Лабы 3-го семестра в doc / Лабораторная работа № 2

Лабораторная работа № 2.

Измерение силы, действующей на проводник с током со стороны магнитного поля.

Краткая теория.

Согласно закону Ампера на проводник с током, помещенным в магнитное поле, действует сила:

, (1)

где – ток в проводнике, - элемент длины проводника, направление которого совпадает с направлением тока, - индукция магнитного поля, при котором находиться элемент .

Направление силы определяется согласно правилу векторного произведения, а модуль по формуле:

, (2)

где φ – угол между векторами и .

Если линейный проводник поместить в однородное магнитное поле, то сила

(3)

Методика определения силы.

Магнитное поле создается постоянным магнитом подковообразной формы. Направление магнитной индукции принято считать от северного магнитного полюса N (синий цвет) к южному S (красный цвет).

В пространство между полюсами постоянного магнита помещается горизонтальная сторона рамки, подключенной к датчику силы. Через рамку пропускается ток от источника питания. В зависимости от направления тока согласно правилу векторного произведения сила будет действовать либо вверх, либо вниз. Вертикальные стороны рамки находятся в неоднородном магнитном поле, но силы, действующие на них, симметричны, направлены горизонтально и компенсируют друг друга.

В качестве датчика силы используются тензодатчики, сопротивление которых меняется под действием механического напряжения, а затем это изменение градуируется в Ньютонах.

Для измерения магнитного поля между полюсами магнита используется тесламетр Ф4354/1. Действие тесламетра основано на использовании эффекта Холла. Если полупроводниковый кристалл поместить в магнитное поле и пропускать в перпендикулярном направлении ток, то между гранями полупроводника в перпендикулярном полю и току направлении возникает, так называемая, Холловская разность потенциалов, равная:

, (4)

где R – постоянная Холла, d – размер датчика вдоль поля.

Если в магнитное поле помещен полупроводник n – типа, то основные носители заряда (электроны), движущиеся со скоростью в магнитном поле, под действием силы Лоренца , отклоняются в определенную сторону поверхности, в результате чего на ней скапливается отрицательный заряд (Рис.1).

Рис. 1.

В дырочном полупроводнике знаки зарядов на поверхностях противоположенные (Рис.2).

Рис.2.

Датчик Холла питается от источника постоянного тока, следовательно, через него проходит постоянный ток . Таким образом, измеряемое напряжение Холла пропорционально индукции B , поэтому существует возможность проградуировать измерительную шкалу непосредственно в единицах измерения индуктивности – Теслах.

Задание к работе.

1. Измерить индукцию поля между полюсами магнита с помощью датчика Холла, поместив пластинку с кристаллом (датчик тесламетра) поперек поля. Убедиться в однородности поля в пространстве между полюсами магнита.

2. Вставить одну из рамок в датчик силы, разместить под рамкой лист с лимбом, разделенным на градусы и расположить магнит так, чтобы поле было направленно перпендикулярно к плоскости рамки.

3. Подать небольшое напряжение 0.2 В на блоке питания и, постепенно увеличивая ток (не более 16 А.) измерить зависимость силы Ампера от тока. Измерить зависимость силы 4 – 5 раз при одном и том же токе и взять среднее. Построить график зависимость силы Ампера от тока и, при известной длине проводника l, рассчитать индукцию В из графика. Сравнить эту величину с измеренной при помощи тесламетра.

4. Поворачивая магнит через 30⁰ получить зависимость силы Ампера от угла поворота. Построить график.

5. Установить лимб в положение, когда сила максимальна, и при одном и том же токе (ток выбирать в промежутке от 10 до 15 А.), вставляя различные рамки, измерить зависимость силы от длины проводника. Построить график.

Обработка результатов измерений.

1. Рассчитать погрешность силы для одного из токов на графике F(i) и обозначить её на графике.

2. Рассчитать случайную погрешность силы для одной точки на графике F(l) и обозначить её на графике.

3. Обсудить результаты работы, полученный графики и сделать вывод.

3