Лабораторные / (№2-03)
.pdf
11
В данной работе моделируется магнитное поле прямого тока с использованием рамки с током: т.к. длина вертикальной стороны рамки много больше расстояний до точек, в которых ведется измерение величины В, то можно её(сторону)
считать бесконечно длинным прямым проводником с током.
4. Порядок выполнения работы.
1. При проведении работы необходимо соблюдать правила техники безопасности
(смотри пункт 3 библиографического списка в конце данной работы).
Категорически запрещается самостоятельное включение электроприборов в измерительной установке.
Источник питания подключить к трансформатору. К выходным клеммам трансформатора закрепить исследуемый проводник. Датчик Холла (далее называемый щупом) закрепляется горизонтально в штативе, на измерительной горизонтальной линейке, т.е. перпендикулярно плоскости рамки.
2. Рассчитать сопротивление проводника по формуле R = ρ × l , где ρ - удельное
S
сопротивление проводника, l − длина проводника, S − площадь поперечного сечения
проводника равная π d 2 (значения ρ, l, d заданы в таблице 2). 4
3. Подать на трансформатор напряжение, которое фиксируется по мультиметру Uпр .
На рамке будет напряжение U, которое рассчитывается с учетом коэффициента
трансформации k = |
N2 |
, где N |
2 |
и |
N - количество витков вторичной и первичной |
||||
|
|||||||||
|
N1 |
|
1 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||
обмотках трансформатора ( N2 = 6 витков, N1 =140 витков). U = k ×Uпр |
|
||||||||
4. Рассчитать значение силы тока в рамке по закону Ома I = |
U |
|
(14). |
||||||
R |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
5. Зафиксировать положение щупа на расстоянии 5мм перед левым проводником рамки. Переместить щуп к правой стороне рамки и убедиться, что расстояние 5мм сохраняется (как и у левого проводника).
Поместить щуп влево на расстояние 6см от левого проводника. Перемещая щуп далее по горизонтальной линейке (с шагом 1см) в сторону проводника, записать значения B
по тесламетру.
12
6. Перемещать щуп далее от левого проводника в сторону правого (с шагом
3см) т.е. пройдя всю плоскость рамки, записать величину B по теслометру.
Записать значения B при перемещении щупа от правого проводника вправо до расстояния 6см с шагом 1см.
7. Зафиксировать положение щупа на расстоянии 1см слева у левого проводника.
Записать величину B . Изменяя величину напряжения на рамке и рассчитав по формуле
(14) значение тока в рамке, |
получить зависимость величины |
B = f (I ) , при |
||||
фиксированном расстоянии щупа от рамки. |
|
|
|
|||
8. Полученные данные занести в таблицы 1, 2 и 3. |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
Таблица 1. |
|
|
|
Характеристики измерительных приборов. |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
Наименование |
|
Пределы |
Точность |
|
|
|
прибора |
|
измерений |
прибора |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2. |
|
|
|
|
Данные образцов. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Удельное |
Сопротивлен |
|
Номер |
Длина |
Диаметр |
сопротивле |
|
|
образца |
образца |
ние |
ие образца |
|
|
образца |
|
||||
|
|
||||
(м) |
(м) |
материала |
R ( Ом ) |
|
|
|
|
||||
|
|
|
( Ом× м ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
13
Таблица 3.
Результаты измерений.
|
Расстояние |
|
|
|
|
Сила тока на |
|
|
Значения B по |
|
|
Напряжение на |
образце |
||
№ |
щупа по |
Напряжение |
|||||
тесламетру |
образце |
|
|||||
п/п |
линейке( r ) |
Uпр |
(В) |
( мА) |
|||
( mTл ). |
U (В) |
||||||
|
|
||||||
|
см |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
… |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
… |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
… |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Примечание: содержание и форма таблицы должны соответствовать измерениям,
проводимым согласно индивидуальному заданию.
5. Обработка результатов эксперимента.
1.Рассчитать величину сопротивления образца по п.2 раздела 3.
2.Рассчитать величину тока в образце по формуле (14).
3.Построить график зависимости величины магнитной индукции поля от величины обратной расстоянию на участке перемещения щупа из крайнего положения (6см от левого проводника) до левого проводника согласно измерениям п. 5 раздела3.
14
B,
Тл
1 −1
, см
r
4. Построить график зависимости величины магнитной индукции B от r по измерениям
п.6 раздела 3.
B ,
mТл
левый |
правый |
r, см |
проводник |
проводник |
|
5.Построить график зависимости величины магнитной индукции от величины тока.
B,
Tл
I, А
15
6. Для значений тока и расстояний, которые были установлены при
измерениях по п.5 раздела 3, рассчитать величину B по формуле (6).
Сравнить расчетные данные с показаниями, полученными по тесламетру при измерениях п.5 раздела 3.
6. Определить погрешность значения магнитной индукции, полученного по формуле (6).
Так как значение B - косвенное измерение, то абсолютная погрешность определяется методом частных производных B по переменным I и r :
|
¶B = |
|
μ0 |
; |
¶B = |
|
μ0 I |
|
. |
1 |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
r 2 |
|||||||||
|
¶I 2πr |
¶r |
|
|
2π |
|
|
|||||
|
DB = ¶B DI + |
¶B Dr . |
||||||||||
|
|
|
¶I |
|
¶r |
|
|
|
|
|||
Величина I определяется через частные производные и равна: |
||||||||||||
DI = DU + |
DR ×U |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
R |
R2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Величина r − цена наименьшего деления линейки.
7.Рассчитать относительную погрешность измерения:
δ= DB ×100% .
Bmax
Так как величина B изменяется не линейно, то для расчета выбирается значение
Bmax .
8.Окончательный результат для выбранного значения B записать в виде:
B = Bmax ± DB .
6. Библиографический список.
a) основная
1.Савельев И.В. Курс общей физики. Т.3. М.: Астрель.АСТ. 2006-с.76-90.
2.Капуткин Д.Е., Шустиков А.Г. Физика. Обработка результатов измерений при выполнении лабораторных работ (№805). М.:МИСиС. «Учеба». 2007.
δ ) дополнительная
1.Калашников С.Г. Электричество. М.: Наука. 1992.- 173с.
16
2. Батурин Б.Н. Правила электробезопасности при выполнении лабораторных
работ. Учебное пособие. М.: МИСиС. 1995.-38с.
7.Контрольные вопросы.
1.Чему равна величина магнитной индукции для кругового тока (вывести)?
2.В чем заключается смысл принципа суперпозиции полей (пояснить графическим построением)?
3.Какова формулировка теоремы о циркуляции магнитного поля и когда она применяется?
4.Каковы причины возникновения магнитных полей?
5.Каково правило определения направления вектора магнитной индукции?
6.Какие существуют характеристики магнитных полей?. Раскрыть их физический смысл.
Как связаны между собой характеристики магнитного поля. Физический смысл магнитной
проницаемости среды.
7. Задача.
На медный проводник длиной 0,5м и массой 50г подано напряжение 10В. Определить
величину магнитной индукции в точке, лежащей на перпендикуляре, расстоянии 5см от
проводника, если удельная плотность меди – 8,8 ×103 |
кг |
и удельное сопротивление |
|
||
3 |
|
|
|
м |
|
1, 7 ×10−8 Ом× м . |
|
|
8. Индивидуальные задания.
Задание 1.
1. Закрепить образец 1 между клеммами трансформатора. Установить величину напряжения на мультиметре 3В (Uпр ). Рассчитать напряжение (U ) на рамке по формуле,
учитывающей коэффициент трансформации.
2. Выполнить задание п.5 раздела 3. Расстояние по горизонтальной линейке изменять с шагом 1см. Повторить измерения при напряжениях 4 и 5В. Построить графики
значений B = f (r ) для трёх значений напряжений.
3. Установить напряжение по мультиметру 5В. Выполнить задание п.6 раздела 3 и построить график зависимости полученных значений B = f (r ) . Пояснить вид полученных графиков.
17
Задание 2.
1. Закрепить образец 1 между клеммами трансформатора.
Установить величину напряжения на мультиметре 5В (Uпр ). Рассчитать напряжение (U ) на рамке по формуле, учитывающей коэффициент трансформации.
2.Рассчитать ток в рамке па закону Ома (16). Провести измерения согласно п.7 раздела 3. Изменяя напряжение по мультиметру в пределах от 1 до 5В через один вольт,
рассчитать для каждого значения напряжения величину тока I,mA. Построить график зависимости B = f (I ) .
3.Пояснить физический смысл вектора магнитной индукции.
Задание 3.
1. Закрепить образец 2 между клеммами трансформатора.
Установить величину напряжения на мультиметре 2В (Uпр ). Рассчитать напряжение (U ) на рамке по формуле, учитывающей коэффициент трансформации.
2. Щуп установить на расстоянии 3см влево от левого проводника. Выполнить задание п.5 раздела 3. Расстояние по горизонтальной линейке изменять с шагом 5мм. Повторить измерения при напряжениях 3 и 4В. Построить графики значений B = f (r ) для трёх значений напряжений.
3. Установить напряжение по мультиметру 3В. Выполнить задание п.6 раздела 3. Расстояние по горизонтальной линейке изменять с шагом 5мм. Построить график зависимости полученных значений B = f (r ) . Пояснить вид полученных графиков.
Задание 4.
1. Закрепить образец 2 между клеммами трансформатора.
Установить величину напряжения на мультиметре 1В (Uпр ). Рассчитать напряжение (U ) на рамке по формуле U = k ×Uпр , учитывающей коэффициент трансформации.
2.Рассчитать ток в рамке па закону Ома (16). Провести измерения согласно п.7 раздела 3. Изменяя напряжение по мультиметру в пределах от 1 до 4В через один вольт,
рассчитать для каждого значения напряжения величину тока I, mA.Построить график зависимости B = f (I ) .
3.Перечислить свойства магнитных полей.