физика лаб / 2сем / LR13_9492_Avdashkova_Anna

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра физики

отчет

по лабораторной работе №13

по дисциплине «Физика»

Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ МАГНИТНОГО ПОЛЯ (закон полного тока)

Студент гр. 9491		Ярошук В.А.
Преподаватель		Миронова Д. В.

Санкт-Петербург

2020

Цель работы: Исследование магнитного поля, созданного круговым током, наблюдение вихревого характера магнитного поля, экспериментальное подтверждение закона полного тока.

Приборы и принадлежности:

Л абораторный макет установки для исследования магнитного поля кругового тока (рис. 1). В работе используется планшет (1), с нанесенной на него координатной сеткой. На планшете установлено кольцо (2), внутри которого медным проводом намотана катушка.Кольцевая катушка (2) подключена к генератору (3), индукция магнитного поля, созданного током, протекающим в катушке (2), измеряется в разных точках планшета катушкой-датчиком (4), подключенной к измерительной схеме (5). В процессе измерения исследователь поворачивает датчик (4) в горизонтальной плоскости, добиваясь максимальных показаний вольтметра измерительной схемы. На корпусе датчика (4) нанесена стрелка, направление которой совпадает с осью катушки. Помещая датчик в различные точки планшета, и, измеряя индукцию магнитного поля в данной точке, можно построить картину исследуемого поля.

Исследуемые закономерности

Магнитное поле кругового тока. Индукция магнитного поля, создаваемого током, протекающим в проводнике произвольной формы, в общем случае, может быть рассчитана с помощью закона Био – Савара – Лапласа:

Соответствующий расчет индукции магнитного поля на оси кругового тока (вдоль оси у на рис. 1) приводит к выражению

где R – радиус кругового тока, I – сила тока, N – число витков в катушке. Легко видеть, что магнитное поле во всей плоскости витка симметрично относительно оси кругового тока, следовательно, везде в плоскости кругового тока вектор индукции поля перпендикулярен плоскости витка (также направлен вдоль оси у).

Напряженность магнитного поля.

Циркуляция вектора напряженности. В магнитнооднородной среде магнитное поле удобно описывать вектором напряженности магнитного поля

Фундаментальным свойством магнитного поля является конечное, отличное от нуля значение циркуляции вектора напряженности поля, если через поверхность, натянутую на контур, в котором определялась циркуляция, протекают токи. Это свойство выражается соотношениями

Эти соотношения являются, по сути, формулировками закона полного тока.

Явление электромагнитной индукции.

Процесс измерения значений индукции магнитного поля основан на использовании явления электромагнитной индукции

Поскольку катушка, создающая исследуемое магнитное поле, питается переменным током частоты f, то

где S – эффективная площадь сечения катушки датчика, w – число витков катушки.

1. Запишите формулу определения индукции магнитного поля прямого тока. Нарисуйте линии индукции для этого случая.

Пусть по очень длинному, тонкому проводу, течет постоянный то I (рис.1). Рассчитаем поле, которое создает этот проводник в некоторой токе C, находящейся на расстоянии R от него.

Рисунок 1. Магнитное поле прямого тока.

По закону Био-Савара – Лапласа в точке C элемент dl с током I создает магнитное поле:

(4).

где β – угол между направлением течения тока и r.

Все элементы нашего проводника с током в точке C создают магнитные поля, направленные вдоль одной прямой, и направлены они перпендикулярно плоскости рисунка к нам. Учтем следующие простые соотношения (см. рис.1):

; ; ; sinβ=cosα (5).

Принимая во внимание формулы (5) закон (4) приведем к виду:

(6)

Применим принцип суперпозиции, для этого выражение (6) проинтегрируем, учтем, что –π/2 ≤ α ≤ π/2, получим:

8. Что такое сила Ампера? Чем объясняется возникновение этой силы? Можно ли ее связать с силой Лоренца?

Сила Ампера F_A − это сила, с которой магнитное поле действует на помещенный в него проводник с током. 

Чем объясняется возникновение этой силы?

Электрический ток в одном проводе производит магнитное поле, конфигурация силовых линий которого представляет собой концентрические круги вокруг сечения провода. Второй провод попадает в область воздействия этого магнитного поля, и в нем возникает сила, действующая на движущиеся электрические заряды. Эта сила передается атомам металла, из которого сделан провод, в результате чего провод и изгибается. 

Можно ли ее связать с силой Лоренца?

На этом рисунке проводник имеет длину  , а угол между направлениями тока и поля равен  . Мы сейчас выведем выражение для абсолютной величины силы Ампера.

На каждый свободный электрон действует сила Лоренца:

где   — скорость направленного движения свободных электронов в проводнике.

Пусть   — число свободных электронов в данном проводнике,   — их концентрация (число в единице объёма). Тогда:

где   — объём проводника,   — площадь его поперечного сечения. Получаем:

Да, силу Ампера можно связать с силой Лоренца.

ПРОТОКОЛ НАБЛЮДЕНИЙ

№

x

y

U * 10^-3

1	0	0	0,074
2	0	0,5	0,067
3	0	1	0,067
4	0	2	0,067
5	0	4	0,054
6	0	6	0,039
7	0	8	0,023
8	0	9	0,018
9	0	10	0,013
10	1	0	0,068
11	2	0	0,069
12	3	0	0,07
13	4	0	0,072
14	5	0	0,077
15	6	0	0,083
16	7	0	0, 093
17	8	0	0,104
18	9	0	0,121
19	10	0	0,154
20	11	0	0,203

http://www.physicsleti.ru/VirtualLabs/PhotoLab/PoleKruglogoToka.pdf

I_K =50 мА

f_K =1 кГц

U_K =10 В

Катушка кругового тока

r =130 мм

μ₀ =4π*10^-7

N_K =400

Катушка зонда

N_z =1900

S =0,7 см²

Обработка результатов эксперимента

1. Определение значения индукции магнитного поля в точках, где

проводились измерения.

U_max=0,074 B

= Тл

Тогда

Oy

Ox

2. Расчет значений индукции магнитного поля на оси витка

3. Расчет погрешности модулей векторов магнитной индукции

Oy

Ox

Определение случайной погрешности

В

Тл

Полная погрешность

4.Расчет магнитного момента витка с током

5. Вывод

В ходе лабораторной работы мы ознакомились с методикой измерений индукции магнитного поля, экспериментального исследования магнитного поля, созданного круговым током, приобрели навыки расчета магнитного поля с помощью закона Био-Савара-Лапласа.

Вопросы к лабораторной работе.

27) Как определяется постоянная Холла? От чего она зависит?

Постоянная Холла определяется по формуле:

где n — концентрация числа носителей, е — их заряд.

Она зависит от материала и его свойств.

24) Чему равна работа силы Лоренца при движении заряженной частицы в магнитном поле?

Поскольку магнитная сила всегда направлена перпендикулярно к скорости заряженной частицы, она работы над частицей не совершает. Следовательно, действуя на заряженную частицу постоянным магнитным полем, изменить её энергию нельзя. Работа силы Лоренца будет равна нулю.