5. Измерения

Принципиальная схема установки приведена на рис. 9.6.

Рис. 9.6. Схема установки для изучения поля соленоида.

Установка включает в себя следующие блоки: источник питания соленоида, блок ФПЭ-04 с соленоидом и датчиком Холла на штоке, измеритель магнитной индукции Ш1-8, цифровой вольтметр В7-40. Для измерения положения датчика внутри соленоида на боковой грани штока нанесена шкала.

При подготовке установки к работе включить источник питания, прибор Ш1-8 и цифровой вольтметр в сеть 220 В. Шток с датчиком установить в центр соленоида. Центру соответствует нулевое деление на шкале штока. Датчик Холла установлен на торце штока. С противоположной стороны кассеты до соприкосновения со штоком вставить щуп прибора Ш1-8. Тогда оба датчика Холла будут находиться в центре соленоида. Ток соленоида I_с (А) измеряется по прибору на источнике питания, координата z указывающая положение датчика Холла устанавливается по шкале на штоке датчика.

Порядок работы с прибором Ш1-8. До начала измерений переключатель «Грубо-Точно» установить в положение «Грубо». Включить прибор тумблером «Сеть». Переключая ручки «Индукция поля» на передней панели прибора установить стрелку прибора на ноль. Если это не удается сделать, переключить тумблер «N-S». Для повышения точности измерения переключить тумблер «Грубо-Точно» в положение «Точно». Добиться ручками «Индукция поля» нулевых показаний прибора. В этом случае цифры над переключателями указывают значение поля в теслах.

При расчете поля соленоида следует воспользоваться следующими значениями. Радиус соленоида R = 2.3 см. Длина L = 16.8 см. Полное число витков N = 1700, соответственно

n=N/L = 10120 м^-1, ₀=1.257 10^-6 Гн/м.

Задание 1

Определение зависимости магнитной индукции в центре соленоида от силы тока

1. Установить датчик Холла прибора Ш1-8 в центр соленоида. Включить в сеть источник питания и прибор Ш1-8. Установить с помощью источника питания ток в соленоиде ток 0.5 А и измерить индукцию поля.

2. Увеличивая силу тока соленоида через 0.5 А до максимального значения, провести измерения магнитного поля. Данные занести в таблицу 1.

3. По данным таблицы 1 построить график зависимости индукции поля от тока в соленоиде В = f(I_c).

Таблица 1

Ток Ic, А
Индукция В, Тл

Задание 2

Исследование зависимости индукции магнитного поля от координаты z

(z– координата на оси соленоида отсчитываемая от центра).

1. Установите силу тока в соленоиде в диапазоне 0.5 - 1 А.

2. Перемещая щуп с датчиком вдоль оси соленоида измерить зависимость индукции в соленоиде с интервалом z = 1 см. Измерения проводить от центра до внешней панели кассеты (от точкиАдо точкиБрис. 9.6). Результаты измерения занести в таблицу 2.

3. Повторить измерения при другом значении тока около его максимальной величины.

4. По формулам (9.12 – 9.14) рассчитать теоретические зависимости поля в соленоиде от координаты zпри двух значениях токов.

5. Для одного из измеренных значений Врассчитайте абсолютное и относительное отклонение теоретического значения поля от экспериментальногоВиВ/В.

6. Построить теоретические и экспериментальные графики зависимости магнитного поля от координаты z.

Таблица 2

Ток Ic, A	Положение датчика z, см	- 7	- 8
0.8	Индукция Тл	**	**
	Индукция Тл	**	**

Задание 3.

Изучение эффекта Холла.

1. Установить шток и щуп в центр соленоида. Установите ток 0.5 А и измерьте значение поля. По цифровому вольтметру измерьте ЭДС Холла.

2. Увеличивая силу тока в соленоиде через 0.5 А до максимального, повторите указанные выше измерения. Полученные результаты занесите в таблицу 3.

3. По формуле (9.23) вычислите значение постоянной Холла для каждого измерения. Считать, что толщина датчика h_д= 0.1 мм.

4. По данным табл. 3 постройте графики зависимости В=f(I_c),и_х = f(I_c).

5. По данным всех измерений найдите среднее значение постоянной Холла. Предполагая, что носителями тока являются электроны q = 1.6 10^-19 Кл вычислить их концентрациюn₀в данном материале. Сравнить полученный результат с условным графиком(Рис. 9.5). Сделать вывод о том, к какому классу проводников тока относится материал, из которого изготовлен данный датчик Холла.

Таблица 3

Ток соленоида Ic, А	Индукция поля В, Тл	ЭДС Холла х, В	Постоянная Холла Rx В м/(Тл А)

Контрольные вопросы

1. Пользуясь законом Био-Савара-Лапласа, дайте вывод формулы для индукции магнитного поля на оси кругового витка с током и соленоида.

2. Эффект Холла и способ измерения магнитного поля на его основе.

3. Докажите, что индукция магнитного поля на торце полубесконечного соленоида вдвое меньше, чем в бесконечном соленоиде.

Решить задачу.Пользуясь данными рис. 9.5 и выражениями 9.23 вычислить величину ЭДС Холла для меди и для германия. ЕслиI_д= 0.1 А,h_д= 0.2 мм, В = 0.02 Т.

Литература

1. Матвеев А. Н. Электричество и магнетизм. – М.: Высш. школа, 1983.- 463 с. §10 С.66-72, § 31. С.228-230.

2. Савельев И. В. Kypc общей физики: В 3-х т.— М.: Наука 1988. - 492с. Глава 6, §79, С.233-232.

1 Ж. Био и Ф. Савар открыли этот закон в 1820 г., который был обобщен П. Лапласом.

2 Х. Лоренц (нидерл. физ.) (1880-1892) обобщил уравнения Максвелла на поля микрочастиц.

3 А. Ампер (фран. физ.) открыл этот закон в 1820 г.

4 Э. Холл (амер. физ.) открыл это эффект в 1879 г.

130