Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться со схемой измерения согласно рис.5.

2. Подготовить приборы к работе:

1. с помощью магазина емкостей МЕ установить С = 4·10^-2 мкФ;

2. установить следующие параметры выходного напряжения звукового генератора: частота 200 Гц, величина напряжения 2 - 4 В, режим работы – генерация синусоидальных колебаний;

3. включить развертку электронного осциллографа с запуском от усилителя и установить частоту развертки, удобную для наблюдения сигнала частотой 200 Гц;

4. усиление по оси Y электронного осциллографа установить так, чтобы было возможно измерить переменное напряжение до 5 В.

3. Включить лабораторный стенд и приборы. Регулировкой ручек управления на панели осциллографа добиться стабильной картины процесса «биений» в контурах.

5. Вычислить T_рез для одного из контуров (резонансные частоты контуров близки) по формуле Томсона .

Величины L и С указаны в паспорте модуля.

4. И зменяя величину емкости конденсатора связи С₁₂ на магазине емкостей от 4·10^-2 до 4·10^-1 мкФ, измерить период «биений». Период биений определяется следующим образом: подсчитывается количество периодов (количество максимумов), укладывающихся в одно биение (число N на рис. 6). Эта величина умножается на вычисленное значение Т_рез по формуле Томсона, то есть Т_δ = Т_рез. Полученные результаты записать в таблицу 1. По полученным таким образом значениям строится график зависимости Т_δ = f(C_12).

Таблица 1.

С12, мкФ
N
Тδ, с, эксп
Тδ, с, теор

5. Провести расчет Т_δ по формуле и сравнить его с экспериментальным значением.

Контрольные вопросы

1. Объясните, почему токи I₁ и I₂ (см. рис. 4) должны иметь одинаковое направление?

2. Почему емкость С₁₂ должна быть << С?

3. Покажите, что существует два максимума тока, приходящиеся на частоты нормальных мод колебаний.

4. Объясните картину биений (см. рис. 2) с энергетической точки зрения.

5. Чему равна частота обмена энергией между двумя связанными осцилляторами?

Литература

1. И.В.Савельев. Курс общей физики: В 5 кн.: Кн. 2: Электричество и магнетизм: Учебное пособие для вузов. Изд. АСТ, Астрель, 2008. - 336 с.

2. Калашников С.Г. Электричество.- M.: Физматлит, 2003.- 624 с .

3. Д.В.Сивухин. Общий курс физики. Т.III: Учеб. пособие.- М: Физматлит, 2004.- 656 с.

Лабораторная работа № 14 Определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли. Определение электродинамической постоянной.

Цель работы . Практическое освоение магнитометрического метода измерения горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли.

Оборудование. Тангенс-гальванометр, источник постоянного тока, миллиамперметр, реостат, ключ и переключатель.

Краткая теория

Магнитоэлектрический метод измерения основан на магнитном взаимодействии образца и магнитной стрелки.

З емля представляет собой шаровой магнит. Поэтому в любой точке на поверхности Земли и в окружающем пространстве обнаруживается действие магнитных сил. Магнитные полюса Земли не совпадают с географическими. Южный полюс магнитного поля Земли расположен у северных берегов Америки (примерно 74⁰ северной широты и 100⁰ западной долготы), а северный полюс - в Антарктиде (60⁰ южной широты и 143⁰ восточной долготы). Схема силовых линий магнитного поля Земли показана на рис. 1. Пунктиром показана ось вращения Земли NS. Направление магнитных силовых линий установлено с помощью магнитной стрелки.

Если подвесить магнитную стрелку на нити так, чтобы точка подвеса совпадала с центром тяжести стрелки, то последняя устанавливается по направлению касательной к силовой линии магнитного поля Земли. В северном полушарии северный конец стрелки будет наклонен к Земле и она составит с горизонтом угол н аклонения Ө (на экваторе этот угол равен 0). Вертикальная плоскость, в которой расположена стрелка, называется плоскостью магнитного меридиана. Угол α между магнитным и географическим меридианом называется магнитным склонением. Силовой характеристикой любого магнитного поля является индукция .

Значения Земли невелики и изменяются от 0,42·10^-4 Т_л на экваторе до 0,7 ·10^-4 Т_л у магнитных полюсов. Вектор можно разложить на две составляющие (рис. 2): горизонтальную и вертикальную .

Горизонтальную составляющую магнитного поля Земли определяют с помощью прибора, называемого тангенс-гальванометром. Схематически устройство этого прибора показано на рис. 3. Он состоит из катушки - нескольких круговых витков,

расположенных вертикально в плоскости магнитного меридиана. В центре помещается магнитная стрелка. Она должна быть небольшой, чтобы можно было принять действующую на полюса стрелки магнитную индукцию равной индукции в центре кругового тока.

Плоскость контура устанавливается перпендикулярно горизонтальной плоскости так, чтобы она совпала с направлением магнитной стрелки. Ток, протекающий по контуру, создает магнитное поле , действующее на магнитную стрелку и направленное перпендикулярно горизонтальной составляющей индукции поля Земли (рис. 4).

Под действием горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли и индукции поля контура стрелка устанавливается по направлению равнодействующей .

Из рис. 4 видно, что

В_к = В_Г tgφ (1)

Индукция магнитного поля контура в его центре равна

, (2)

где n – число витков контура, I – ток, протекающий в контуре (см. рис. 4), r – радиус контура.

Из (1) и (2) следует:

или . (3)

Следует помнить, что формула (3) является приближенной, т.е. верной только в том случае, когда размер магнитной стрелки много меньше радиуса контура r. Наименьшая ошибка при измерениях получается при углах отклонения стрелки ≈ 45⁰. Соответственно этому и устанавливается сила тока в катушке тангенс-гальванометра, который используется в данной работе.