dircurrent1

Ввиду того, что конденсаторы соединены последовательно, т о заряд на конденсаторах СÕ и С будет q1, a на конденсаторах СÀ è ÑÂ заряд будет q2

q1 = q2

CX CA

(4)

Если в нашей установке СÀ = ÑÂ òî ÑÕ = Ñ.

Последняя формула используется для градуировки конденс атора переменной емкости. Если вместо С включать различные конд енсаторы известной емкости и каждый раз уравновешивать мост в ращением подвижной системы пластин конденсатора, то емкость и сследуемого конденсатора при данном положении пластин будет равна С.

В нашей лаборатории работа выполнена по следующей схеме ( рис.

2).

ÃÇ

31

Порядок выполнения работы

1. Собирают схему (рис. 2), устанавливают частоту колебаний в пределах от 100 до 1000 Гц.

2. Подсоединяют звуковой генератор. Вращением рукоятки «Р е- гул. выхода» добиваются негромкого звучания.

3. Вращением рукоятки конденсатора СÕ находят такое ее положение, при котором звук будет минимальным. Измерения повт оряются 3 раза. Записывают среднее значение N. Записывают значе ния С = СÕ.

4. Заменяют конденсатор С другим известным С1, передвижением ползунка Р в другое положение. Повторяют измерения. Все измерения проделывают для 10 известных конденсаторов.

5. Строят график зависимости Сõ = f(N), откладывая по оси у зна- чения СÕ, а по оси х — значения N.

6. Включают вместо конденсатора С конденсатор неизвестной емкости СÓ и уравновешивают мост, отмечая положение рукоятки NÓ. Из графика находят соответствующие значения СÕ. Очевидно СÓ = ÑÕ.

Принадлежности

Установка для выполнения работы: звуковой генератор, теле фон или осциллограф, конденсатор неизвестной емкости.

Контрольные вопросы

1.Что такое емкость конденсатора?

2.Почему емкость переменного конденсатора меняется при в ращении его рукоятки.

3.Как влияет число пластин на емкость конденсатора?

4.Можно ли воспользоваться данной схемой, если заменить ко н- денсаторы СÀ è ÑÂ сопротивлениями?

5.Можно ли проводить измерения, если данную схему питать постоянным током?

6.Выведите условие равновесия моста.

32

Литература

1.А.В. Тиморева, С.Э. Фриш. Курс общей физики. т. 2, изд. 1962, пар. 148, Физматгиз.

2.А.В. Кортнев и др. Практикум по физике. Изд. «Высшая школа», 1963.

Лабораторная ¹ 6

Магнитное поле земли

1. Цель работы

Исследование параметров магнитного поля Земли, измерени е горизонтальной составляющей магнитного поля Земли с помощ ью тан- генс-буссоли.

2. Принадлежности к работе

Тангенс-буссоль, источник регулируемого напряжения, реос тат, миллиамперметр.

3. Теоретическое введение

2.1) Характеристики магнитного поля Земли

Магнитное поле Земли подобно полю однородно намагниченн о- го шара (рис. 1). Координаты магнитных полюсов: северного (в Южном полушарии) 78° южной широты и 111° восточной долготы (побережье Антарктиды) и южного (в Северном полушарии) 78° с е- верной широты и 111° западной долготы (север Канады).

Магнитная ось наклонена относительно географической на 11° и смещена на 1140 км в сторону Тихого океана. Магнитные полюсы и ось со временем изменяют свое положение.

Линии магнитного поля выходят приблизительно из центра З емли через Южное полушарие и, обогнув Землю, возвращаются к е е центру через Северное полушарие. Компоненты магнитного п оля Земли на поверхности планеты изменяются в следующих пред елах:

- полный вектор индукции магнитного поля Вî — îò +62 äî -73 ìêÒë;

33

-горизонтальная составляющая Вã — от 0 до 41 мкТл. Кроме того:

-Магнитное поле горизонтально у магнитного экватора и вертикально вблизи магнитных полюсов, здесь же оно имеет наибольшую абсолютную величину.

-Самое слабое магнитное поле у Земли вдоль е¸ магнитного экватора, при этом наименьшее поле зарегистрировано вблизи Ат лантического побережья Южной Америки.

Ось вращен земли

N

ç S â

Магнитный экватор

N

S

Ðèñ. 1.

В действительности поле Земли имеет гораздо более сложну ю структуру, чем поле однородно намагниченного шара, добавл яются поля неоднородных материковых плит, магнитных аномалий в ерхней части земной коры (так, в районе Курской магнитной аном алии поле Вî достигает 200 мкТл), магнитное поле Солнца и иные внеземные магнитные поля. На постоянное магнитное поле Вî накладываются также слабые переменные магнитные поля (< 0.02 Вî) различ- ной природы.

Магнитное поле Земли претерпевает вековые вариации (в на - стоящее время поле уменьшается примерно на 1% за каждые 10 лет). В разные геологические эпохи геомагнитное поле имело раз ную полярность (с периодом примерно от сотен тысяч лет до десятк ов миллионов лет происходит «переполюсовка» основного магнит ного поля Земли).

34

Наблюдаются периодические солнечно-суточные и лунно-сут оч- ные магнитные вариации соответственно с амплитудами 30-70g и 1- 5g (1g = 10-5Ý).

Детально разработанной количественной теории геомагнит ного поля до сих пор еще не существует. Предполагается, что глав ным источником поля являются вихревые токи в жидком ядре Земл и — динамо-эффект. (Чтобы объяснить наблюдаемый магнитный мо мент Земли нужны текущие токи порядка 109 À).

2.2) Экспериментальная установка и метод расчета

В настоящей работе измеряется напряженность магнитного поля Земли методом тангенс-буссоли.

Тангенс-буссоль состоит из нескольких витков кругового п роводника, в центре которого расположена магнитная стрелка, вр ащающаяся вокруг вертикальной оси.

При отсутствии тока стрелка располагается по направлени ю земного меридиана. Если при этом плоскость витков расположит ь в плоскости магнитного меридиана. То стрелка окажется расп оложенной в плоскости витков.

При включении тока магнитное поле кругового тока будет направлено перпендикулярно плоскости витков, а следоват ельно, перпендикулярно горизонтальной составляющей магнитног о слоя Земли. В результате этого магнитная стрелка расположится по направлению результирующей взаимно перпендикулярных сил, действующих на не¸ со стороны магнитного поля Земли и поля кр угового тока.

Í

Íðåç

j

Íç

Ðèñ. 2.

Угол, который стрелка образует с плоскостью витков, опред еляется отношением напряженностей (рис. 2)

35

где Н — напряженность магнитного поля тока, Н3 — напряженность магнитного поля Земли.

На рис. 3 Т-Б — круговой проводник с магнитной стрелкой в центре (тангенс-буссоль).

Напряженность магнитного поля в центре витков с током опр еделяется законом Био-Савара- Лапласа:

— число витков проводника. (В нашем случае R = 7,5 см, n = 160). Подставляя соотношение (2) в (1), получаем

данном месте Земли, которая называется «постоянной танге нс-бус- соли».

Ò-Á →

Í3

→

Í ð

Í

-

U = 6Â

36

Ðèñ. 3.

Зная j и J мы можем определить постоянную С. Измерения следует проводить следующим образом:

меняя реостатом сопротивление цепи, добиваемся значения силы токов J1, J2, J3. Соответствующие углы будут иметь значения j1, j2, j3.

На основании равенства (3) получим

J1 + J2 + J3 = C(tgj1 + tgj2 + tgj3),

откуда

Используя определение константы С и зная ее численное зна че- ние, можно рассчитать горизонтальную составляющую напря женности магнитного поля Земли:

4.Порядок выполнения работы

1)Составьте цепь из тангенс-буссоли, миллиамперметра, исто ч- ника регулируемого напряжения. НЕ ВКЛЮЧАЙТЕ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ без проверки соединения преподавателем или лаборантом.

2)Расположите тангенс-буссоль так, чтобы стрелка прибора указывала на нуль, т.е. так, чтобы стрелка располагалась в плос кости витков кругового тока. Рабочая схема прибора показана на рис. 3.

3)Включите источник, перемещая движок реостата, установите показания силы тока согласно значениям 5,10, 15, 20, 40, 60 мА.

4)Постучав слегка по стеклу буссоли, проведите отсчет угло вa’

èa” по обоим концам стрелки-указателя (ею является стрелка, п ерпендикулярная к магнитной стрелке) для того, чтобы избави ться от ошибки, происходящей от эксцентрического положения стре лки относительно круга делений.

5)Меняя полярность напряжения на источнике (меняя местами проводники, присоединяемые непосредственно к тангенс-бу ссоли),

37

т.е. меняя направление тока в цепи, отсчитайте углы по обоим концам стрелки. (Проводя измерения углов для токов в обоих нап равлениях, мы уменьшаем ошибку, происходящую от неточности у становки прибора в горизонтальной плоскости. (Измерения про водите для всех рекомендуемых значений тока!).

6)Результаты измерения занести в таблицу.

7)По формулам (5) и (4) вычислите значения С и Нз.

Таблица для записи измерений

5.Контрольные вопросы

1)Назовите основные характеристики геомагнитного поля.

2)Как устанавливается магнитная стрелка в магнитном поле кругового тока?

3)Сформулируйте закон Био-Савара - Лапласа. Как определить направленность тока?

4)Чему равна напряженность магнитного поля в центре кругового тока?

5)Объясните устройство и принцип действия тангенс-буссол и.

6)Какой физический смысл постоянной С?

7)Почему следует ориентировать катушку тангенс-буссоли в направлении магнитного меридиана?

8)Почему измерения выгоднее проводить при отклонении j = 45°?

Список литературы

1.Яновский Б.М. Земной магнетизм. 4 изд. Л.: 1978.

2.Стейси Ф. Физика Земли. М.: 1972.

3.Лабораторный практикум по физике. Под ред. К.А. Барсукова и Ю.И. Уханова. М. Высшая Школа. 1988.

38

4. Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм. М. Высшая Школа. 1983.

Лабораторная ¹ 7

Изучение полупроводникового диода и Si. Снятие ВАХ

Для выполнения этой работы необходимо ознакомиться с тео ретическим введением к работам «Регулировка токов и напряж ений» и «Измерение токов и напряжений».

1. Полупроводниковые диоды

Полупроводниковые диоды занимают в современной технике и особенно в радиотехнике очень большое место, являясь удоб ными, малогабаритными и экономичными заменителями электронны х ламп. В данной работе исследуется полупроводниковый выпр ямитель (диод).

Выпрямительное действие диода основано на весьма сложны х процессах, происходящих в месте контакта двух разнородны х полупроводников. Наилучшими выпрямляющими свойствами облад ают контакты между электронным и дырочным полупроводниками .

К электронным полупроводникам относятся кристаллы герм ания, кремния и ряда других веществ, в которых проводимость обу словлена свободными электронами, как и в металлах; однако, в отл ичии от металлов, число таких электронах в полупроводниках мал о. Очень чистые кристаллы имеют обычно очень малую проводимость, т ак как электроны прочно связаны с атомами. Добавляя к ним нич тожную примесь вещества, легко отдающего электроны, можно ре зко повысить число свободных электронов и такой кристалл буд ет полупроводником с довольно большой электронной проводимо стью.

Иначе обстоит дело, когда примесью служит вещество, атомы которого легко присоединяют электроны. В этом случае неко торые атомы кристалла легко присоединяют электроны. В этом случ ае некоторые атомы кристалла отдают свои электроны атомам при месям. Образовавшиеся пустые места («дырки») могут заполнят ься

39

электронами с соседних атомов. Происходит как бы движение дырок. Строгая теория показывает, что дырки движутся как час тицы, обладающие всеми свойствами электрона, но имеющие положи тельные заряда. Полупроводник такого типа называется дырочны м.

В выпрямителях (диодах) дырочный полупроводник соприкас ается с электронным. В этом случае ток может беспрепятственно и дти в направлении, указанном стрелкой на рис. 1. Носители тока (эл ектроны в электронном полупроводнике и дырки в дырочном) дви жутся на границе и сливаются (электроны заполняют дырки). Есл и же ток идет в противоположном направлении то противоположн ая область обоих полупроводников объединяется носителями то ка и сопротивление контакта резко возрастает. Таким образом, кон такт обладает выпрямляющими свойствами — он пропускает ток в одном направлении и не пропускают в другом.

Ðèñ. 1.

Действительная картина процессов в таком контакте гораз до сложнее. В частности, в дырочном проводнике имеется очень небольшое число свободных электронов, а в электронном дырок. Поэ тому очень небольшой ток может идти и в направлении, противопо ложном указанному стрелкой 1.

«р – п» — переход

Шкала «V» от 0 до [1B] линейная при измерении прямого падания напряжения диода КД503Б-Si.

Шкала «V» от 0 до 0,5[B] линейная при измерении прямого падания напряжения диода Д310-Ge.

Шкала «V» линейная от 0 до 10[B] при измерении обратного напряжения для обоих видов диодов.

Шкала «А» от 0 до 50 mА линейная при измерении прямого тока для обоих диодов.

Шкала «А» при измерении обратного тока соответствует при ве-

40