Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет электричество и магнетизм 2

Методические указания

к лабораторным работам по физике

для студентов всех специальностей

Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета

Саратов 2006

ВВЕДЕНИЕ

Настоящие методические указания представляют описание шести лабораторных работ физического практикума по разделу «Электричество и магнетизм»:

1) «Изучение явления взаимной индукции»;

2) «Ток в вакууме»;

3) «Изучение процессов заряда и разряда конденсатора»;

4) «Изучение электрических процессов в простых линейных цепях при действии гармонической электродвижущей силы»;

5) «Исследование затухающих колебаний в колебательном контуре»;

6) «Изучение электрических свойств сегнетоэлектриков»;

Во всех работах приведены основные теоретические положения по теме исследования. Однако более глубокое понимание изучаемого явления невозможно без самостоятельной работы студентов с использованием дополнительной рекомендуемой литературы. В полной мере это относится к выбору методов расчета погрешностей. Приведенные в данном издании методики носят рекомендательный, а отнюдь не обязательный характер. Каждый студент либо самостоятельно, либо консультируясь с преподавателем, может предложить иной способ подсчета погрешностей, используя приложение и рекомендованную литературу.

Лабораторная работа 1

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ВЗАИМНОЙ ИНДУКЦИИ

Цель работы: исследование взаимной индукции двух коаксиально расположенных катушек, измерение коэффициентов взаимной индукции катушек в зависимости от их взаимного расположения при различных значениях амплитуды и частоты входного сигнала.

Основные теоретические положения

Потоком магнитной индукции через поверхность называется величина:

. (1.1)

В системе единиц СИ магнитный поток измеряется в веберах (=).

При изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную проводящим контуром, в нем возникает электродвижущая сила электромагнитной индукции, равная скорости изменения магнитного потока:

. (1.2)

Знак «минус» в (1.2) отражает правило Ленца, согласно которому возникшая в контуре вызывает ток такого направления, что магнитное поле этого тока препятствует изменению магнитного потока.

Если магнитное поле вызвано током , протекающим по какому-либо контуру, то магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром, пропорционален току, т.е.

. (1.3)

где индуктивность (коэффициент самоиндукции) контура. Величиназависит от геометрических свойств (формы и размеров) контура и магнитных свойств (магнитной проницаемости) окружающей среды. В системе СИ индуктивность измеряется в генри ().

Если магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, меняется вследствие изменения тока, протекающего по этому контуру, то в контуре возникает , которую называют электродвижущей силой самоиндукции:

. (1.4)

Если в непосредственной близости находится два или более контуров, то при изменении силы тока в одном из них возникает переменный магнитный поток, пронизывающий все остальные контуры, а следовательно, возникают и электродвижущие силы, определяемые соотношением:

, (1.5)

гдеток в контуре с номером;электродвижущая сила в контуре с номером;взаимная индуктивность контуров. Данное явление называют взаимной индукцией, а контурыисвязанными.

В отсутствие ферромагнетиков имеет место равенство:

. (1.6)

Величина коэффициентов зависит от взаимного расположения контуров, их формы и размеров, а также магнитной проницаемости окружающей контуры среды. Измеряетсяв тех же единицах, что и индуктивность.

В качестве примера рассмотрим вычисление взаимной индуктивности двух катушек, намотанных на общий тороидальный железный сердечник (рис.1.1).

П

Рис.1.1. Катушки

на тороидальном сердечнике

редположим, что катушки имеюти витков. По первой катушке течет ток . Тогда созданное им магнитное поле сосредоточено внутри сердечника и определяется по теореме о циркуляции:

, (1.7)

где длина сердечника. Магнитный поток через поперечное сечение сердечника

. (1.8)

Полный поток через вторую катушку

(1.9)

Таким образом, находим:

. (1.10)