Гурбич Лабораторныы практикум по курсу Обшчая физика раздел Електричество 2014

Работа № 6

ПОДТВЕРЖДЕНИЕ ЗАКОНА АМПЕРА

По закону Ампера на элемент проводника dl с током I со сто-

Пусть магнитное поле создается длинным линейным проводни-

ком с током I. Используя теорему о циркуляции вектора B , легко получить, что вдали от концов проводника магнитная индукция прямо пропорциональна току и обратно пропорциональна расстоянию r от оси проводника:

а ее направление показано на рисунке. Полную силу, действующую на участок провода длиной l, найдем интегрированием (6.3):

В работе взаимодействующие проводники соединены последовательно. В таком случае I1 = I2 = I, и тогда сила пропорциональна

41

квадрату тока и обратно пропорциональна расстоянию между проводниками:

Сила, действующая на единицу длины проводника, при этом равна

Приборы и оборудование

Общий вид установки для проведения опытов показан на рис. 6.2. Ток от источника протекает последовательно через два параллельных проводника, расположенных горизонтально. Нижний проводник закреплен на регулируемой по высоте подставке, а верхний

– в датчике измерителя силы. Длина верхнего проводника составляет 300±2 мм. Нижний проводник длиннее верхнего на 4 см. Ток, протекающий через проводники, измеряется амперметром. Показания измерителя силы даются в мН. Приборная погрешность измерителя силы составляет 1%.

Рис. 6.2

Конструкция проводников такова, что при их соприкосновении расстояние между центрами проводников составляет 2 мм. Подставка, в которой закреплен нижний проводник, имеет регулируемые

42

1.Собрать/проверить электрическую схему установки согласно рис. 6.2.

2.Используя регулировочные винты в основании подставки нижнего проводника, установить проводники строго параллельно друг другу.

3.Включить блок измерителя силы. Прогреть его и установить

на 0.

4.Вращая регулировочный винт, поднять нижний проводник до соприкосновения с верхним. Момент соприкосновения можно зафиксировать по изменению показаний измерителя силы.

5.Провести отсчет по шкале подставки и занести результат в лабораторный журнал.

6.Отодвинуть нижний проводник на 2 мм (расстояние между центрами проводников будет при этом 4 мм).

7.Вывести ручки, регулирующие ток и напряжение против часовой стрелки до упора и включить блок питания.

8.Повернуть ручку, регулирующую напряжение, по часовой стрелке так, чтобы указатель на ручке был направлен горизонтально влево.

9.Увеличивая ток от 2 до 20 А с шагом 2 А записать в таблицу

влабораторном журнале значения тока и действующей на верхний проводник силы.

43

При токе более 10 А нельзя пропускать ток через проводники дольше 2 мин! После достижения значения тока 20 А сразу же уменьшить ток до 0.

10.Повторить п. 9 еще два раза.

11.Установить ток через проводники равным 15 А и провести измерение зависимости силы, действующей на верхний проводник от расстояния между осями проводников с шагом 1 мм.

12.Повторить п. 11 еще два раза.

13.Выключить приборы.

14.Найти средние значения измеренных в пп. 9–11 величин и их погрешности.

15.Построить график экспериментальной зависимости силы, действующей на единицу длины проводника, от величины тока в проводнике. Нанести на этот же график теоретическую зависи-

мость f(I) (6.6).

16.Построить график экспериментальной зависимости силы, действующей на единицу длины проводника, от расстояния между осями проводников. Нанести на этот же график теоретическую зависимость f(b) (6.6).

При сравнении теории с экспериментом следует иметь в виду, что нижний проводник всего на 4 см длиннее верхнего, и потому отличие поля на краях этого проводника от поля, создаваемого бесконечно длинным проводником, может влиять на результат. Кроме того, на результат могут влиять силы, действующие на рамку из подводящих проводов, на которой подвешен верхний проводник.

Контрольные вопросы

1.Как определена в системе СИ единица силы тока?

2.Поскольку ток в проводниках обеспечивается движением электронов, действует ли между проводниками, кроме силы Ампера, еще и сила электростатического отталкивания, обусловленная этими электронами?

3.Как изменится результат опыта, если поменять местами концы проводов, присоединенных к нижнему проводнику?

4.Как изменится результат опыта, если поменять местами провода на выходе из блока питания?

44

Работа № 7

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

По закону Фарадея электродвижущая сила индукции εi, возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока Φ через поверхность, ограниченную этим контуром:

Поток вектора магнитной индукции B через поверхность контура S определяется, как

S

где nG – нормаль к поверхности. В однородном магнитном поле, направленном вдоль нормали, интеграл (7.2) легко берется. В этом случае

Тогда изменение магнитного потока, пронизывающего контур, окажется равным

45

Подставляя (7.5) в (7.1), найдем, что при движении контура ин-

т.е. она линейно зависит от индукции магнитного поля, ширины контура и скорости его движения.

Приборы и оборудование

Общий вид установка для проведения опытов показан на рис. 7.2. Магнитное поле создается в зазоре между полюсными пластинами при помещении цилиндрических постоянных магнитов (h) в пазы основания (e). Магниты устанавливаются всегда попарно, соблюдая одинаковую полярность (торцом с красным кольцом вверх). Всего имеется 8 пар магнитов. Устанавливая от 2 до 8 пар магнитов, можно получить между полюсными пластинами различную индукцию поля, пропорциональную числу пар. Для обеспечения однородности поля магниты должны устанавливаться на основание (е) в точки с маркировкой, соответствующей числу пар.

Рис. 7.2

На подвижной каретке (d), которая может перемещаться по направляющим (c), проложены проводники, образующие два прямоугольных (500°40 мм и 500°20 мм) и один трапецеидальный контур. Контуры можно подключать поочередно к микровольтметру при помощи перемычки (g) и кабеля (f). Перемещение каретки осуществляется электродвигателем c закрепленным на его оси сту-

46

пенчатым шкивом (a) (диаметры вала 8, 16 и 32 мм), на который наматывается нить, пропущенная через направляющую (b) (рис. 7.3) и прикрепленная к каретке (d). Для обеспечения равномерной скорости движения каретки нить должна быть проложена таким образом, чтобы ее намотка на шкив происходила виток к витку без перехлестов. Чтобы избежать перегрузки двигателя и разрыва нити при достижении кареткой упора, шкив закреплен на оси двигателя при помощи муфты, проскальзывающей при больших нагрузках.

Возврат каретки в исходное положение осуществляется вручную. Во избежание перегрузки микровольтметра при движении каретки с неконтролируемой скоростью, ручное перемещение должно осуществляться нажатием на скобу (i) (рис. 7.4). При этом цепь вольтметра отключается микровыключателем, на который опирается скоба (i).

Порядок выполнения работы

Упражнение 1. Измерение ЭДС индукции в зависимости от скорости движения контура.

1.Установить в пазы основания (e) восемь пар магнитов (см.

рис. 7.2).

2.Включить микровольтметр в сеть и прогреть его в течение 10

мин.

3.Установить тумблер вольтметра V/Vs в положение V.

4.Установить переключатель «Gain» (усиление) в положение

104.

5.Подключить перемычкой (g) прямоугольный контур шириной 40 мм к входу микровольтметра.

47

6. Нажать кнопку «Auto Comp.» (автокомпенсация) на микровольтметре. Прибор должен установиться на ноль.

7. Закрепить нить на шкиве минимального диаметра, как показано на рис. 7.3.

8. Установить ручку регулировки скорости оборотов двигателя (С на рис. 7.5) в крайнее положение против часовой стрелки.

9. Установить ручку направления вращения (В на рис. 7.5) в среднее положение.

10. Включить блок управления двигателем клавишей A (см. рис. 7.5).

11. Повернуть ручку регулировки скорости оборотов двигателя С по часовой стрелке так, что-

12. Повернуть ручку направления вращения B в положение . При этом двигатель начнет вращаться, перемещая каретку. Если нить начнет разматываться, переключить ручку B в положение .

13.Наблюдая за величиной индуцируемой ЭДС по индикатору микровольтметра, ручкой С установить такую скорость вращения двигателя, чтобы ЭДС составляла ~ 50 мкВ. Для этого может понадобиться несколько попыток. Всякий раз при достижении кареткой упора двигатель следует выключать ручкой B.

14.Сохраняя положение ручки управления скоростью двигателя C неизменным, провести по три измерения ЭДС при намотке нити на каждый из шкивов, включая и выключая двигатель ручкой B. Отсчет по индикатору микровольтметра следует делать не сразу в начале движения каретки, а после ее разгона.

15.Найти средние значения ЭДС для каждой из скоростей движения каретки и их погрешности. Принять систематическую погрешность микровольтметра равной ±0,5 % плюс/минус единица младшего разряда индикатора.

16.Построить график зависимости ЭДС от отношения v/v0, где v0 – скорость каретки при намотке нити на шкив диаметром 8 мм, а

v– скорость при намотке на шкивы диаметром 8, 16 и 32 мм, т.е. v/v0 = 1, 2, 4.

48

Упражнение 2. Измерение ЭДС индукции в зависимости от величины магнитного поля.

1.Руководствуясь указаниями к упражнению 1, провести измерения ЭДС индукции при установке в пазы основания (e) последовательно 8, 6, 5, 4, 3 и 2 пар магнитов. Измерения выполнить для одной из скоростей движения каретки (по указанию преподавателя).

2.Найти средние значения ЭДС для каждого из случаев и их погрешности.

3.Построить график зависимости ЭДС индукции от числа пар магнитов.

Упражнение 3. Измерение ЭДС индукции в зависимости от площади контура.

1.Пользуясь указаниями к упражнению 1, провести три раза измерения ЭДС для одной из скоростей движения каретки (по указанию преподавателя) для контура шириной 20 мм, подключив его перемычкой (g) (см. рис. 7.2).

2.Найти среднее значение ЭДС и его погрешность.

3.Сравнить полученный результат со значением ЭДС, полученным в упражнении 1 для той же скорости движения каретки.

Контрольные вопросы

1.Как выбирается направление нормали к контуру и почему в выражении (7.1) перед производной стоит знак минус?

2.В чем состоит правило Ленца?

3.Поток вектора – это вектор или скаляр?

4.Как изменится результат опыта, если вместо того, чтобы выдвигать контур из области магнитного поля, задвигать его в эту область?

49

Работа № 8

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

Земля обладает магнитным полем (рис. 8.1), которое обнаруживается, в частности, по ориентации магнитной стрелки (магнитного диполя) вдоль силовых линий поля. Современная наука связывает наличие у Земли магнитного поля с ее вращением. В центральной части земного шара находится железоникелевое ядро, внутренняя часть которого твердая, а внешняя – жидкая. Температура ядра

превышает 5000°, т.е. значительно выше точки Кюри. При такой температуре ядро не может обладать ферромагнитными свойствами, которые могли бы, в принципе, объяснять наличие у Земли магнитного поля. Предполагается, что из-за вращения Земли вокруг собственной оси в жидком ядре возникают циркуляционные потоки. За счет трения различных слоев происходит разделение зарядов, приводящее к возникновению круговых токов. Круговой ток, как известно, создает в окружающем пространстве магнитное поле, характеризуемое магнитным моментом. Одним из аргументов в пользу такого объяснения природы земного магнетизма является отсутствие магнитного поля у Венеры, которая во многом похожа на Землю, но вращается в сотни раз медленнее Земли.

Как видно из рис. 8.1, силовые линии поля не параллельны поверхности планеты. Угол между вектором напряженности магнитного поля Земли и горизонтальной плоскостью в рассматриваемой точке земной поверхности называется магнитным наклонением. Вблизи полюсов магнитное наклонение составляет ±90°, причем знак плюс соответствует северному полюсу (силовая линия направлена вниз), а минус – южному. На магнитном экваторе магнитное наклонение равно 0°. Величина индукции магнитного поля

50