μ I R 2 2(R 2 + h 2)3 / 2 . МЕТОДИКА ЕКСПЕРИМЕНТУ (6) 4 Земля є природним магнітом, полюси якого розташовуються неподалік географічних полюсів. Магнітне поле Землі подібне до поля прямого магніту. Вектор магнітної індукції поблизу земної поверхні можна розкласти на горизонтальну B Г і вертикальну B B складові: B Землі = В Г + В В. Метод виміру модуля горизонтальної складової ВГ магнітного поля Землі в цій роботі заснований на принципі суперпозиції магнітних полів. Якщо магнітна стрілка (наприклад, стрілка компаса) може вільно обертатися навколо вертикальної осі, то під дією горизонтальної складової магнітного поля Землі вона встановиться в площині магнітного меридіана, вздовж напрямку B Г. Якщо біля стрілки створити ще одне магнітне поле, індукція B якого розташована в горизонтальній площині, то стрілка повернеться на деякий кут і встановиться у напрямку результуючої індукції обох полів. Знаючи B і вимірявши кут α можна визначити BГ. Загальний вид установки, яка називається тангенс-гальванометром, показаний на рис. 4, електрична схема наведена на рис. 5. У центрі кругових провідників (витків) 1 розташований компас 2 який можна переміщати вздовж осі витків. Джерело струму знаходиться в корпусі 3, на лицьовій панелі якого розташовані: ключ К (мережа); ручка потенціометра R, що дозволяє регулювати силу струму у круговому провіднику; міліамперметр mA, що вимірює силу струму у провіднику; перемикач П, за допомогою якого можна змінювати напрямок струму в круговому провіднику тангенс-гальванометра. Перед початком вимірювань магнітна стрілка компаса встановлюється у площині кругових витків у центрі (рис. 6). При цьому відсутність струму у витках магнітна стрілка буде показувати напрям горизонтальної складової B Г індукції магнітного поля Землі. Якщо увімкнути струм у круговому провіднику, то вектор індукції B створеного ним поля буде перпендикулярний B Г. Магнітна стрілка тангенсгальванометра повернеться на деякий кут α і встановиться у напрямку індукції результуючого поля (рис. 6 та рис. 7). Тангенс кута відхилення магнітної стрілки α визначається за формулою 5 tgα = З рівнянь (5) і (7) отримуємо BГ = B . BГ (7) μo μ I . 2 R tgα У лабораторній установці для збільшення магнітної індукції круговий провідник складається з N витків, що по магнітної дії рівносильно збільшенню сили струму N разів. Тому розрахункова формула визначення горизонтальної складової ВГ індукції магнітного поля Землі має вигляд μ μIN BГ = o . (8) 2 R tgα Прилади та приладдя: лабораторний стенд. ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ Обсяг роботи та умови проведення досвіду встановлюються викладачем або варіантом індивідуального завдання. Вимірювання горизонтальної складової ВГ індукції магнітного поля Землі 1. Повертаючи корпус установки, досягайте, щоб магнітна стрілка розташовувалась у площині витків. При цьому площина витків тангенсгальванометра співпадатиме з площиною магнітного меридіана Землі. 2. Поставте ручку потенціометра R у крайнє ліве положення. Ключ К (мережа) поставте у положення Увімк. Перемикач П поставте в одне із крайніх положень (у середньому положенні перемикача П ланцюг витків розімкнений). 3. Ручкою потенціометра R встановіть перше задане значення сили струму I (наприклад, 0,05 А) та визначте кут α1 відхилення стрілки від початкового положення. 6 4. Змініть напрямок струму, переключивши перемикач П в інше крайнє положення. Визначте кут α 2 нового відхилення стрілки. Зміна напрямку струму дозволяє позбавитися помилки, викликаної неточним збігом площини витків з площиною магнітного меридіана. Результати вимірів занесіть у табл. 1. Таблиця 1 № виміру I, A α1, град. α 2, град. α, град B Г, Тл 1 2 3 4 5 Середнє значення α обчисліть за формулою α + α2 α = 1 . 2 5. Вимірювання, зазначені в пунктах 3 і 4, проведіть ще за чотирьох різних значень сили струму в інтервалі від 0,1 до 0, 5 А. 6. Для кожного значення сили струму за формулою (8) розрахуйте горизонтальну складову B індукції магнітного поля Землі У формулу підставляйте середнє значення α. Радіус кругового провідника R = 0,14 м; число витків N вказано на установці. Магнітну проникність повітря можна приблизно вважати рівною одиниці. 7. Розрахуйте середнє значення горизонтальної складової B Г індукції магнітного поля Землі. Порівняйте його з табличним значенням B Гтабл = 2 ⋅ 10 −5 Тл. 8. Для одного зі значень сили струму розрахуйте похибку Δ B Г = ε ⋅ B Г та запишіть отриманий довірчий інтервал B Г = (B Г ± ΔB Г) Тл. Відносна похибка вимірювання величини B Г ε = ε I 2 + ε R 2 + εα 2 . Відносні приватні похибки розрахуйте за формулами 2Δ α ΔI ΔR ; εR = ; εα = εI = , I R sin 2 α де ? 9. Напишіть висновок, у якому порівняйте виміряне значення B Г з табличним значенням; – напишіть отриманий довірчий інтервал для величини B Р; 7 – вкажіть, вимірювання якої з величин зробило основний внесок у похибку величини B Р. Вивчення залежності магнітної індукції від сили струму у провіднику 10. Для виконання цього завдання робіть пункти з 1 по 5. Результати вимірювань занесіть у табл. 2. Таблиця 2 № виміру I, A α1, град. α 2, град. α , град Вексп, Тл Втеор, Тл 1 2 3 4 5 11. Використовуючи табличне значеннявеличини B Гтабл = 2 ⋅ 10 −5 Тл, для кожного значення сили струму за формулою (7) розрахуйте експериментальне значення індукції Вексп магнітного поля, створюваного витками. У формулу підставляйте середнє значення α. Результати занесіть до табл. 2. 12. Для кожного значення сили струму за формулою μ μI N (9) Bтеор = o 2R розрахуйте теоретичне значення індукції магнітного поля, створюваного витками. Радіус кругового провідника R = 0,14 м; число витків N вказано на установці. Магнітну проникність повітря можна приблизно вважати рівною одиниці. Результати занесіть до табл. 2. 13. Накресліть систему координат: вісь абсцис – сила струму I у витках, вісь ординат – магнітна індукція, де побудуйте залежність Вексп від сили струму I у витках. Отримані експериментальні точки лінією не з'єднуйте. 14. На цьому ж графіку зобразіть залежність Втеор від I, провівши через точки Втеор пряму лінію. 15. Оцініть ступінь збігу отриманих експериментальної та теоретичної залежностей B(I). Назвіть можливі причини їх розбіжності. 16. Напишіть висновок, у якому вкажіть – чи підтверджує експеримент лінійну залежність B(I); – чи збігаються експериментальні значення індукції магнітного поля, створюваного витками, з теоретичними; вкажіть можливі причини розбіжності. 17. Компас тангенс-гальванометра може переміщатися перпендикулярно до площини витків. Вимірявши кути відхилення магнітної стрілки для різних відстаней h від центру витків при незмінній силі струму I у витках і знаючи величину B Г, можна перевірити справедливість теоретичної формули (6). 8 КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ 1. Розкрити поняття магнітного поля, магнітної індукції. 2. У чому полягає закон Біо-Савара-Лапласа? 3. Як і від яких величин залежить магнітна індукція у центрі кругового провідника зі струмом? 4. У чому принцип суперпозиції магнітних полів? Як він використовується у цій роботі? 5. Як встановлюється магнітна стрілка а) відсутність струму у витках тангенс-гальванометра; б) при протіканні струму витками? 6. Чому положення магнітної стрілки змінюється при зміні напрямку струму у витках? 7. Як установиться магнітна стрілка тангенс-гальванометра, якщо екранувати установку від магнітного поля Землі? 8. З якою метою у тангенс-гальванометрі використовується не один, а кілька десятків витків? 9. Чому під час проведення дослідів площина витків тангенс-гальванометра має збігатися з площиною магнітного меридіана Землі? 10. Чому магнітна стрілка за розміром має бути набагато меншою за радіус витків? 11. Чому проведення дослідів за двома протилежними напрямками струму у витках підвищує точність вимірювання B Г? Яка похибка експерименту у своїй виключається? Бібліографічний перелік 1. Трофімова, Т.І. Курс фізики 2000. §§ 109, 110. 12 Лабораторна робота № 5.2 (26) ВИЗНАЧЕННЯ МАГНІТНОЇ ІНДУКЦІЇ Мета роботи: вивчення та перевірка закону Ампера; вивчення залежності індукції магнітного поля електромагніту від сили струму в його обмотці. ТЕОРЕТИЧНИЙ МІНІМУМ Магнітне поле (див. с. 4) Магнітна індукція (див. с. 4) Закон Ампера На кожний елемент dl провідника зі струмом I, що знаходиться в магнітному полі з індукцією B діє сила dF = I dl × B . (1) Напрямок вектора dF визначається правилом векторного добутку: вектори dl, B та dF утворюють праву трійку векторів (рис.1). Вектор dF перпендикулярний до площини, в якій лежать вектори dl і B . Напрямок сили Ампера dF можна визначити за правилом лівої руки: якщо вектор магнітної індукції входить у долоню, а витягнуті чотири пальці розташовані у напрямку струму у провіднику, то відігнутий на 90° великий палець покаже напрям сили Ампера, що діє цей елемент провідника. Модуль сили Ампера обчислюється за формулою dF = IB sin α ⋅ dl , де α - кут між векторами B і dl . (2) 13 МЕТОДИКА ЕКСПЕРИМЕНТУ Сила Ампера в роботі визначається за допомогою ваги (рис. 2). На коромислі ваг підвішений провідник, яким тече струм I. Для збільшення вимірюваної сили провідник виготовлений у вигляді прямокутної рамки 1, яка містить N витків. Нижня сторона рамки розташована між полюсами електромагніту 2, що створює магнітне поле. Електромагніт підключений до джерела постійного струму з напругою 12 В. Струм I ЕМ ланцюга електромагніта регулюється за допомогою реостата R 1 і вимірюється амперметром A1 . Напруга від джерела підключається до електромагніту через клеми 4 розташовані на корпусі ваг. Струм I у рамці створюється джерелом постійного струму напругою 12, вимірюється амперметром A2 і регулюється за допомогою реостата R2 . Напруга на рамку подається через клеми 5 на корпусі ваги. По провідникам рамки, що знаходяться між полюсами електромагніту, струм тече в одному напрямку. Тому на нижній бік рамки діє сила Ампера F = I lBN , (3) де l - Довжина нижньої сторони рамки; У – індукція магнітного поля між полюсами електромагніту. Якщо напрям струму в рамці підібрано так, що сила Ампера спрямована вертикально вниз, то вона може бути врівноважена силою тяжкості різновесок, що розміщуються на чашку ваги 3. Якщо маса різноваг m, їх сила тяжкості mg і, згідно з формулою (4), магнітна індукція mg . (4) B= IlN Прилади та приладдя: установка для вимірювання сили Ампера та індукції магнітного поля; набір разновесок. 14 ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ Обсяг роботи та умови проведення досвіду встановлюються викладачем або варіантом індивідуального завдання. 1. Переконатися у правильності збирання електричної схеми установки. На реостатах R 1 і R 2 має бути введений максимальний опір. 2. Перед початком вимірювань ваги мають бути врівноважені. Доступ до чашки ваг лише через бічні дверцята. Терези звільняються (знімаються з аретиру) поворотом ручки 6 в положення ОТКР (рис. 1). З вагами слід поводитися акуратно, після закінчення вимірювань ручку 6 поставити в положення ЗАКР. 3. Включення установки до мережі здійснює викладач. 4. Заповніть таблицю. 1 характеристик електровимірювальних приладів. Таблиця 1 Найменування приладу Система приладу Межа вимірювання Амперметр для вимірювання сили струму в рамці Амперметр для вимірювання сили струму в електромагніті Ціна Клас Приладова поділу точності похибка ΔI пр ΔI ЭМ пр Перевірка закону Ампера 5. На чашку арретованих ваг покласти різно = 0,5г). За допомогою реостата R 1 встановити струм в ланцюзі електромагніту потрібної величини (наприклад, I ЕМ = 0,2 А). 6. Звільнити ваги та за допомогою реостату R 2 підібрати такий струм I у рамці, щоб ваги врівноважувалися. Отримані результати записати у табл.2. Таблиця 2 № виміру I ЕМ, А т, г I, А F, Н 1 2 3 4 5 7. При цьому ж значенні I ЕМ провести ще чотири виміри, зазначені в пункті 5, збільшуючи щоразу масу різноваг приблизно на 0,2 р. 15 8. Для кожного досвіду розрахувати силу Ампера, що дорівнює силі тяжкості різноваг F = mg. 9. Побудувати графік залежності F від сили струму I у провіднику, відкладаючи значення I осі абсцис. Ця залежність отримана за певного постійного значення струму електромагніту I ЕМ, отже, величина магнітної індукції також постійна. Тому отриманий результат дозволяє зробити висновок про виконання закону Ампера в частині пропорційності сили Ампера силі струму в провіднику: F ~ I . Визначення залежності магнітної індукції від струму електромагніту 10. Встановити на чашку терезів вантаж заданої маси (наприклад, m = 1 г). При п'яти різних значеннях струму електромагніту I ЕМ (наприклад, від 0,2 до 0,5 А) підібрати такі струми I ланцюга рамки, які врівноважують ваги. Результати записати у табл. 3. Таблиця 3 № вимірювання m, г I ЕМ, А I, АВ, Тл 1 2 3 4 5 11. За формулою (5) розрахуйте значення магнітної індукції В у кожному досліді. Значення величин l та N вказані на установці. Побудуйте залежність від струму електромагніту, відкладаючи значення I ЕМ по осі абсцис. 12. Для одного з дослідів визначте похибку B . Відносні часткові похибки розрахуйте за формулами Δl ΔI εl = ; ε I = ; ε m = 10 −3 . l I Записати до звіту довірчий інтервал. У висновках обговорити: що показала перевірка закону Ампера, чи виконується він; на якій підставі робиться висновок; - Як залежить магнітна індукція електромагніту від струму в його обмотці; - чи збережеться така залежність при подальшому збільшенні I ЕМ (врахувати, що магнітне поле обумовлено намагнічуванням залізного сердечника). 16 КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ 1. У чому полягає закон Ампера? Як спрямована сила Ампера? Як вона залежить від розташування провідника у магнітному полі? 2. Як у роботі створюється однорідне магнітне поле? Як спрямовано вектор магнітної індукції? 3. Чому у цій роботі у рамці має протікати постійний струм? До чого призведе застосування змінного струму? 4. Чому в роботі використовується рамка, що складається з кількох десятків витків? 5. Чому для нормальної роботи установки необхідно підібрати певний напрямок струму в рамці? До чого призведе зміна напряму струму? Як змінити напрямок струму в рамці? 6. До чого призведе зміна напряму струму в обмотці електромагніту? 7. За якої умови в роботі досягається рівновага ваги? 8. Який наслідок із закону Ампера перевіряється у цій роботі? Бібліографічний перелік 1. Трофімова Т.І. Курс фізики 2000. §§ 109, 111, 112. 17 Лабораторна робота № 5.3 (27) ВИЗНАЧЕННЯ ПІДДІЛЬНОГО ЗАРЯДУ ЕЛЕКТРОНА З ДОПОМОГЮ ЕЛЕКТРОННО-ПРОМІНЬОВОЇ ТРУБКИ Мета роботи: вивчення закономірностей руху зарядом; визначення швидкості та питомого заряду електрона. ТЕОРЕТИЧНИЙ МІНІМУМ Сила Лоренца На заряд q, що рухається зі швидкістю v електромагнітному полі, діє сила Лоренца F л = qE + q v B , (1) де E - напруженість електричного поля; B – індукція магнітного поля. Силу Лоренца можна представити як суму електричної та магнітної складових: F л = Fе + F м. Електрична складова сили Лоренца F е = qE (2) не залежить від швидкості руху заряду. Напрямок електричної складової визначається знаком заряду: при q > 0 вектори E та Fе спрямовані однаково; при q< 0 – противоположно. Магнитная составляющая силы Лоренца Fм = q v B (3) зависит от скорости движения заряда. Модуль магнитной составляющей определяется по формуле (4) F м = qvB sin α , где α - угол между векторами v и B . Направление магнитной составляющей определяется правилом векторного произведения и знаком заряда: для положительного заряда (q >0) праву трійку векторів утворюють вектори v, B і Fм (рис. 1), для запереч- 18 ного заряду (q< 0) – векторы v , B и − F м. Направление магнитной составляющей силы Лоренца можно определить и с помощью правила левой руки. Правило левой руки: расположите ладонь левой руки так, чтобы в нее входил вектор B , а четыре пальца направьте вдоль вектора v , тогда отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Fм, действующей на положительный заряд. В случае отрицательного заряда направление вектора Fм противоположно. В любом случае вектор Fм перпендикулярен плоскости, в которой лежат векторы v и B . Движение заряженных частиц в магнитном поле Если частица движется вдоль линии магнитной индукции (α = 0 или α = π), то sin α = 0 . Тогда согласно выражению (4) F м = 0 . В этом случае магнитное поле не влияет на движение заряженной частицы (рис. 2). Если заряженная частица движется перпендикулярно линиям магнитной индукции (α = π 2) , то sin α = 1 . Тогда согласно (4) Fм = qvB . Так как вектор этой силы всегда перпендикулярен вектору скорости v частицы, то сила Fм создает только нормальное (центростремительное) ускорение v2 an = , при этом скорость заряженной частицы изменяется только по наr правлению, не изменяясь по модулю. Частица в этом случае равномерно движется по дуге окружности, плоскость которой перпендикулярна линиям индукции (рис. 3). Если вектор скорости v заряженной частицы составляет с вектором B угол α , то магнитная составляющая силы Лоренца будет определяться согласно (3), а модуль согласно выражению (4). В этом случае частица участвует одновременно в двух движениях: поступательном с постоянной скоростью v || и равномерном вращении по окружности со скоростью v ⊥ . В результате траектория заряженной частицы имеет форму винтовой линии (рис. 4). 19 Удельный заряд частицы Удельный заряд частицы – это отношение заряда q частицы к ее массе q m. Величина – важная характеристика заряженной частицы. Для электрона m q e Кл = = 1,78 ⋅ 1011 . m me кг МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА В работе изучается движение электронов в однородных электрическом и магнитном полях. Источником электронов является электронная пушка 1 электроннолучевой трубки осциллографа (рис. 5). Электрическое поле создается между парой вертикально отклоняющих пластин 2 электроннолучевой трубки при подаче на них напряжения U. (Горизонтально отклоняющие пластины 3 в работе не используются.) Напряженность E электрического поля направлена вертикально. Магнитное поле создается двумя катушками 4, симметрично расположенными вне электроннолучевой трубки, при пропускании по ним электрического тока. Вектор магнитной индукции B направлен горизонтально и перпендикулярно оси трубки. В отсутствии электрического и магнитного полей электроны движутся вдоль оси трубки с начальной скоростью v o , при этом светящееся пятно на- 20 ходится в центре экрана. При подаче напряжения U на пластины 2 между ними создается электрическое поле, напряженность которого E перпендикулярно вектору начальной скорости электронов. В результате пятно смещается. Величину y этого смещения можно измерить, воспользовавшись шкалой на экране осциллографа. Однако в электрическом поле на электрон действует согласно (2) электрическая составляющая силы Лоренца FЭ = eE , (5) где е – заряд электрона. Заряд электрона отрицательный (е < 0), поэтому сила FЭ направлена противоположно полю. Эта сила сообщает электрону ускорение a y в направлении оси Y, не влияя на величину скорости электрона вдоль оси X: v x = v 0 . Из основного закона динамики поступательного движения eE FЭ = ma y и (5) a y = , где m – масса электрона. В результате, пролетая m l область электрического поля за время t = 1 , где l1 – длина пластин, электрон vo смещается по оси Y на расстояние a y t 2 eE l12 y1 = = . 2 2mvo2 После вылета из поля электрон летит прямолинейно под некоторым v y a y t eE l1 = = . углом α к оси Х, причем согласно рисунку tgα = v x v o mvo2 21 Окончательно смещение пятна от центра экрана (рис. 2) в электрическом поле равно y = y1 + y 2 , где eE l 1 ⎛ l 1 ⎞ ⎜⎜ + l 2 ⎟⎟ . (6) y = y1 + l 2tgα = mvo2 ⎝ 2 ⎠ Если по катушкам 4 (рис. 5) пропустить электрический ток, то на пути электронов возникнет магнитное поле. Изменяя силу тока I в катушках, можно подобрать такую величину и направление магнитной индукции B , что магнитная составляющая силы Лоренца FМ скомпенсирует электрическую составляющую FЭ. В этом случае пятно снова окажется в центре экрана. Это будет при условии равенства нулю силы Лоренца eE + e v o B = 0 или E + v o B = 0 . Как видно из рис. 7, это условие выполняется, если вектор магнитной индукции B перпендикулярен векторам E и v o , что реализовано в установке. Из этого условия можно определить скорость электронов E (7) vo = . B Поскольку практически измеряется напряжение U, приложенное к пластинам, и расстояние d между ними, то пренебрегая краевыми эффектами можно считать, что E = [ U d ] , тогда U . (8) Bd Измеряя смещение у электронного пучка, вызванное электрическим полем Е, а затем подбирая такое магнитное поле В, чтобы смещение стало равным нулю, можно из уравнений (6) и (8) определить удельный заряд электрона yU e . (9) = m ⎛ l1 ⎞ 2 B dl 1 ⎜ + l 2 ⎟ ⎝2 ⎠ Схема установки показана на рис. 8. Электроннолучевая трубка расположена в корпусе осциллографа 1, на передней панели которого находится экран трубки 2 и две пары клемм. Клеммы ПЛАСТИНЫ соединены с вертикально отклоняющими пластинами трубки. Клеммы КАТУШКИ соединены с катушками 4 электромагнита, создающего магнитное поле. (Расположение катушек видно через прозрачную боковую стенку осциллографа.) Выпрямитель 5 и блок 6 служат для создания, регулировки и измерения постоянного напряжения на управляющих пластинах трубки и постоянного тока через катушки электромагнита. Переключатель K1 позволяет изменить полярность vo = 22 напряжения на пластинах, а переключатель K 2 – направление тока через катушки электромагнита. Параметры установки: d = 7,0 мм; l1 = 25,0 мм; l 2 = 250 мм. Приборы и принадлежности: осциллограф с электроннолучевой трубкой; выпрямитель; блок коммутации с электроизмерительными приборами. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1. Заполните табл. 1 характеристик электроизмерительных приборов. Таблица 1 Наименование прибора Вольтметр Миллиамперметр Система прибора Предел измерения Цена Класс Приборная деления точности погрешность ΔU пр ΔI пр 2. Тумблером 3 (рис. 8) включите осциллограф. Ручками ЯРКОСТЬ и ФОКУС, расположенными на верхней панели осциллографа, добейтесь четкости пятна на экране. Ручкой ↔ установите пятно в центр экрана. 3. Тумблером К включите выпрямитель. Ручками П 1 и П 2 установите нулевые показания вольтметра и миллиамперметра. 4. Условия проведения эксперимента (значения напряжения U на пластинах) задаются преподавателем или вариант индивидуального занятия. 23 5. Ручкой П 1 установите потрібна напруга на пластинах і виміряйте усунення променя від центру екрана. Результат виміру залежно від напрямку зміщення («вгору» або «вниз») запишіть у табл.2. Таблиця 2 U, Y y вгору, вниз, мм мм у, мм I1, А I2, А I , А В, Тл vo , м/с e/m, Кл/кг 6. За допомогою ручки П 2 і перемикача K 2 підберіть такий струм I1 у котушках, щоб пляма повернулася до центру екрана. Значення сили струму запишіть у табл. 2. 7. Вимірювання, зазначені в пунктах 5 і 6, проведіть при двох інших значеннях напруги U . 8. Тумблером K 1 змініть полярність напруги на пластинах і повторіть вимірювання, зазначені в пунктах 5, 6 і 7. 9. За прикладеним до встановлення градуювальним графіком електромагніту і за середнім значенням сили струму I у кожному випробуванні визначте значення магнітної індукції В та занесіть їх у табл. 2. 10. За формулою (8) розрахуйте швидкість електронів у кожному досвіді та середнє значення v o за всіма випробуваннями. 11. Використовуючи формулу eU a = m vo 2 2 , розрахуйте анодну напругу в електронній гарматі. 12. За формулою (9) розрахуйте значення питомого заряду електрона в e за всіма випробуваннями. кожному досвіді та середнє значення m 13. За результатами одного з дослідів розрахуйте абсолютну похибку питомого заряду електрона Δ me = ε e me . Тут ε = ε y2 + εU2 + ε B2 + ε d2 + ε l21 + ε l22 . Відносні приватні похибки розрахуйте за формулами Δy ΔU 2ΔB Δd Δ l (l +l) Δl εy = ; εU =; εB =; εd =; ε l1 = 1l 1 2; ε l 2 = l 2 . ⎞ ⎛ 1 +l y U B d l1 ⎜ 1 +l 2 ⎟ 2 ⎝2 ⎠ 2 Як Δу використовуйте приладову похибку шкали на екрані осцилографа, як ΔU – приладову похибку вольтметра. Похибка ΔВ визначається за градуювальним графіком за величиною ΔI інш. Запишіть у звіт отриманий довірчий інтервал величини e m . 24 15. У висновках – вкажіть, що спостерігалося у роботі; e; згоду вважається добре порівняти отримане і табличне значення m шим, якщо табличне значення потрапляє в знайдений довірчий інтервал; - Вказати, вимірювання якої величини внесло основний внесок у погріші. ність величини m КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ 1. Сила Лоренца. Напрямок її складових. 2. Чи залежить від знака заряду сила, що діє на нього з боку: а) електричного поля; б) магнітного поля? 3. Чи залежить від швидкості та напрямку руху заряду сила, що діє на нього: а) в електричному полі; б) у магнітному полі? 4. Як рухається електрон: а) у полі між пластинами; б) ліворуч від пластин; в) праворуч від пластин? 5. Чи відрізняється швидкість електрона до та після пластин? 6. Як зміниться зміщення плями на екрані, якщо: а) швидкість електронів збільшити вдвічі; б) анодна напруга збільшити вдвічі? 7. Чи змінюється під час руху заряду в однорідному магнітному полі: а) напрямок швидкості; б) величина швидкості? 8. Яким має бути взаємне розташування однорідних електричного та магнітного полів, щоб електрон міг рухатися в них із постійною швидкістю? За якої умови можливий такий рух? 9. Яку роль електронній гарматі грають катод, модулятор, аноди? 10. Яку роль електроннопроменевій трубці грають: а) електронна гармата; б) відхиляючі пластини; в) екран? 11. Як у установці створюються однорідні поля: а) електричне; б) магнітне? 12. Як змінюється змішування плями на екрані при зміні напрямку струму в котушках? Бібліографічний перелік 1. Трофімова Т.І. Курс фізики 2000. §§ 114, 115. 25 Лабораторна робота № 4 (28) ВИЗНАЧЕННЯ ПІДДІЛЬНОГО ЗАРЯДУ ЕЛЕКТРОНА З ДОПОМОГЮ ІНДИКАТОРНОЇ ЛАМПИ Мета роботи: вивчення закономірностей руху заряджених частинок в електричному та магніт; визначення питомого заряду електрона ТЕОРЕТИЧНИЙ МІНІМУМ Магнітна індукція (див. с. 4) Сила Лоренца (див. с. 17) Рух заряджених частинок у магнітному полі (див. с. 18) Питомий заряд електрона (див. с. 19) МЕТОДИКА ЕКСПЕРИМЕНТУ У роботі питомий руху електронів у схрещених електричному та магнітному полях. Електричне поле створюється у просторі між анодом та катодом вакуумної електронної лампи. Катод розташований по осі циліндричного анода А (рис.1), між ними прикладена анодна напруга U a . На рис. 2 показано переріз лампи площиною XOY. Як бачимо, напруженість електричного поля E має радіальний напрямок. Лампа розташована в центрі соленоїда (котушки), що створює однорідне магнітне поле, вектор індукції r B якого паралельний осі лампи. На електрони, що виходять з катода завдяки термоелектронній емісії, з боку електричного поля діє електрична складова r r сили Лоренца FЕ = eE, яка прискорює електрони до анода. З боку маг r r нитного поля діє магнітна складова сили Лоренца FM = e , r яка спрямована перпендикулярно швидкості v електрона (рис. 2), тому його траєкторія викривляється. 26 На рис. 3 показані траєкторії електронів у лампі при різних значеннях індукції магнітного поля. У відсутності магнітного поля (В = 0) траєкторія електрона прямолінійна і спрямована вздовж радіусу. При слабкому полі траєкторія дещо викривляється. За деякого значення індукції B = B 0 траєкторія викривляється настільки, що стосується анода. При досить сильному полі (B > B 0) електрон не потрапляє на анод і повертається до катода. У разі B = B 0 вважатимуться, що електрон рухається по колу радіусом r = ra / 2 де ra - радіус анода. Сила FM = evB створює нормальне (відцентрове) прискорення, тому згідно з основним законом динаміки поступального руху mv 2 (1) = evB . r Швидкість руху електрона можна знайти з умови, що кінетична енергія електрона дорівнює роботі сил електричного поля на шляху електрона від като- до анода mv 2 = eU a , звідки 2 v= 2eU a . m (2) 27 Підставивши це значення для швидкості v рівняння (1) і враховуючи, що r = ra / 2 отримаємо вираз для питомого заряду електрона 8U e = 2 a2 . m B o ra Формула (3) дозволяє обчислити величину (3) e m якщо при заданому значенні анодної напруги U a знайти таке значення магнітної індукції Bo , при якому траєкторія електрона стосується поверхні анода. Для спостереження траєкторії електронів використовується індикаторна лампа (рис. 4). Катод розташований по осі циліндричного анода А. Катод розігрівається ниткою розжарення. Між катодом та анодом знаходиться екран Е, що має форму конічної поверхні. Екран покритий шаром люмінофора, що світиться при попаданні на нього електронів. Паралельно осі лампи поблизу катода розташована тонка тяганина - вусик У, з'єднаний з анодом. Електрони, що проходять поблизу вусика, захоплюються ним, тому на екрані утворюється тінь (рис. 5). Кордон тіні відповідає траєкторії електронів у лампі. Лампа вміщена в центрі соленоїда, що створює магнітне поле, вектор r індукції B якого спрямований вздовж осі лампи. Соленоїд 1 та лампа 2 змонтовані на стенді (рис. 6). Розташовані на панелі клеми з'єднані з обмоткою соленоїда, з ниткою розжарення катода, з катодом та анодом лампи. Живлення соленоїда здійснюється від випрямляча 3. Джерелом анодної напруги і напруги розжарювання катода служить випрямляч 4. Сила струму в соленоїді вимірюється за допомогою амперметра А, анодна напруга U a вимірюється вольтметром V. Перемикач Р дозволяє змінювати напрямок струму в обмотці соленоїда. 28 Магнітна індукція в центрі соленоїда, а отже, всередині індикаторної лампи визначається співвідношенням μo I N , (4) B= 2 2 4R + l де μ0 = 1,26·10 – 6 Гн/м - постійна магнітна; I – сила струму в соленоїді; N число витків, R – радіус, l – довжина соленоїда. Підставляючи це значення у вираз (3), отримаємо формулу для визначення питомого заряду електрона e 8U a (4R 2 + l 2) , = m μo2 I o2 N 2ra2 (5) де I o - значення сили струму в соленоїді, при якому траєкторія електронів стосується зовнішнього краю екрана. Враховуючи, що практично вимірюються Ua і I0 , а величини N, R, l, ra є параметрами установки, формули (5) отримуємо розрахункову формулу для визначення питомого заряду електрона U e (6) = A ⋅ 2a , m Io де А - постійна установка A = (8 4R 2 + l 2 μo2 N 2ra2). (7) 29 Прилади та приладдя: лабораторний стенд з індикаторною лампою, соленоїдом, амперметром та вольтметром; два випрямлячі. ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ 1. Заповніть табл. 1 характеристик амперметра та вольтметра. Таблиця 1 Найменування Система приладу приладу Вольтметр Межа вимірювання Ціна поділу Клас точності ΔI пр Амперметр 2. 3. 4. Приладова похибка ΔU пр Перевірте правильність підключення проводів згідно з рис. 6. Регулювальні ручки випрямлячів виведіть у крайнє ліве положення. Запишіть у звіт параметри, зазначені на установці: число витків N, довжину l та радіус R соленоїда. Радіус анода ra = 1,2 см. Запишіть у табл. 2 результати вимірювань значення U a задані викладачем або варіантом індивідуального завдання. Таблиця 2 № вимірювання Ua , I o1 , А I o2 , А Io , А e m , Кл/кг 1 2 3 5. 6. Увімкніть випрямлячі в мережу ~220 В. Через кілька хвилин, після прогрівання катода лампи, встановіть за допомогою регулювальної ручки випрямляча 4 необхідне значення напруги U a . При цьому екран лампи починає світитись. Поступово збільшуйте силу струму I в соленоїді за допомогою ручки регулювальної випрямляча 3 і спостерігайте викривлення траєкторії електронів. Підберіть та запишіть у табл. 2 таке значення сили струму I o1 при якому траєкторія електронів стосується зовнішнього краю екрана. 30 7. 8. 9. Зменшіть струм у соленоїді до нуля. Переведіть перемикач Р в інше положення, змінивши цим напрямок струму в соленоїді на протилежне. Підберіть та запишіть у табл. 2 таке значення сили струму I o 2 при якому траєкторія електронів знову стосується зовнішнього краю екрана. Вимірювання, зазначені в пунктах 5-7, проведіть ще за двох значень анодної напруги U a . Для кожного значення анодної напруги обчисліть та запишіть у табл. 2 середні значення сили струму I o = (I o1 + I o 2)/2. 10. За формулою (7) обчисліть постійну А установки та результат запишіть у звіт. 11. Використовуючи значення А та середнє значення I o , розрахуйте за формулою (6) е для кожного значення U a . Результати обчислень запишіть в табл. 2. е. 12. Розрахуйте та запишіть у звіт середнє значення т 13. За результатами одного з дослідів розрахуйте абсолютну похибку e e e Δ визначення питомого заряду електрона за формулою Δ = ⋅ε , m m m питомий заряд де ε = ε U2 a + + ε 2ra + ε l2 + ε 2R , ΔU a 2ΔI o 2Δra 2lΔl 8RΔR , ε ra = , ε Io = , εl = , . ε = R Io Ua ra 4R 2 + l 2 4R 2 + l 2 Тут ΔU a – приладова похибка вольтметра. Як похибка сили струму ΔI o виберете найбільшу з двох похибок: випадкової поεU a = грішності ΔI 0сл = I o1 − I o 2 2 і приладової похибки амперметра ΔI пр (див. таблицю характеристик приладів). Похибки Δra, Δl, ΔR визначаються як похибки величин, заданих чисельно. 14. Остаточний результат визначення питомого заряду електрона запиe e e шите у вигляді довірчого інтервалу: = ±Δ . m m m 31 15. У висновках з роботи запишіть: - що вивчалося в роботі; - як залежить (якісно) радіус кривизни траєкторії електронів від величини магнітного поля; - як і чому впливає на траєкторію електронів напрямок струму в соленоїді; - Який результат отримано; - чи попадає табличне значення питомого заряду електрона в отриманий довірчий інтервал; - помилка виміру якої величини внесла основний внесок у похибку виміру питомого заряду електрона. КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ Від чого залежить і як спрямовані: а) електрична складова сили Лоренца; б) магнітна складова сили Лоренца? 2. Як спрямовані та як змінюються за величиною в індикаторній лампі: а) електричне поле; б) магнітне поле? 3. Як змінюється за величиною швидкість електронів у лампі з відстанню від катода? Чи впливає величину швидкості магнітне поле? 4. Яка траєкторія електронів у лампі при магнітній індукції: а) B = 0; б) B = Bo; в) B< Bo ; г) B >Bo? 5. Чому рівне і як спрямоване прискорення електронів поблизу анода при магнітній індукції B = Bo ? 6. Яку роль індикаторної лампі грають: а) екран; б) тяганина-усик? 7. Чому зі збільшенням анодної напруги U a зростає яскравість свічення екрана лампи? 8. Як у лампі створюється: а) електричне поле; б) магнітне поле? 9. Яку роль грає у цій роботі соленоїд? Чому соленоїд повинен мати достатньо велике числовитків (кілька сотень)? 10. Чи виконує роботу: а) електрична; б) магнітна складова сили Лоренца? 1. Бібліографічний перелік 1. Трофімова Т.І. Курс фізики, 2000, § 114, 115. 32 Лабораторна робота № 5.5 (29) ДОСЛІДЖЕННЯ МАГНІТНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ФЕРРОМАГНЕТИКА Мета роботи: вивчення магнітних властивостей речовини; визначення петлі магнітної гістерези феромагнетика. ТЕОРЕТИЧНИЙ МІНІМУМ Магнітні властивостіречовини Всі речовини при внесенні в магнітне поле тією чи іншою мірою виявляють магнітні властивості і за цими властивостями діляться на діамагнетики, парамагнетики та феромагнетики. Магнітні властивості речовини обумовлені магнітними моментами атомів. Будь-яка речовина, поміщена у зовнішнє магнітне поле, створює своє власне магнітне поле, яке накладається на зовнішнє поле. Кількісною характеристикою такого стану речовини є намагніченість J, що дорівнює сумі магнітних моментів атомів в одиниці об'єму речовини. Намагніченість пропорційна напруженості H зовнішнього магнітного поля J = χH , (1) де χ - безрозмірна величина, яка називається магнітною сприйнятливістю. Магнітні властивості речовини, крім величини χ , також характеризуються магнітною проникністю μ = χ +1. (2) Магнітна проникність μ входить у співвідношення, яке пов'язує напруженість H та індукцію B магнітного поля в речовині B = μo μ H , (3) де μo = 1,26 ⋅10 −6 Гн/м – магнітна постійна. Магнітний момент атомів діамагнетиків без зовнішнього магнітного поля дорівнює нулю. У зовнішньому магнітному полі наведені магнітні моменти атомів згідно з правилом Ленца спрямовані проти зовнішнього поля. Також спрямована і намагніченість J , тому діамагнетиків χ< 0 и μ < 1 . После удаления диамагнетика из поля его намагниченность вследствие теплового движения атомов исчезает. Магнитные моменты атомов парамагнетиков в отсутствии внешнего магнитного поля не равны нулю, но без внешнего поля они ориентированы хаотично. Внешнее магнитное поле приводит к частичной ориентации магнитных моментов по направлению внешнего поля в той степени, насколько это позволяет тепловое движение атомов. Для парамагнетиков 0 < χ << 1 ; величина μ чуть превосходит единицу. При выключении внешнего магнитного поля намагниченность парамагнетиков исчезает под действием теплового движения. Магнитные моменты атомов ферромагнетиков в пределах малых областей (доменов) самопроизвольно (спонтанно) ориентированы одинаково. В 33 отсутствии внешнего магнитного поля в размагниченном ферромагнетике магнитные моменты доменов ориентированы хаотично. При включении внешнего магнитного поля результирующие магнитные моменты доменов ориентируются по полю, значительно усиливая его. Магнитная восприимчивость χ ферромагнетиков может достигать нескольких тысяч. Магнитный гистерезис Величина намагниченности J ферромагнетика зависит от напряженности Н внешнего поля и от предыстории образца. На рис. 1 приведена зависимость J(H), которая характеризует процесс намагничивания ферромагнетика. В точке 0 ферромагнетик полностью размагничен. По мере увеличения напряженности Н намагниченность J образца увеличивается нелинейно. Участок 0-1 называется основной кривой намагничивания. Уже при сравнительно небольших значениях Н намагниченность стремится к насыщению Jнас, что соответствует ориентации всех магнитных моментов доменов по направлению индукции внешнего поля. Если после достижения Jнас уменьшать напряженность внешнего магнитного поля, то намагниченность будет изменяться по кривой 1-2, расположенной выше основной кривой намагниченности. Когда внешнее поле станет равным нулю, в ферромагнетике сохранится остаточная намагниченность Jост. При противоположном направлении напряженности внешнего поля намагниченность, следуя по кривой 2-3, вначале обратится в ноль, а затем, также изменив направление на противоположное, будет стремиться к насыщению. Значение напряженности Нк, при котором J обращается в ноль, называется коэрцитивной силой. Если продолжить процесс перемагничивания вещества, то получится замкнутая кривая 1-2-3-4-1, которая называется петлей магнитного гистерезиса. По форме петли гистерезиса ферромагнетики разделяются на жесткие и мягкие. Жестким ферромагнетикам соответствует широкая петля и большая коэрцитивная сила (Н К ≥ 10 3 А/м). Такие вещества используются для изготовления постоянных магнитов. Мягким ферромагнетикам присуща узкая петля и небольшое значение коэрцитивной силы (Н К = 1K10 2 А/м). Они используются для изготовления сердечников трансформаторов, электромагнитов, реле. Ферромагнетики в отличие от диамагнетиков и парамагнетиков обладают существенной особенностью: для каждого из таких материалов имеется присущая только им температура, при которой исчезают ферромагнитные свойства. Эта температура называется точкой Кюри. При нагревании материала выше точки Кюри ферромагнетик превращается в парамагнетик. Это 34 объясняется тем, что при высоких температурах доменные образования в ферромагнетике исчезают. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА Намагниченность ферромагнитного образца в данной работе измеряется с помощью магнитометрической установки, схема которой показана на рис. 2. Между одинаковыми соленоидами (катушками) 1 на их оси расположен компас 2. По соленоидам протекают одинаковые токи силой I , но в про- тивоположных направлениях. Поэтому вблизи магнитной стрелки компаса соленоиды создают равные, но противоположные по направлению магнитные поля, которые взаимно компенсируются и не вызывают отклонения стрелки. В этом случае стрелка устанавливается в направлении горизонтальной составляющей B Г индукции магнитного поля Земли. Ось соленоидов предварительно ориентируется перпендикулярно вектору B Г. При помещении в один из соленоидов ферромагнитного образца 3 образец намагничивается и создает вблизи стрелки компаса некоторое магнитное поле с индукцией B ⊥ B Г. Стрелка повернется на угол ϕ и установится вдоль результирующего поля B рез = B + B Г. Как следует из рис. 2, (1) B = B Г ⋅ tgϕ . Величина индукции В магнитного поля, создаваемого образцом вблизи стрелки, пропорциональна намагниченности J образца B = kJ , (2) где коэффициент k зависит от формы и размеров образца и его расположения относительно компаса, то есть является постоянной установки. Таким образом, расчетная формула для определения намагниченности B tgϕ . (3) J= Г k 35 Напряженность H магнитного поля соленоида может быть рассчитана по формуле H = nI , (4) где I - сила тока в соленоиде; n - число витков, приходящихся на единицу длины соленоида. Значения k и n указаны на установке. Общий вид установки показан на рис.3. Соленоиды 1, компас 2 и амперметр 3 размещены на подставке 4. С помощью переключателя 5 изменяется направление тока в соленоидах. Соленоиды питаются от выпрямителя 6. Переключателем 9 соленоиды подключаются к постоянному или к переменному напряжению. Приборы и принадлежности: магнитометрическая установка; выпрямитель; ферромагнитный образец. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Объем работы, и условия проведения опыта устанавливаются преподавателем или вариантом индивидуального задания. 1. Заполните табл. 1 характеристик миллиамперметра. Таблица 1 Наименование прибора Миллиамперметр Система прибора Предел измерения Цена Класс Приборная деления точности погрешность ΔI пр 2. Расположите подставку с соленоидами так, чтобы ось соленоидов была перпендикулярна горизонтальной составляющей B Г магнитного поля Земли. Компас закреплен так, что при этом его стрелка установится на нуле- 36 вое деление. Подайте на соленоиды постоянное напряжение, для этого переключатель 9 (рис.3) поставьте в положение (=). При этом соленоиды подключаются к клеммам 7. Не вставляя ферромагнитный образец в соленоид, включите выпрямитель и убедитесь, что магнитные поля соленоидов вблизи стрелки компаса компенсируются: стрелка не должна заметно отклоняться при увеличении силы тока в соленоидах с помощью ручки 10 выпрямителя. 3. Выключите выпрямитель, вставьте образец в один из соленоидов. Далее необходимо размагнитить образец. Для этого подключите соленоиды к клеммам 8 переменного напряжения, то есть, поставьте переключатель 9 в положение (~) . Включите выпрямитель и ручкой 10 доведите силу переменного тока в соленоидах до 2 А (измеряется амперметром выпрямителя) и постепенно уменьшайте его до нуля. Магнитная стрела должна находиться попрежнему на нулевом делении. 4. При нулевом значении силы тока в соленоидах (ручка 10 находится в крайнем левом положении) поставьте переключатель 9 в положение (=), подключив тем самым соленоиды к источнику постоянного напряжения. Установка и образец готовы к проведению изучения магнитных свойств образца. 5. Ступенчато увеличивая силу тока I от 0 до 500 мА, измерьте угол ϕ отклонения стрелки компаса, соответствующий каждому значению силы тока I . В интервале значений от 0 до 100 мА измерения надо делать через каждые 20 мА, а при больших значениях – через каждые 100 мА. Силу тока можно изменять только в сторону возрастания, уменьшение силы тока при его регулировке недопустимо. Измеренные значения I и ϕ запишите в две первые колонки (Ток +) табл. 2. Таблица 2 Ток + I , мА ϕ , град. Ток – I , мА ϕ , град. Ток + I , мА ϕ , град. (Еще 17 строк) В результате выполнения этого пункта строится основная кривая намагничивания (участок 0–1 на рис. 1). 6. Уменьшая ток в соленоидах до нуля так же, как указано в пункте 4, измерьте необходимые величины на участке 1–2 петли гистерезиса (рис.1). При этом ток можно регулировать только в сторону уменьшения. Результаты измерений I и ϕ запишите по-прежнему в две первые колонки табл. 2. 7. При нулевом значении силы тока в соленоидах переключите тумблер 5 (рис.3) в другое крайнее положение, изменив при этом направление тока в соленоидах на противоположное. Измерьте необходимые величины на участке 2–3 кривой гистерезиса (рис. 1). При этом силу тока следует регулировать только в направлении увеличения такими же ступенями, как в пункте 4. Результаты измерений I и ϕ запишите в две средние колонки «Ток–». Обратите внимание, что на этом участке кривой намагничивания происходит изме- 37 нение знака величины J и, следовательно, знака угла ϕ . Это надо отметить в таблице, указывая знак ϕ . 8. Постепенно уменьшая ток до нуля, измерьте величины I и ϕ на участке 3–4 кривой намагничивания. Результаты запишите в колонки «Ток–». 9. Тумблером 5 (рис. 3) измените, направление тока и, увеличивая силу тока, измерьте необходимые величины на последнем участке 4–1 кривой гистерезиса. Результаты измерений I и ϕ запишите в две правые колонки (Ток +) с указанием знака угла ϕ . 10. Постройте кривую магнитного гистерезиса, откладывая по осям координат (в зависимости от задания) или I и ϕ , или J и H , или B и H . 11. На основании полученной кривой гистерезиса рассчитайте по формулам (3) и (4) остаточную намагниченность J ост образца и коэрцитивную силу Н к. Величины k и n указаны на установке. 12. Для одной из точек на основной кривой намагничивания рассчитайте по формулам (3), (4), (1) и (2) значения магнитной восприимчивости χ и магнитной проницаемости μ ферромагнетика. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Чем обусловлены магнитные свойства: а) парамагнетиков; б) ферромагнетиков; в) диамагнетиков? 2. Дайте определение намагниченности. 3. Что характеризуют: а) магнитная восприимчивость; б) магнитная проницаемость? 4. Что такое основная кривая намагничивания? 5. Что такое: а) остаточная намагниченность; б) коэрцитивная сила; в) намагниченность насыщения? 6. В чем различие между жесткими и мягкими ферромагнетиками? Где они применяются? 7. Какая температура для ферромагнетиков называется точкой Кюри? 8. Как располагается магнитная стрелка, если ток в соленоидах отсутствует? Почему включение тока в соленоидах не влияет на положение стрелки? 9. Как надо ориентировать установку перед началом измерений? 10. Как устанавливается магнитная стрелка при намагничивании образца? 11. Почему перед получением петли гистерезиса образец должен быть размагничен? Как осуществляется размагничивание? ЛИТЕРАТУРА 1. Трофимова Т.И. Курс физики. 2000. § 132, 133, 135, 136. 2. Матвеев Н.Н., Постников В.В., Саушкин В.В. Физика. 2002.- С. 79-82. 38 ПРИЛОЖЕНИЕ 1. НЕКОТОРЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПОСТОЯННЫЕ Универсальная газовая постоянная Магнитная постоянная Электрическая постоянная Заряд электрона Масса электрона Удельный заряд электрона Горизонтальная составляющая индукции магнитного поля Земли (на широте Воронежа) R = 8,31 Дж/(моль⋅К) μ o = 1,26⋅10 – 6 Гн/м ε o = 8,85⋅10 – 12 Ф/м е = 1,6⋅10 – 19 Кл m = 0,91⋅10 – 30 кг e/m = 1,76⋅10 11 Кл/кг B Г = 2,0⋅10 – 5 Тл 2. ДЕСЯТИЧНЫЕ ПРИСТАВКИ К НАЗВАНИЯМ ЕДИНИЦ Г – гига (10 9) М – мега (10 6) к – кило (10 3) д – деци (10 – 1) с – санти (10 – 2) м – милли (10 – 3) Например: 1 кОм = 10 3 Ом; мк – микро (10 – 6) н – нано (10 – 9) п – пико (10 – 12) 1мА = 10 – 3 А; 1 мкФ = 10 – 6 Ф. 3. УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ НА ШКАЛЕ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ Обозначение единицы измерения Ампер Вольт Миллиампер, милливольт Микроампер, микровольт А V mA, mV μ А, μ V Обозначение принципа действия (системы) прибора Магнитоэлектрический прибор с подвижной рамкой Электромагнитный прибор с подвижным ферромагнитным сердечником Положение шкалы прибора Горизонтальное Вертикальное Обозначение рода тока Прибор для измерения постоянного тока (напряжения) Прибор для измерения переменного тока (напряжения) Другие обозначения Класс точности Изоляция между электрической цепью прибора и корпусом испытана напряжением (кВ) ⊥ –– ~ 0,5 1,0 и др. 39 Пределом измерения прибора называется то значение измеряемой величины, при котором стрелка прибора отклоняется до конца шкалы. На многопредельных приборах пределы измерений указаны около клемм или около переключателей диапазонов. Цена деления шкалы равна значению измеряемой величины, которое вызывает отклонение стрелки прибора на одно деление шкалы. Если предел измерения xm и шкала имеет N делений, то цена деления c = x m / N . Δ x np Класс точности прибора γ = ⋅ 100% , где Δ x np - максимальная xm погрешность прибора; x m - предел измерения. Значение γ приведено на шкале прибора. Зная класс точности γ , можно определить приборную погрешность x Δ x np = γ m ., 100 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Основная литература 1 Трофимова, Т.И. Курс физики [Текст]: Учебное пособие.– 6-е изд. – М.: Высш. шк., 2000.– 542 с. Дополнительная литература 1 Курс физики [Текст] / под ред. В.Н. Лозовского.– 2-е изд., испр.– СПб.: Лань, 2001.–Т.1.– 576 с. 2 Курс физики [Текст] / под ред. В.Н. Лозовского.– 2-е изд., испр.– СПб.: Лань.– 2001.Т.2.– 592 с. 3 Дмитриева, В.Ф. Основы физики [Текст]: учеб. пособие / В.Ф. Дмитриева, В.Л. Прокофьев – М.: Высш. шк., 2001.– 527 с. 4 Грибов, Л.А. Основы физики [Текст] / Л.А. Грибов, Н.И. Прокофьва.– М.: Гароарика, 1998.– 456 с. 40 Учебное издание Бирюкова Ирина Петровна Бородин Василий Николаевич Камалова Нина Сергеевна Евсикова Наталья Юрьевна Матвеев Николай Николаевич Саушкин Виктор Васильевич Физика Лабораторный практикум Магнетизм ЭЛЕКТРОННАЯ ВЕРСИЯ