Контрольные вопросы

1. Дайте определения: электрического тока, силы тока, плотности электрического тока, электрического сопротивления. Письменный ответ на этот вопрос необходимо включить в отчет.

2. Каковы цели лабораторной работы и что нужно сделать для их достижения?

3. Назовите составные части лабораторной установки и их назначение.

4. Какие величины измеряются в данной работе непосредственно? Какие вычисляются?

5. Чем отличаются металлы, диэлектрики и полупроводники по своим электрическим свойствам?

6. Какова зависимость сопротивления полупроводников и металлов от температуры? Назовите причины различия этих зависимостей.

7. Как образуются энергетические зоны при объединении атомов в кристаллах? Каковы названия этих зон? Какова их заполненность электронами в металлах, диэлектриках и полупроводниках при Т = 0?

8. Что называют энергией активации полупроводника, в каких единицах она измеряется? Какие величины зависят от этой характеристики полупроводника?

9. Дайте определения собственной и примесной, электронной и дырочной проводимостей полупроводников.

10. Какая физическая величина имеет аббревиатуру «ТКС»? В каких единицах она измеряется?

11. Выведите расчётную формулу для определения ТКС по угловому коэффициенту графика R(Т).

12. Каков физический смысл величин n₀ и R₀ в формулах (6.1) и (6.16)?

13. Каковы физический смысл и единицы измерения подвижности b? Как она зависит от температуры?

Работа № 7. Определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля земли

Цель работы: изучить характеристики магнитного поля, создаваемого электрическим током, практически определить индукцию и напряжённость магнитного поля Земли на широте Златоуста.

Оборудование: лабораторный стенд; тангенс-гальванометр, миниблок «Ключ», стрелочный ампер­метр, модуль питания 1,2…12 В, соединительные провода.

Теория метода и описание установки

При подготовке к работе следует изучить закономерности образования маг­нитного поля проводниками с током (закон Био – Савара), элементы земного маг­нетизма.

Наша Земля окружена естественным магнитным полем, существование кото­рого обусловлено действием постоянных источников, расположенных внутри Земли и создающих основной компонент поля (~99%), а также переменных источ­ников (электрических токов) в магнитосфере и ионосфере (~1%). Напряжённость Н геомагнитного поля убывает от полюсов к экватору от 56 до 33 А/м.

Действие магнитных сил обнаруживается как на поверхности Земли, так и в её недрах и под водой. Все пространство, окружающее земной шар, пронизывается магнитными силовыми линиями, как бы исходящими из магнитного полюса в южном полушарии, огибающими земной шар и входящими в магнитный полюс северного полушария (рис. 7.1).

В магнитных компасах используется свойство свободно подвешенной намаг­ниченной стрелки устанавливаться вдоль магнитных силовых линий Земли. Такая стрелка своим северным концом указывает на север, а южным – на юг.

М агнитные полюса расположены вблизи географических полюсов, (обозначены на рис. 7.1 буквами N и S), но не совпадают с ними. Положение магнитных полюсов не остаётся неизменным, координаты их, хотя и очень медленно, но изменяются. В 1600 г. северный магнитный полюс находился в 1300 км от географического, а в настоящее время – примерно в 2000 км.

М агнитное поле Земли характеризуется вектором магнитной индукции , кото­рый направлен по касательной к силовым линиям земного магнитного поля. В каждой точке Земли вектор индукции составляет с горизонтальной плоскостью некоторый угол  (рис. 7.2), который приблизительно равен географической ши­роте местности. Магнитное поле также можно охарактеризовать вектором напряжённости магнитного поля , который связан с вектором магнитной индукции соотношением

Направление вектора можно определить, на­пример, имея магнитную стрелку, свободно вра­щающуюся на горизонтальной оси. (Подумайте, как нужно сориентировать ось, чтобы стрелка показала направление магнитной индукции.) Обычно вектор магнитной индукции раскладывают на две состав­ляющие: горизонтальную В_г и вертикальную В_в (см. рис. 7.2).

Имеющаяся в лаборатории установка позволяет определить только одну составляющую индукции магнитного поля – горизонтальную.

Для её определения в данной работе применяется тангенс-гальванометр (ТГ). Это плоская вертикальная катушка радиусом R c числом витков N. В центре ка­тушки расположен компас, размеры которого должны быть значительно меньше радиуса катушки.

Е сли ось стрелки компаса вертикальна, то при отсутствии тока в катушке стрелка располагается вдоль горизонтальной составляющей магнитного мери­диана Земли (рис. 7.3). Поворотом прибора вокруг вертикальной оси можно совместить плоскость ка­тушки с плоскостью магнитного меридиана. Если по­сле такой установки катушки пропустить по ней ток, то магнитная стрелка отклонится от направления маг­нитного меридиана на некоторый угол .

Объясняется это тем, что на магнитную стрелку будут действовать два поля: горизонтальная состав­ляющая В_г земного магнитного поля и поле В, создан­ное током. На рис. 7.3 SN – направление магнитного меридиана Земли; АС – сечение витка катушки гори­зонтальной плоскостью; S’N’ – магнитная стрелка; В_г – вектор горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли; В – вектор индукции магнит­ного поля, созданного током в центре катушки. Как следует из рис. 7.3, горизон­тальная составляющая связана с индукцией магнитного поля катушки соотноше­нием

.

(7.1)

Величина индукции в центре кругового тока пропорциональна силе тока I и вычисляется по формуле, полученной из закона Био – Савара – Лапласа интегри­рованием по замкнутой окружности радиуса R:

.

(7.2)

Измеряя угол отклонения  при известном значении силы тока, можно по формулам (7.2) и (7.1) вычислить горизонтальную составляющую В_г магнитного поля в месте проведения измерений. Затем, зная географическую широту  места, где установлен тангенс–гальванометр, можно вычислить вертикальную составляющую В_в и полную индукцию В_З магнитного поля Земли (см. рис. 7.2).