Лабораторна робота № 31

ВИЗНАЧЕННЯ СТАЛОЇ ТАНГЕНС-БУСОЛІ І ГОРИЗОНТАЛЬНОЇ СКЛАДОВОЇ НАПРУЖЕНОСТІ МАГНІТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛІ

Мета роботи.

В роботі необхідно обчислити сталу тангенс-бусолі С та горизонтальну складову напруженості магнітного поля Землі Н_g.

Прилади та обладнання.

• кільцевий контур з n витками,

• компас,

• міліамперметр,

• перемикач контактів,

• блок живлення.

Коротка теорія.

Дослідним шляхом установлено і загально прийнято, що навколо Землі існує магнітне поле. Домовились вважати, що силові лінії магнітного поля починаються з північного магнітного полюса розташованого на південному географічному полюсі , які не співпадають. Закінчуються силові лінії на південному магнітному полюсі , який знаходиться на північному географічному полюсі , які також не співпадають. Пряма , що проходить через точки та називається магнітною віссю Землі, а силові лінії називаються магнітними мередіанами. Площина у якій лежить силова лінія магнітного поля Землі називається площиною магнітного меридіана. У цій площині лежить і магнітна вісь . Вектор напруженості магнітного поля Землі є дотичним до магнітного меридіана, а його проекція на горизонтальну площину , що перпендикулярна вектору прискорення сили тяжіння , називається горизонтальною складовою напруженості .

У даній роботі для визначення горизонтальної складової напруженості магнітного поля Землі використовується тангенс-бусоль - прилад для визначення напрямку і величини магнітного поля, в основі якого є магнітна стрілка компаса, що розміщена в центрі колового контура. Площина контура має знаходитись в площині магнітного меридіана. Принципова схема тангенс-бусолі представлена на Мал.1.

Магнітна стрілка компаса, на який не діють інші силові поля, крім сили з боку магнітного поля Землі, лежить у горизонтальній площині і, взаємодіючи з магнітним полем Землі, повертається і займає положення у напрямку вектора . При пропусканні електричного струму у контурі, магнітна стрілка буде взаємодіяти із сумарним магнітним полем, напруженість якого визначається векторною сумою напруженості і напруженості магнітного поля контура

,

причому (див.Мал.1).

У результаті магнітна стрілка відхилиться від магнітного меридіана на деякий кут  в напрямку сумарної напруженості (див.Мал.1). Напруженість магнітного поля кругового струму в центрі кола [1, п.11.3.2] при n витках провідника становить

, (1)

де I - сила струму, що проходить по витках провідника, r-радіус кругового провідника. Знаючи кут , горизонтальну складову напруженості магнітного поля Землі можна визначити з прямокутного трикутника (див.Мал.1)

. (2)

З (1) та (2) можна одержати співвідношення

. (3)

Вираз (3) можна представити у вигляді

, (4)

де стала С називається сталою тангенс-бусолі.

(5)

Хід виконання лабораторної роботи

Експериментальна установка (див.Мал.1) включає: 1- компас, 2 - коловий провідник, 3 – міліамперметр, 4 – реостат, 5 –джерело струму, 6 – перемикач напрямку струму у контурі.

Конструкція приладу така, що його коловий провідник можна обертати навколо вертикальної вісі так, щоб його можна було встановити у площині магнітного меридіана.

Т ому перед виконанням роботи контур потрібно повернути так, щоб стрілка компаса лежала в площині контура. Далі послідовність роботи буде такою.

1. Перемикачем замкнути електричне коло контура і джерела струму.

2. Встановити реостатом мінімальний струм в кортурі.

3.Збільшити реостатом напругу на контурі до деякої величини, щоб стрілка компаса відхилилася на деякий видимий кут.

4.Вимірити силу струму.

5.Виміряти кут відхилення стрілки . Потім за допомогою перемикача змінити напрямок струму в колі і знову замірити кут відхилення стрілки . Визначити середньоарифметичне відхилення стрілки і занести значення до Таблиці. Відлік двох показників стрілки беруть, щоб похибку початкової установки колового контуру в площині магнітного меридіану.

6. змінюючи силу струму в контурі, виконати 5-7 вимірів за п.5. Дані вимірювання занести до Таблиці.

7. Записати параметри контура : кількість витків – n, радіус колового витка – R.

Методика обробки результатів вимірів

1. Вираз (3) представити лінійною залежністю y=a+bx, де

.

Розрахувати через середнє значення та границю довірчого інтервалу при ймовірності Р=0,95 горизонтальну складову напруженості магнітного поля землі. Результат представити у виді

з коефіцієнтом кореляції

.

2. Вираз (4) представити лінійною залежністю y=a+bx, де

.

Розрахувати через середнє значення та границю довірчого інтервалу при ймовірності Р=0,95 сталу тангенс-бусолі С. Результат представити у виді

Використання Мсad: Приклад використання Мсad для знаходження величин Н_g,

Н_g, С, С, наведений в методичному посібнику 2.

Контрольні питання

1. Що таке «Магнітне поле» і яка величина є силовою характеристикою магнітного поля? Дати її визначення.

2. У чому полягає закон Біо-Савара-Лапласа? Розрахувати напруженість магнітного поля в центрі кругового струму.

3. Як розраховується горизонтальна складова напруженості магнітного поля Землі та стала тангенс-бусолі?

4. Поясніть порядок обчислення довірчої границі похибки результату визначення напруженості магнітного поля Землі.

Література

1. Клименко В.М., Клименко А.П. Буквар курсу загальної фізики. Частина 1.

2.Опрацювання результатів вимірювання при виконанні лабораторних робіт фізичного практикума з використанням математичної системи Mcad. (Методичні вказівки до лабораторного практикуму для студентів усіх спеціальностей) . А.О.Потапов, А.І.Мотіна. - К.: КНУТД, 2004.- 112 с.

Лабораторна робота № 32

ВИМІРЮВАННЯ ПИТОМОГО ЗАРЯДУ ЕЛЕКТРОНА

Мета роботи

Визначити величину відношення заряду електрона до його маси .

Прилади та обладнання

• cоленоїд з блоком живлення,

• електронна лампа з блоком живлення ,

• амперметри вимірювання струму соленоїда та анодного струму.

К оротка теорія.

Питомий заряд електрона

(1)

можна визначити, розглядаючи його рух у схрещених (взаємно перпендикулярних) магнiтному та електричному полях. Такі поля можуть створювати, наприклад, співвісні соленоїд та циліндрична електронна лампа, розміщена в ньому (див.Мал.1а). Така конфігурація називається магнетроном і її назва зв'язана з тим, що вона нагадує конфігурацію полів у магнетронах (генераторах електромагнітних коливань в області надвисоких частот). Анодом лампи є циліндр радіуса , а катодом - розжарена нитка, розміщена вздовж осі циліндра. Прискорюючись анодною напругою U, термоелектрони катода наблизяться до поверхні анода, надбавши швидкість V. При цьому робота електричного поля А=еU йде на створення кінетичної енергії електрона

. (2)

Маючи швидкість V, цей електрон під дією сили Лоренця (доцентрової) рухається при поверхні анода по колу радіуса r з доцентровим прискоренням . Скалярне рівняння другого закону Ньютона при цьому буде мати вигляд

. (3)

Розв'язок системи рівнянь (2)-(3) відносно  проведемо так: із рівняння (3) визначимо

і підставимо у (2)

.

Після скорочення одержимо

, (4)

де індукція поля соленоїда . Збільшуючи струм соленоїда при сталій напрузі U, можна знайти такий критичний струм соленоїда, коли при подальшому збільшенні його, анодний струм почне зменшуватися. Таке зменшення анодного струму повязане з тим, що при цьому частина електронів почне рухатися по колу з радіусом (див.Мал.1б) і не досягатиме поверхні анода. Тепер (4) можна записати у вигляді

. (5)

Величину можна знайти по графіку залежності анодного струму струму соленоїда .