lab_em1112b / (№2-06)
.pdf
Рис. 10. Общий вид экспериментальной установки.
Рамка с током 1 помещена в магнитное поле, создаваемое катушками Гельмгольца 2,
взаимное расположение и подключение которых наилучшим образом обеспечивает однородность поля между ними. Питание катушек и рамки осуществляется блоками питания 3
и 4 и контролируется универсальными измерительными приборами – мультиметрами 5 и 6.
Необходимый ток в катушках Гельмгольца устанавливается с помощью переключателя
«POWER» (а), ручки установки напряжения (б) и ручки установки тока (в) на блоке питания 3.
Ток рамки устанавливается с помощью ручки (г) блока питания 4. Вращающий момент сил,
действующих на рамку с током, определяется с помощью крутильных весов 7, закрепленных на штативе. «Нулевое» положение крутильных весов следует контролировать перед каждым измерением. При отсутствии вращающего момента, «0» указателя по шкале прибора должен соответствовать положению верхней стороны квадратного проволочного подвеса 8 вдоль установочной линейки 9, что можно откорректировать винтом 10.
При прохождении тока через рамку, под действием магнитного поля, она повернется,
закрутив пружину весов. Чтобы определить закручивающий момент, надо вернуть рамку в начальное положение с помощью винта 11. При этом стрелка винта покажет на круговой шкале 12 величину момента вращающей силы, действующей на рамку с током (цена деления
11
шкалы - 0,05H × м). Рамка прикрепляется к подвесу с помощью поворотного устройства с прорезями 13, обеспечивающего положение рамки под различными углами положительной нормали по отношению к направлению магнитного поля катушек Гельмгольца. Для расчета
теоретического момента M |
теор используется постоянная c |
установки: c = 6,4 |
|
H |
|
||||||||
|
A2 × м |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
Таблица 1. Технические данные приборов. |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
№№ |
Название |
|
Пределы |
Число |
|
|
|
Класс |
|
Абсолютная |
||
|
|
|
Цена |
|
|
приборная |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
п./п. |
прибора |
|
измерений |
делений |
|
деления |
точности |
|
погрешность |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4. Порядок выполнения работы
При выполнении работы необходимо строго соблюдать правила техники безопасности и охраны труда, установленные на рабочем месте студента в лаборатории. Работу следует проводить в строгом соответствии с нижеизложенным порядком выполнения и в объеме,
предусмотренном в индивидуальном задании. Кроме того, следует помнить, что замена измерительных рамок (в индивидуальных заданиях 3 и 4) должна проводиться только при отключенном питании электроустановки.
4.1.Соберите установку, как показано на рис.10. Цепь катушек Гельмгольца включает
всебя: источник питания 3, мультиметр 5 и катушки Гельмгольца 2. Цепь рамки состоит из источника питания 4, мультиметра 6 и рамки 1.
4.2.Рамку 1 с тремя витками ( m = 3 ) присоедините к крутильным весам 7 и
расположите в однородном поле во внутренней области между катушками Гельмгольца так,
чтобы нормаль к рамке была перпендикулярна к оси катушек Гельмгольца.
4.3.Установите нулевое положение стрелки по шкале 12 крутильных весов 4. Для этого с помощью винта 10 расположите верхнюю горизонтальную сторону квадрата подвеса над белыми «прорезями» установочной линейки 9.
4.4.Включите блок питания 3 с помощью клавиши на задней панели прибора.
Установите ток катушек Гельмгольца I = 1А. Для этого перемычкой (а) переключателя
«POWER» соедините центр с отметкой «8». Ручкой (б) установите U = 17,5B , ручкой (в) -
12
I = 1А. Величину тока проконтролируйте мультиметром 5 (на мультиметре должен быть поставлен диапазон измерения 20 A ).
4.5. Включите блок питания 4, ручкой (г) установите ток рамки I p = 1,5А. Величину тока проконтролируйте мультиметром 6 (диапазон измерения следует поставить 20 A ).
4.6.Измерьте закручивающий момент сил, действующий на рамку с током в магнитном поле. Для этого поверните винт 11 до возвращения квадрата подвески 8 (и вместе с ним рамки с током) в положение «над прорезями» установочной линейки 9. Определите величину момента сил по шкале крутильных весов 12. Результат измерения запишите в таблицу 2.
4.7.Измерьте диаметр d рамки с током.
4.8.Повторите измерения (п.п. 4.2 – 4.7) при токах катушек Гельмгольца 1А; 1,2А; 1,4А; 1,6А; 1,8А; 2А; 2,2А; 2,4А; 2,6А; 2,8А. Результаты измерений запишите в таблицу 2.
Таблица 2. Измерения вращающего момента при различных токах в катушках Гельмгольца.
|
I p |
= 1,5А; α = π / 2 ; m = 3 ; d = 12см |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
№ измерений |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Величина |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ток катушек Гельмгольца
I , A
Момент сил
M , H × м
Расчетный момент
сил
M теор , H × м
4.9. Установите ток катушек I = 1,5А. Проведите измерения вращающего момента
при токах в рамке 1А; 1,5А; 2А; 2,5А; 3А. Результаты измерений занесите в таблицу 3.
13
Таблица 3. Измерения вращающего момента при различных токах в рамке.
I= 1,5А; α = π / 2 ; m = 3 ; d = 12см
№измерений
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
Величина
Ток рамки
I p , A |
1 |
1,5 |
2 |
2,5 |
3 |
Момент сил
M , H × м
Расчетный момент сил
M теор , H × м
4.10. При выключенном источнике питания установите рамку с одним витком ( m = 1 ),
диаметром d = 12см . Проведите |
измерения вращающего |
момента |
магнитного поля при |
I = 1,5А; I p = 1,5А; α = π / 2 . |
Эксперимент повторите 3 раза. |
Результаты занесите в |
|
таблицу 4. |
|
|
|
4.11. Повторите эксперимент (п. 4.10) с рамками |
m = 2 |
и m = 3 . Результаты |
|
измерений также занесите в таблицу 4. |
|
|
|
Таблица 4. Измерения вращающего момента, действующего на рамки с различным числом витков.
|
I = 1,5А; I p |
= 1,5А; α = π / 2 ; d = 12см |
|
||
|
|
|
|
|
|
Число витков |
|
|
|
|
|
Величина |
|
1 |
2 |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
опыт 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
14
Показание весов |
опыт 2 |
|
|
|
M , H × м |
|
опыт 3 |
|
|
Средний момент сил |
|
|
||
M , |
H × м |
|
|
|
Расчетный момент сил |
|
|
||
M теор |
, H × м |
|
|
|
4.12. При выключенном источнике питания установите рамку с одним витком ( m = 1 ). |
||||
Проведите измерения вращающего момента магнитного поля, действующего на рамку |
||||
диаметром 6 см. Повторите эксперимент 3 раза. Результаты измерений занесите в таблицу 5. |
||||
4.13 Повторите измерения (п. 4.12) с рамками диаметром 8,5 и 12 см. Результаты |
||||
измерений также занесите в таблицу 5. |
|
|
||
Таблица 5. Измерения вращающего момента, действующего на рамки с различным диаметром. |
||||
|
|
I = 1,5А; I p |
= 1,5А; α = π / 2 ; m = 1 |
|
Диаметр витка, см |
|
|
||
Величина |
|
6 |
8,5 |
12 |
|
|
опыт 1 |
|
|
Показание весов |
|
опыт 2 |
|
|
M , H × м |
|
опыт 3 |
|
|
|
|
|
|
|
Средний момент сил |
|
|
||
M , H × м |
|
|
|
|
Расчетный момент сил |
|
|
||
M теор , H × м |
|
|
||
|
|
|
|
15 |
|
5. |
Обработка результатов эксперимента |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
5.1. Рассчитайте теоретическое значение вращающего момента для каждого случая по |
|||||||||||||||
формуле: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
M = c × I × m × I p |
× π d 2 ×sin α , |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
||
где c - |
постоянная установки ( c = 6,4 |
Н |
|
), I - ток катушек Гельмгольца, m - число |
||||||||||||
А2 × м |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
витков, |
I p |
- величина тока в рамке, d - диаметр рамки. |
|
|
|
|
||||||||||
Результаты расчетов занесите в таблицы 2, 3, 4, 5 (согласно индивидуальному заданию). |
||||||||||||||||
|
5.2. Оцените погрешность расчетного значения |
M теор |
для одного измерения M : |
|||||||||||||
|
|
ε = |
|
M теор |
|
= |
I |
+ |
|
I р |
+ |
2 d |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
M теор |
|
|
I |
|
|
I р |
|
d |
||||
|
|
|
M теор = |
|
теор ± |
M теор |
||||||||||
|
|
|
M |
|||||||||||||
5.3. |
Постройте графики зависимости M = f (I ) ; M = f (I p ) ; M = f (m) или |
M = f (d ) |
в удобном масштабе согласно индивидуальному заданию. |
5.4.Оцените абсолютную погрешность измерения вращающего момента DM :
-для индивидуальных заданий 1 и 2 M = δ (половине цены деления крутильных весов);
- для заданий 3 и 4 M = M + δ , где DM = ε × М- абсолютная погрешность измерения М.
5.5. Окончательный результат запишите в виде:
M = M ± M .
5.6. Сравните экспериментальные и теоретические значения вращательного момента.
Сделайте выводы.
6. Библиографический список
16
а) основной:
1.Савельев И. В. Курс физики. Т.2. М.: Наука. 1989. – 464 с.
2.Батурин Б.Н. Правила электробезопасности при выполнении лабораторных работ.
Учебное пособие. М.: МИСиС. 1995. – 38 с.
б) дополнительный:
3.Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т. 3. М.: Наука. 1983. – 687 с.
4.Калашников С.Г. Электричество. М.: Наука 1985. – 575 с.
7. Контрольные вопросы
R
1.Что такое магнитная индукция? Как определяется направление вектора B ? Что такое линии магнитной индукции?
2.Что такое дипольный магнитный момент контура?
3.В чем заключается закон Био-Савара-Лапласа? Какова магнитная индукция
V
поля, создаваемого элементом тока Idl ?
4.Какова магнитная индукция поля на оси кругового витка с током в его центре
ина расстоянии r от центра? Как выглядят линии магнитной индукции поля витка с током?
5.Какие силы действуют на контур с током в однородном магнитном поле? Как рассчитать величину вращающего момента этих сил?
8. Индивидуальные задания
Задание 1
1. Проведите измерения вращающего момента, действующего на рамку с током в однородном магнитном поле катушек Гельмгольца при различных значениях тока катушек.
2. Постройте график зависимости вращающего момента от тока катушек Гельмгольца
M= f (I ) .
3.Рассчитайте M теор при разных I . Объясните результат.
Задание 2
17
1.Проведите измерения вращающего момента, действующего на рамку с током в однородном магнитном поле катушек Гельмгольца при различных значениях тока в рамке I p .
2.Постройте график зависимости вращающего момента от тока в рамке M = f (I p ) .
3.Рассчитайте M теор при различных I p . Объясните результат.
Задание 3
1. Проведите измерения вращающего момента, действующего на рамки с током с различным количеством витков в однородном магнитном поле катушек Гельмгольца.
2. Постройте график зависимости вращающего момента от числа витков рамки M = f (m) .
3. Рассчитайте M теор при разных m . Объясните результат.
Задание 4
1.Проведите измерения вращающего момента, действующего на рамки с током разной площади в однородном магнитном поле катушек Гельмгольца.
2.Постройте график зависимости вращающего момента от диаметра рамок M = f (d ) .
3.Рассчитайте M теор при разных d . Объясните результат.
18