МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Московский государственный горный университет

____________________________

Кафедра физики

Утверждено УМС МГГУ

в качестве учебного пособия

для студентов всех специальностей

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

ПО ФИЗИКЕ

Раздел

«ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ»

(ОПИСАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ)

ДЛЯ СТУДЕНТОВ ВСЕХ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ

МОСКВА

2014

Учебное пособие содержит описания лабораторных работ по теме «Электромагнетизм». Основному тексту описания каждой работы предпослан теоретический материал, который включает краткое изложение сути изучаемого явления и представлен в объеме, достаточном для получения допуска к выполнению лабораторных работ. В ряде случаев дополнительные теоретические сведения вынесены в приложения к отдельным работам. Применительно к каждой работе в пособии освещены экспериментальный метод исследования изучаемого явления, используемая аппаратура, даны указания о приемах наблюдений и методике измерений, изложены требования по обработке результатов измерений, приведен список литературы для более глубокого ознакомления с темой.

Учебно-методическое пособие подготовлено на кафедре физики МГГУ. Под редакцией д. физ.-мат. н. Р.З. Муратова.

Авторский коллектив: доц. Бунин А.В., доц. Карпов О.Б., снс Муратов Р.З., проф. Широчин Д.Л., доц. Экономова Л.Н.

Введение

Предлагаемое методическое пособие включает лабораторные работы, в которых изучаются свойства (в основном по отдельности) электрических (работы Э.1 и Э.2) и магнитных полей (работы Э.3, Э.5 Э.7) ¹. Такое (обеспечиваемое стационарностью условий) раздельное рассмотрение позволяет сосредоточиться на специфических особенностях каждого из этих полей ².

В частности, разнообразие геометрической структуры электростатических (и не только!) полей, обусловленное разнообразием возможностей распределения их источников (точечный заряд, диполь, заряженная плоскость и т. д.) изучается в Э.1. Электрические характеристики диэлектрических сред, их измерение с помощью полей, обусловленных устройствами из проводников (конденсаторов), — это вопросы, разбираемые в Э.2.

Большинство лабораторных экспериментов связано с магнитными полями. Это и измерение геомагнитного поля (Э.3), и основанное на измерениях сопоставление полей, создаваемых соленоидом и короткой катушкой (Э.5), и взаимодействие таких полей в рамках механизма взаимной индукции (Э.6), и, наконец, ознакомление с нелинейными полями и явлением гистерезиса ферромагнетиков (Э.7).

Отдельно следует сказать о лабораторной работе Э.4, в которой определяется удельный заряд электрона. Движение электрона происходит в устройстве, называемом магнетроном, под одновременным воздействием электрического и (ортогонального ему) магнитного полей. Измерения в этой работе требуют особой аккуратности для получения правдоподобной зависимости анодного тока от тока в соленоиде, от которой зависят результаты эксперимента.

_____________________

¹Лабораторные работы, посвященные изучению электромагнитных полей и волн, составляют содержание самостоятельного методического пособия.

² Заметим, что по-своему эти поля разделила и природа: так, электрическое поле описывается полярными (истинными) векторами Е и D, а магнитное поле — аксиальными (псевдо-) векторами Н и В.

Лабораторная работа э.1 моделирование

СТАЦИОНАРНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ

Цель работы

Построение эквипотенциальных и силовых линий для различных электрических полей (однородного поля, поля диполя и др.).

Теоретическое введение

Электрическое поле считается полностью охарактеризованным, если в каждой точке пространства известен вектор электрической напряженности . Напряженность в точке с радиус-вектором — это «сила», которая действует на единичный положительный заряд, находящийся в этой точке. Силовой ли­нией электрического поля называется линия, касательная к которой в каждой ее точке совпадает по направлению с вектором . Силовые линии применяют для графического изображения электрических полей. Если в каждой точке напряженность остает­ся неизменной во времени, то электрическое поле называется стацио­нарным. Стационарное электрическое поле потенциально. Это означает, что работа по перемещению любого заряда в таком по­ле не зависит от траектории, по которой осуществляется это пере­мещение, а определяется только положениями начальной и конечной точек траектории. Поэтому стационарное электрическое поле можно описывать не только с помощью вектора напряженности, но и посредством скалярной величины — потенциала . Потенциал в точке с радиус-вектором численно равен работе, которую требуется совершить, чтобы переместить единичный положительный заряд из бесконеч­ности в эту точку. (При этом предполагается, что поле создается ограниченной в пространстве системой зарядов и потенциал на бесконечности равен нулю). По сути дела, потенциал — это потенциальная энергия, которой обладал бы единичный положительный за­ряд, если бы он оказался в точке . Зная потенциал во всех точках поля, легко найти и напряженность поля. Она равна градиенту потенциала, взятому с об­ратным знаком:

. (1)

Градиент скалярной функции в данной точке пространства есть вектор, декартовы компоненты которого суть частные производные этой функции (со знаком « ») по соответствующим декартовым координатам, вычисленные в выбранной точке. То есть

(2)

Эквипотенциальной поверхностью в электрическом поле называется поверхность, все точки которой имеют одинаковое значение потенциала. Силовые линии электрического поля могут пересекать эквипотенциальные поверхности только под прямым углом. Рассмотрим скалярное произведение Если вектор лежит в плоскости, касательной к эквипотенциальной поверхности, то приращение потенциала равно нулю. Следовательно, электрическое поле перпендикулярно к эквипотенциальной поверхности. Простая формула

(3)

важна для расчета разности потенциалов.