Физика. Электромагнетизм

УДК 537(075) ББК 22.33я73

Ф 50

Рецензенты:

кандидат физико-математических наук, доцент В. А. Михеев кандидат технических наук, доцент В. В. Проботюк

Авторы: К. С. Чемезова, Д. Ф. Нерадовский, С. М. Кулак, А. А. Орёл, В. В. Исаков, Н. П. Исакова

Физика. Электромагнетизм. Лабораторный практикум : учеб- Ф 50 ное пособие / К. С. Чемезова, Д. Ф. Нерадовский, С. М. Кулак

и др. – Тюмень : ТюмГНГУ, 2011. – 88 с.

Учебное пособие содержит описание лабораторных работ по магнетизму с использованием компьютеризированного лаборатор- ного комплекса «Электричество и магнетизм - физика». Описания работ включают в себя основы теории исследуемых явлений, схе- мы экспериментальных установок, порядок выполнения экспери- мента и обработки экспериментальных результатов.

Пособие соответствует рабочим программам курса физики технических вузов и может быть рекомендовано для изучения сту- дентам 1 – 3 курсов.

УДК 537(075) ББК 22.33я73

© Государственное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет», 2011

2

СОДЕРЖАНИЕ

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Подготовка специалистов любого технического профиля требует де- тального изучения физических закономерностей и, в частности, высокока- чественной экспериментальной подготовки. Громадный прогресс в облас-

ти электротехники и электроники в значительной мере связан с успехами физики в области электричества и магнетизма, поэтому современный ин- женер независимо от специальности должен обладать некоторым миниму- мом знаний в этой области науки. Кроме того, он должен уметь применять вычислительную технику для обработки результатов измерений.

Использование компьютеризированного лабораторного комплекса «Электричество и магнетизм – физика» позволяет:

§осуществить фронтальный метод проведения лабораторных

работ;

§использовать компьютер в качестве виртуального измеритель- ного прибора;

§использовать компьютер для обработки экспериментальных результатов, полученных при выполнении лабораторной работы.

Авторы настоящего пособия сделали попытку изложить теоретиче- ский материал в форме, доступной для студентов технического вуза, изу- чающих курс общей физики на младших курсах, и приблизить выполнение эксперимента к уровню подготовки студентов.

В начале каждой работы дано теоретическое введение, содержащее описание физического явления и выводы основных соотношений, необхо- димых для проведения эксперимента. В конце каждой работы приведены контрольные вопросы. Для более детального ознакомления с сущностью

изучаемых явлений в конце пособия приведены ссылки на рекомендуемую литературу.

Авторы благодарят доктора физико-математических наук, профессо- ра, заведующего кафедрой ФМД ТюмГНГУ В. Ф. Новикова и кандидата физико-математических наук, доцента кафедры ФМД Э. Г. Невзорову за критические замечания и предложения, высказанные при подготовке руко- писи данного пособия.

Описание лабораторной работы № 1 выполнено В. В. Исаковым и Н. П. Исаковой, № 2 – К. С. Чемезовой, . Ф. Нерадовским и А. А. Орлом,

№3 и № 4 – Д. Ф. Нерадовским, № 5 -– К. С. Чемезовой и С. М. Кулаком,

№6 и № 7 – К. С. Чемезовой.

4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИЗУЧЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ОСИ КОЛЬЦЕВЫХ КАТУШЕК И СОЛЕНОИДА

Цель работы: экспериментальное изучение распределения магнит- ного поля вдоль оси кольцевых катушек и соленоида.

Теоретическое введение

Магнитное поле – это вид материи, связанный с движущимися заря- дами и обнаруживающий себя по действию на магнитные стрелки и дви- жущиеся заряды, помещенные в это поле.

Основной характеристикой магнитного поля служит вектор магнит- ной индукции B . Единицей измерения индукции является тесла (Тл).

Индукция магнитного поля B численно равна силе, действующей со стороны поля на единицу длины проводника, по которому течет электри- ческий ток единичной силы и который расположен перпендикулярно на- правлению магнитного поля.

Рис. 1

Для наглядного графического изображения вводится понятие линий магнитной индукции (или силовых линий магнитного поля). Линиями магнитной индукции называются кривые, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора магнитной индукции.

Чтобы изобразить не только направление, но и величину индукции поля, силовые линии проводятся с определенной густотой, а именно чтобы число силовых линий, проходящих через единичную площадку перпенди- кулярно этой площадке, было пропорционально индукции магнитного по- ля.

5

Магнитное поле в отличие от электростатического является вихре- вым, т. е. линии магнитной индукции всегда замкнуты. Они не могут об- рываться, т.е. кончаться или начинаться. Линии магнитной индукции «ох- ватывают» проводники с током. На рис. 2 показаны линии индукции пря-

молинейного проводника с током. Направление вектора B определяется по

правилу правой руки. Если большой палец правой руки расположить по направлению тока, то направление обхвата проводника четырьмя пальцами покажет направление линий магнитной индукции (рис. 2).

Рис. 2

Французские ученые Ж. Био и Ф. Савар исследовали магнитные поля токов различной формы. А позже П. Лаплас, проанализировав их экспери- ментальные данные, сделал вывод, что магнитное поле любого тока мо-

жет быть найдено как векторная сумма (суперпозиция) полей, создаваемых отдельными элементарными участками тока:

B = åBi

Элемент тока длины dl создает поле с магнитной индукцией (рис. 3):

или в скалярной форме:

dB = 4μπ0 Idlr2 sinα ,

где α – угол между векторами dl и r .

6

Выражение (1) носит название закона Био–Савара–Лапласа.

dl

B

Рис. 3

Определим индукцию магнитного поля, создаваемого круговым вит- ком радиуса R с током I в произвольной точке оси этого витка (рис. 4).

Все векторы dB для равных по длине элементов dl витка численно равны между собой:

направлен вдоль оси витка, поскольку элементы dB векторов dB , соз-

данных одинаковыми, но диаметрально противоположными элементами dl кругового витка, взаимно уничтожат друг друга и основной вклад вне-

сет составляющая dB|| . Проинтегрировав dB по всей длине контура с то- ком и учитывая выражение (3), получим

7

Из рис. 4 видно, что r = R2 + x2 , тогда выражение для магнитной

индукции контура тока примет вид

Рассмотрим цилиндрическую катушку, состоящую из большого чис- ла намотанных вплотную друг к другу витков, по которым идет ток. Такая катушка называется соленоидом. Соленоид можно рассматривать как сис-

тему последовательно соединенных круговых витков с током одинакового радиуса, имеющих общую ось.

dB

dB|| α

dB

α

r

x

R dl

R

I

Рис. 4

На рис. 5 показано сечение соленоида длиной L с током I . Кружки с точками представляют собой сечения витков радиуса R , в которых ток на- правлен из-за чертежа к нам, кружки с крестами – сечения витков, в кото- рых ток направлен за чертеж.

8

α2 = 0. Следовательно, по формуле (6) магнитная индукция внутри беско-

нечно длинного соленоида на его оси численно равна

Направление вектора магнитной индукции внутри соленоида опре- деляется по правилу правой руки.

Описание экспериментальной установки

Для экспериментального исследования магнитного поля на оси ка- тушек и соленоида в данной работе имеется специальный миниблок «Тес- ламетр» (рис. 6). Миниблок имеет зонд, который вводится внутрь катушек. Вдоль зонда нанесены риски через 1 мм. На конце зонда закреплен датчик, работа которого основана на эффекте Холла. Усиление сигнала с датчика производится при помощи усилителя, встроенного в «Тесламетр». На кор- пусе миниблока имеется ручка «Установка нуля». Для подготовки мини-

блока к работе необходимо установить его на указанное место наборного поля (рис. 6), подключить к выходу вольтметр (мультиметр с пределом из- мерения 2В), включить блок генератора напряжений, расположить зонд вертикально и, поворачивая ручку «Установка нуля», добиться как можно меньшего значения напряжения на выходе (обычно меньше 20 мВ).

9

Зонд

«Установка нуля»

Рис. 6

Индукция магнитного поля, измеренного «Тесламетром», будет оп-

где U – напряжение на выходе миниблока.

Порядок выполнения эксперимента

Задание 1. Измерение магнитной индукции в различных точках на оси кольцевой катушки.

1.Установите миниблоки «Кольцевые катушки» и «Тесламетр» на наборную панель, как показано на рис.7. Подведите к катушке питание от регулируемого источника постоянного напряжения 0…15 В через ам- перметр (как показано на рис. 7).

2.Подключите к выходу миниблока «Тесламетр» вольтметр (предел измерения 2 В).

3.Используйте правый мультиметр в качестве вольтметра, левый мультиметр в качестве амперметра (предел измерения 2 А).

4.Разомкните цепь питания катушки (выньте из гнезда наборной панели штырёк провода от амперметра) и включите блок генераторов.

10