3504

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Воронежская государственная лесотехническая академия»

ФИЗИКА ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

МАГНЕТИЗМ

ВОРОНЕЖ 2014

2

УДК 537

Ф-50

Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВПО «ВГЛТА»

Бирюкова И.П. Физика [Текст]: лаб. практикум. Магнетизм: И.П. Бирюкова, В.Н. Бородин, Н.С. Камалова, Н.Ю. Евсикова, Н.Н. Матвеев, В.В. Саушкин; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВПО "ВГЛТА".– Воронеж, 2014.– 40 с.

Ответственный редактор Саушкин В.В.

Рецензент: канд. физ.-мат. наук, доц. кафедры физики ВГАУ В.А. Белоглазов

Приводятся необходимые теоретические сведения, описание и порядок выполнения лабораторных работ по изучению земного магнетизма, силы Лоренца и силы Ампера, определение удельного заряда электрона. Рассмотрено устройство и принцип действия электронного осциллографа.

Учебное пособие предназначено для студентов очной и заочной форм обучения по направлениям и специальностям, в учебных планах которых предусмотрен лабораторный практикум по физике.

3

ОГЛАВЛЕНИЕ

Лабораторная работа № 5.1 (25)

Определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли …………………………………………………………………… 4

Лабораторная работа № 5.2 (26)

Определение магнитной индукции …………………………………………. 12

Лабораторная работа № 5.3 (27)

Определение удельного заряда электрона с помощью электронно-

лучевой трубки ………………………………………………………………. 17

Лабораторная работа № 5.4 (28)

Определение удельного заряда электрона с помощью индикаторной лампы ……………………………………………………………………….... 25

Лабораторная работа № 5.5 (29)

Исследование магнитных свойств ферромагнетика ………………………. 32

Лабораторная работа № 5.1 (25)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

Цель работы: изучение законов магнитного поля в вакууме; измерение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МИНИМУМ

Магнитное поле

Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами (электрическим током), намагниченными телами (постоянными магнитами) или изменяющимся во времени электрическим полем. Наличие магнитного поля проявляется по его силовому действию на движущийся электрический заряд (проводник с током), а также по ориентирующему действию поля на магнитную стрелку или замкнутый проводник (рамку) с током.

Магнитная индукция

Магнитная индукция B – вектор, модуль которого определяется отношением максимального момента сил Mmax, действующего на рамку с током в магнитном поле, к магнитному моменту pm этой рамки с током

Направление вектора B совпадает с направлением нормали к рамке с током, установившейся в магнитном поле.

Магнитный момент pm рамки с током по модулю равен произведению

силы тока I на площадь S, ограниченную рамкой

рm = IS .

Направление вектора pm совпадает с направлением нормали к рамке.

Направление нормали к рамке с током определяется по правилу правого винта: если винт с правой нарезкой вращать по направлению тока в рамке, то поступательное движение винта совпадет с направлением нормали к плоскости рамки (рис. 1).

Направление магнитной индукции B показывает также северный конец магнитной стрелки, установившейся в магнитном поле.

Единицей измерения магнитной индукции в СИ является тесла (Тл).

2

Закон Био-Савара-Лапласа

Каждый элемент dl проводника с током I создает в некоторой точке А

где dl бесконечно малый элемент проводника, направление которого совпадает с направлением тока в проводнике; r – модуль вектора r ; μ0 – магнитная постоянная; μ - магнитная проницаемость среды, в которой находятся элемент и точка А (для вакуума μ = 1, для воздуха μ

1).

Вектор dB перпендикулярен плоскости, в которой расположены век-

торы dl и r (рис. 2). Направление вектора dB определяется правилом правого винта: если винт с правой нарезкой

вращать от dl к r в сторону меньшего угла, то поступательное движение винта совпадет с направлением dB .

Векторное уравнение (2) в скалярной форме определяет модуль магнитной индукции

Принцип суперпозиции магнитных полей

Если магнитное поле создается несколькими проводниками с током (движущимися зарядами, магнитами и т.п.), то индукция результирующего магнитного поля равна сумме индукций магнитных полей, создаваемых каждым проводником в отдельности:

B рез = ∑Bi . i

Суммирование производится по правилам сложения векторов.

Магнитная индукция на оси кругового проводника с током

С помощью закона Био-Савара-Лапласа и принципа суперпозиции можно рассчитать индукцию магнитного поля, создаваемого произвольным проводни-

ком с током. Для этого проводник разбивается на элементы dl и по формуле (2) рассчитывается индукция dB поля, создаваемого каждым элементом в рассматриваемой точке пространства. Индукция B магнитного поля, создаваемого всем

4

Земля представляет собой естественный магнит, полюса которого располагаются недалеко от географических полюсов. Магнитное поле Земли подобно полю прямого магнита. Вектор магнитной индукции вблизи земной поверхности можно разложить на горизонтальную BГ и вертикальную BB со-

ставляющие: BЗемли = ВГ + ВВ .

Метод измерения модуля горизонтальной составляющей ВГ магнитного поля Земли в данной работе основан на принципе суперпозиции магнитных полей. Если магнитная стрелка (например, стрелка компаса) может свободно вращаться вокруг вертикальной оси, то под действием горизонтальной составляющей магнитного поля Земли она установится в плоскости магнитного меридиана, вдоль направленияBГ . Если около стрелки создать еще одно магнитное по-

ле, индукция B которого расположена в горизонтальной плоскости, то стрелка повернется на некоторый угол α и установится по направлению результирующей индукции обоих полей. Зная B и измерив угол α , можно определить BГ .

Общий вид установки, называемой тангенс-гальванометром, показан на рис. 4, электрическая схема приведена на рис. 5. В центре круговых проводников (витков) 1 расположен компас 2, который можно перемещать вдоль оси витков. Источник тока ε находится в корпусе 3, на лицевой панели которого расположены: ключ К (сеть); ручка потенциометра R, позволяющего регулировать силу тока в круговом проводнике; миллиамперметр mA, измеряющий силу тока в проводнике; переключатель П, с помощью которого можно изменять направление тока в круговом проводнике тангенс-гальванометра.

Перед началом измерений магнитная стрелка компаса устанавливается в плоскости круговых витков в центре (рис. 6). При этом в отсутствие тока в витках магнитная стрелка будет показывать направление горизонтальной составляющей BГ индукции магнитного поля Земли.

Если включить ток в круговом проводнике, то вектор индукции B созданного им поля будет перпендикулярен BГ . Магнитная стрелка тангенс-

гальванометра повернется на некоторый угол α и установится в направлении индукции результирующего поля (рис. 6 и рис. 7). Тангенс угла α отклонения магнитной стрелки определяется по формуле

6

4. Измените направление тока, переключив переключатель П в другое крайнее положение. Определите угол α2 нового отклонения стрелки. Измене-

ние направления тока позволяет избавиться от ошибки, вызванной неточным совпадением плоскости витков с плоскостью магнитного меридиана.

Результаты измерений занесите в табл. 1.

1

2

3

4

5

Среднее значение α вычислите по формуле

α = α1 +2α2 .

5.Измерения, указанные в пунктах 3 и 4, проведите еще при четырех различных значениях силы тока в интервале от 0,1 до 0, 5 А.

6.Для каждого значения силы тока по формуле (8) рассчитайте горизонтальную составляющую BГ индукции магнитного поля Земли. В формулу под-

ставляйте среднее значение α . Радиус кругового проводника R = 0,14 м; число витков N указано на установке. Магнитную проницаемость μ воздуха можно приближенно считать равной единице.

7. Рассчитайте среднее значение горизонтальной составляющей BГ ин-

где α – абсолютная погрешность угла α, выраженная в радианах (чтобы пере-

вести угол α в радианы необходимо его значение в градусах умножить на π и разделить на 180).

9.Напишите вывод, в котором

–сравните измеренное значение BГ с табличным значением;

–напишите полученный доверительный интервал для величины BГ;

7

–укажите, измерение какой из величин внесло основной вклад в погрешность величины BГ.

Изучение зависимости магнитной индукции от силы тока в проводнике

10. Для выполнения этого задания проделайте пункты с 1 по 5. Результаты измерений занесите в табл. 2.

1

2

3

4

5

11. Используя табличное значение величины BГтабл = 2 10−5 Тл, для ка-

ждого значения силы тока по формуле (7) рассчитайте экспериментальное значение индукции Вэксп магнитного поля, создаваемого витками. В формулу подставляйте среднее значение α . Результаты занесите в табл. 2.

12. Для каждого значения силы тока по формуле

рассчитайте теоретическое значение индукции магнитного поля, создаваемого витками. Радиус кругового проводника R = 0,14 м; число витков N указано на установке. Магнитную проницаемость μ воздуха можно приближенно считать равной единице. Результаты занесите в табл. 2.

13.Начертите систему координат: ось абсцисс – сила тока I в витках, ось ординат – магнитная индукция В, где постройте зависимость Вэксп от силы тока I

ввитках. Полученные экспериментальные точки линией не соединяйте.

14.На этом же графике изобразите зависимость Втеор от I, проведя через точки Втеор прямую линию.

15.Оцените степень совпадения полученных экспериментальной и теоретической зависимостей B(I). Назовите возможные причины их несовпадения.

16.Напишите вывод, в котором укажите

–подтверждает ли эксперимент линейную зависимость B(I);

–совпадают ли экспериментальные значения индукции магнитного поля, создаваемого витками, с теоретическими; укажите возможные причины несовпадения.

17.Компас тангенс-гальванометра может перемещаться перпендикулярно плоскости витков. Измерив углы α отклонения магнитной стрелки для различных расстояний h от центра витков при неизменной силе тока I в витках и зная величину BГ , можно проверить справедливость теоретической формулы (6).