Министерство образования и науки Российской федерации

Волгоградский государственный технический университет

В. К. Михайлов

Физический практикум по электромагнетизму

Учебное пособие

Волгоград 2013

РПК «Политехник»

УДК 537+538.3

ББК 22.33я73

П69

Рецензенты:

кафедра «Лазерная физика» ВолГУ

(зав. кафедрой – канд. физ.-мат. наук доцент В. Н. Храмов),

докт. техн. наук, профессор В. Д. Захарченко,

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Волгоградского государственного технического университета.

ФИЗИЧЕСКИЙ ПРАКТИКУМ ПО ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМУ: Учебное пособие / В. К. Михайлов. / ВолгГТУ. – Волгоград, 2013. – 265 с.

ISBN 5-85534-158-5

Содержит описания лабораторных работ, соответствующих программе физического практикума для дисциплины «Электромагнетизм». Перечень работ охватывает практически все базовые разделы лекционного курса.

Теоретическая часть описаний может служить полезным дополнительным материалом к основным разделам курса «Электромагнетизм». В раздел «Контрольные вопросы и задания» помимо типовых вопросов по содержанию работы включаются иногда и несколько расчётных задач, размышления над которыми расширяют понимание изучаемого явления или метода.

Все работы представлены в лаборатории физического практикума кафедры «Экспериментальная физика» ВолгГТУ.

Предназначено для студентов 2 курса физических специальностей вузов.

© Волгоградский государственный

технический университет, 2013.

© В. К. Михайлов, 2013.

Содержание

Стр.

ПРЕДИСЛОВИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1. Цепи постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

Ф302. Передача электроэнергии по линии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

Ф303. Цепь постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Ф307. Нелинейные элементы в цепи постоянного тока . . . . . . . . . . . . 21

2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ

ВЕЛИЧИН . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.1. Электрические измерения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

Ф301. Осциллограф . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

Ф306. Мостовые измерения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

Ф312. Определение «e/m» из закона «трёх вторых» . . . . . . . . . . . . . . . 57

Ф323. Измерение малых сопротивлений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

2.2. Магнитные измерения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

Ф304. Магнитное поле Земли . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

Ф305. Измерения баллистическим гальванометром . . . . . . . . . . . . . . . 76

Ф308. Определение параметров конденсаторов и катушек . . . . . . . . . 90

Ф313. Изучение свойств ферромагнетиков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

Ф316. Определение «e/m» методом магнетрона . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

Ф318. Эффект Холла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

Ф320. Определение ампера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

3. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

Ф309. Свободные колебания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

Ф310. Вынужденные колебания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

Ф311. Релаксационные колебания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

Ф315. Волны в двухпроводной линии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

Ф319. Сложение колебаний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

4. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

Ф314. Трансформатор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

Ф317. Выпрямители . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220

Ф321. Трёхфазная цепь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236

Ф322. Машина постоянного напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252

ПРЕДИСЛОВИЕ

Пособие содержит описания 23 лабораторных работ раздела «Электричество и магнетизм» общего физического практикума для студентов 2-го курса физических специальностей вузов. На выполнение каждой работы в лаборатории отводится 6 учебных часов. В течение семестра предполагается выполнение 10-12 работ.

После прохождения физпрактикума студент должен уметь свободно пользоваться стандартными электроизмерительными и электронными приборами для проведения простейших экспериментов, для правильного измерения электромагнитных величин, для наблюдения электромагнитных процессов. Измерения, проведённые неграмотно, без понимания особенностей процесса и возможностей приборов, могут привести к совершенно ошибочным заключениям.

В описаниях лабораторных работ даётся минимум понятий и теоретических соотношений, без которых невозможно изложение существа изучаемого явления, процесса, методики и сознательное проведение эксперимента. Все законы и соотношения электромагнетизма записаны только в системе СИ. Некоторые наиболее объёмные работы для удобства их обзора предваряются аннотационным содержанием. Такие работы выполняются, как правило, за два лабораторных занятия и носят характер уже небольшого исследования.

В общем физическом практикуме принята следующая система нумерации работ. Буква «Ф» означает, что работа предназначена для студентов специальности «Физика»; первая цифра «3» показывает, что работа относится к третьей части общего курса физики – «Электромагнетизм»; две последние цифры – условный номер работы. Нумерация работ не связана с их содержанием или отнесением к какому-либо разделу электромагнетизма. Номера присваивались работам по мере их ввода в учебный процесс, т.е. появления в лаборатории.

Перечень работ охватывает практически все базовые разделы лекционного курса «Электромагнетизм», а также некоторые приложения – понятия о работе трансформаторов, электродвигателей, выпрямителей, трёхфазные цепи, специальные методы измерений. Впрочем, все эти «приложения» как раз и являются самой хорошей иллюстрацией проявления и использования основных законов электромагнетизма.

Классификация работ по разделам условна, так как во всякой содержательной работе используются сведения из нескольких разделов электромагнетизма. Например, почти все работы содержат цепи постоянного или переменного тока. Во многих работах можно найти явление электромагнитной индукции, привлекаются понятия магнитного и электрического полей, часто встречаются колебательные процессы. Поэтому никаких общих теоретических сведений, предваряющих раздел, в пособии нет.

Каждая работа вполне автономна и самодостаточна: в ней нет ссылок на другие работы, а для её осмысленного выполнения и ответов на контрольные вопросы, вообще говоря, не требуется даже обращение к учебнику, все необходимые частные сведения содержатся в её теоретической части. Это, однако, не означает, что учебник читать не надо. Надо, поскольку в данном пособии все эти сведения изложены конспективно, без теоретического обоснования, пояснений и обстоятельного анализа. Кроме того, эти сведения касаются только центральной темы работы и не затрагивают побочных, сопутствующих разделов.

Структура описаний всех лабораторных работ едина:

● цель работы,

● теоретическое введение (или же идея метода измерения),

● описание лабораторной установки,

● программа измерений и представление результатов,

● перечень контрольных вопросов и заданий,

● список учебной литературы, в которой можно найти комфортное описание данного явления и законов, на которых оно основано.

В раздел «Контрольные вопросы и задания» помимо типовых вопросов по содержанию данной работы включаются иногда и несколько расчётных задач, размышления над которыми расширяют понимание изучаемого явления или метода. При этом и сам эксперимент становится более интересным и осмысленным, а не просто «нажиманием кнопок и списыванием показаний стрелок».

Выполнение каждой работы можно разделить на три этапа: 1) домашняя подготовка; 2) лабораторные измерения; 3) обработка результатов.

Домашняя подготовка включает в себя знакомство с содержанием работы по данному пособию, просмотр соответствующих разделов учебника и подготовительные записи в рабочей тетради: дату выполнения, название и цель работы, базовые формулы, схемы; обязательно должны быть решения предлагаемых расчётных задач, или хотя бы значительной их части. В тетради могут быть и письменные ответы на некоторые контрольные вопросы, если студент затрудняется запомнить их устно.

Качество домашней подготовки оценивается преподавателем на предварительной беседе при допуске к лабораторным измерениям.

Лабораторные измерения. Каждая работа в лаборатории выполняется индивидуально и, как правило, включает в себя самостоятельную сборку схемы или всей установки из элементов. Время выполнения работы (только сборка схемы и измерения, но без обработки результатов) – обычно 2-3 часа. Впрочем, выровнять все работы по «трудности» и по «временным затратам» не удаётся: некоторые работы выполняются за полтора-два часа, а для некоторых и четырёх мало.

В случае сомнительности результатов преподаватель вправе потребовать от студента повторить отдельные измерения в его (преподавателя) присутствии. После окончания измерений их результаты должны быть заверены подписью преподавателя в рабочей тетради студента.

Обработка результатов при богатом содержании работы может быть весьма длительной – 3-4 часа и более, и её, вообще говоря, предполагается делать дома. Она включает в себя расчёты, иногда довольно сложные, и построение графиков. Завершённая работа представляется преподавателю (обычно на следующем занятии, но иногда удаётся и в это же). Отчётная беседа − это обсуждение численных и графических результатов работы с выставлением общей оценки.

Общая оценка работы определяется 1) уровнем домашней подготовки (при допуске к лабораторному выполнению), 2) правильностью результатов и компетентностью при их обсуждении и 3) качеством оформления работы в тетради.

Несколько общих советов, а точнее – требований по представлению результатов измерений и вычислений.

1. Запись чисел. Измеряемые величины обычно содержат от двух до четырёх значащих цифр. Расчётные величины должны представляться, как правило, с тремя цифрами. Иногда удаётся получить четыре, а иногда приходится довольствоваться двумя. Число значащих цифр в результате студент должен уметь обосновать, а не писать, «сколько даёт калькулятор». Если цифр записано меньше, чем дали измерения, то точность потеряна, а если больше, то запись результата расценивается как безграмотная, а потому недостоверная.

Если списывается показание прибора, то количество значащих цифр в числе должно соответствовать приборной точности. Результат косвенных измерений должен содержать столько значащих цифр, сколько даёт самый грубый прибор при базовых прямых измерениях. Так например, если ток через проводник измеряется с точностью до двух цифр (I=65 мА), а напряжение на нём – до четырёх (U=79,45 В), то сопротивление проводника должно вычисляться с округлением до двух значащих цифр:

R= 1,2 кОм=1,2·10³ Ом.

Примеры.

1) i=2,53 А – три значащие цифры; i=2,5 А – две (но i=2,50 А – уже три);

2) i=0,25 А=250 мА – две, но i=0,250 А=250 мА –три, так как здесь последний ноль является уже значащей цифрой, он показывается прибором;

3) i=5 мА=0,005 А=5·10⁻³ А – одна значащая цифра, но i=5,0·10⁻³ А=5,0 мА – две значащие цифры.

2. Расчёты. Все расчёты ведутся только в системе СИ. Хотя бы один контрольный расчёт каждой величины должен быть подробно представлен в рабочей тетради.

3. Графики. Общие требования к графикам следующие:

● графики представляются на миллиметровом или на клеточном листе прямо в рабочей тетради; их можно выполнять чернилами или хорошо отточенным мягким карандашом;

● график должен занимать бóльшую часть отведённого для него поля как по вертикали, так и по горизонтали; для этого надо правильно выбирать разметку осей;

● разметка осей должна быть равномерной и кратной целому числу клеток; на осях x и y указываются соответствующие величины и их размерности; на осях наносится по 3-5 опорных чисел, кратных 2, 5 или 10, но никак не 3, 6, 7 и т.д.; перегружать оси градуировочными числами не следует;

● экспериментальные результаты наносятся на график точками с какими-нибудь обводами, например, так: , и через них проводится плавная кривая (или прямая, смотря что ожидается), проходящая через все точки наилучшим образом (хотя бы в визуальном смысле);

● для построения простых (монотонных) графиков обычно достаточно 6-8 экспериментальных точек, тогда как для сравнительно сложных кривых, типа амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), нужно, минимум, 12-15 точек, чтобы ими были обозначены все детали кривой;

● график должен иметь название и, возможно, некоторые комментирующие сведения.

Пример 1. Пример 2.

К ривые заряда( ) и разряда ( ( ) Амплитудно-частотная характерис-

конденсатора через резистор. тика последовательного контура.

___________________________

Пособие написано на основании 30-летнего опыта работы автора в учебных лабораториях электромагнетизма, ведения лекционных и семинарских занятий по дисциплине «Электричество и магнетизм» со студентами Волгоградского государственного университета (ВолГУ) и Волгоградского государственного технического университета (ВолгГТУ).

Все 23 работы поставлены и введены в учебный процесс в лаборатории «Электромагнетизм» кафедры «Экспериментальная физика» ВолгГТУ для студентов 2-го курса специальности «Физика».