Lab_rab_Elektrichestvo_I_Magnetizm

51

Таблица

Контрольные вопросы

1.Назовите причину образования объемного заряда при контакте двух полупроводников с различным типом проводимости?

2.Как изменяется объемный заряд в приконтактной области при наличии внешнего электрического поля?

3.Нарисуйте схемы и поясните принцип работы одно- и двухполупериодного выпрямителя.

4.Нарисуйте ВАХ идеального диода. К чему приводит отличие ВАХ реальных диодов от идеального при выпрямлении переменного напряжения?

5.Как влияет крутизна ВАХ диода в прямом направлении на форму выпрямленного электрического напряжения?

Библиографический список

1.Курс физики: Учебник для вузов: В 2 т. Т. 2./ ред. В. Н. Лозовский. – СПб.: Лань, 2007. – § 4.45, 4.46, 4.48–4.54.

2.Савельев, И.В. Курс общей физики в 3-х т. Т. 3 / И. В. Савельев. – М.: Наука, 2005. – § 57–59, 64.

3.Трофимова, Т.И. Курс физики / Т.И. Трофимова. – М.: Высш. шк., 2001.

–§ 240–243, 248,49.

52

Лабораторная работа № 8

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КРУГОВОГО И ПРЯМОГО ТОКОВ

Цель работы: изучение метода измерения магнитного потока и магнитной индукции с помощью микровеберметра; измерение магнитных индукций прямого и кругового токов и сравнение их с теоретическими, рассчитанными из закона Био-Савара-Лапласа.

Оборудование: стенд с круговым и прямым проводниками токa, микровеберметр Ф5050 с измерительной катушкой (зондом), источник постоянного тока ВСП-50.

Краткие теоретические сведения

По закону Био-Савара-Лапласа элемент длины проводника dL, по которому течет ток I, создает в некоторой точке A пространства на расстоянии r (рис. 1) магнитное поле, магнитная индукция dBкоторого рассчитывается по следующей формуле:

или в скалярном виде

dB = µ0 IdLsinα , 4π r2

где µо − магнитная постоянная. Направление вектора dB

(рис. 1) определяется правилом

"правого винта".

Рис. 1.

Полная магнитная индукция B, создаваемая проводником с током, находится интегрированием вдоль всей длины L проводника:

53

L

Для некоторых простых форм проводника, например, для кругового и прямого токов, интеграл (2) выражается через простые формулы. Рассмотрим эти случаи.

1. КРУГОВОЙ ТОК. Представим круглую катушку, имеющую n1 витков радиусом Rк. Предполагаем, что длина и толщина намотки катушки много меньше ее радиуса, т.е. катушка выглядит как кольцо. Поместим катушку в горизонтальной плоскости, так чтобы ее ось совпадала с осью z (рис.2).

Рис. 2.

В этом случае интеграл (2) по замкнутому контуру катушки дает теоретическое значение Bкрт магнитной индукции для n1 витков:

где Z – расстояние от центра кольца до точки измерения поля на оси z.

2. ПРЯМОЙ ТОК. Решение интеграла (2) для n2 прямых параллельных проводников длиной L=L1+L2, по которым течет ток Iпр (рис.3), дает теоретиче-

ское значение индукции Bпрт :

54

где b − длина перпендикуляра, опущенного из точки измерения поля на проводник с током.

Используя геометрические размеры b, L1 и L2, получим рабочую формулу

Рис. 3.

Методика проведения эксперимента

В данной лабораторной работе экспериментальная магнитная индукция ВЭ рассчитывается из измеренных значений магнитного потока ФЭ по формуле

55

где rср − средний радиус витка измерительной катушки (зонда), N − число ее витков. Сам же магнитный поток ФЭ измеряется цифровым микровеберметром Ф5050.

Принцип измерения магнитного потока микровеберметром основан на измерении электронным цифровым вольтметром, встроенным в этот прибор, разности потенциалов Uc на эталонном конденсаторе С (рис. 4).

Рис.4.

Разность потенциалов Uc пропорциональна изменению магнитного потока Ф, пронизывающего измерительную катушку. Докажем это.

В момент подключения кругового или прямого проводников к источнику питания появляется нарастающий магнитный поток, пронизывающий измерительную катушку с сопротивлением обмотки R. В соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея в ней возникает ЭДС индукции

Если измерительная катушка подключена к конденсатору С, то он зарядится до разности потенциалов

Ток заряда конденсатора определяется по закону Ома:

56

dQ

Используя определение электрического тока I = dt , можно рассчитать заряд Q на пластинах конденсатора:

Таким образом, мы видим, что разность потенциалов на эталонном конденсаторе С пропорциональна изменению магнитного потока Ф, пронизывающего измерительную катушку.

Подчеркнем, что цифровой вольтметр проградуирован не в вольтах, а в единицах измерения магнитного потока − веберах (Wb) − и его долях − mWb иWb.

Порядок выполнения работы

1. Собрать установку согласно схеме на рис. 5.

Рис.5.

57

2.На передней панели микровеберметра Ф5050 нажать кнопку “КАЛИБРОВКА” и кнопку пределов измерений “100 µWb”. Затем только включить прибор Ф5050 и дать ему прогреться 2 − 3 минуты.

3.После прогрева прибора нажать и отпустить кнопку “ПУСК”. На цифровом табло Ф5050 должно появиться число "100" или близкое к нему. В противном случае нужно обратиться к лаборанту или преподавателю для настройки прибора с помощью регулятора "КАЛИБРОВКА".

4.После проверки прибора отжать кнопку "КАЛИБРОВКА". Включить блок питания ВСП-50. Установить по вольтметру напряжение на катушке 20 вольт.

5.Отклонить на 3 − 5 секунд ручку переключателя "П" на стенде (рис. 5) влево и измерить по амперметру на блоке питания значение кругового тока Iкр. Затем отклонить "П" вправо и измерить ток Iпр прямого проводника. Их значения занести в табл. 1.

6.Для измерения Φэкр установить плоскость измерительной катушки в

плоскость кругового витка в точку Z = 0 (центр витка), нажать и отпустить кнопку "ПУСК", вслед за этим отклонить переключатель "П" влево и удерживать его до тех пор, пока не появится значение магнитного потока на приборе Ф5050. После этого отпустить "П". Измерения в каждой точке провести 3 раза и в таблицу

занести среднее значениеΦэкр .

Если измеряемое значение магнитного потока больше 100 µWb, то на микровеберметре Ф5050 переключите пределы измерения со “100 µWb” на “1 mWb”.

Таблица 1

59

Контрольные вопросы

1.Сформулируйте закон Био-Савара-Лапласа.

2.Как определить направление вектора магнитной индукции В в точке измерения?

3.Что такое магнитный поток?

4.Сформулируйте закон Фарадея?

5.Расскажите о принципе измерения магнитного потока в данной работе?

6.Как влияют размеры измерительной катушки на точность измерения магнитного потока?

Библиографический список

1.Курс физики: Учебник для вузов: В 2 т. Т. 1./ ред. В. Н. Лозовский. – СПб.: Лань, 2007. – § 2.37–2.39.

2.Савельев, И.В. Курс общей физики в 3-х т. Т. 2 / И. В. Савельев. – М.: Наука, 2005. – § 40, 42,47.

3.Трофимова, Т.И. Курс физики / Т.И. Трофимова. – М.: Высш. шк., 2001. –

§110.

60

Лабораторная работа № 9

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

С ПОМОЩЬЮ ТАНГЕНС-БУССОЛИ

Цель работы: ознакомление с принципом работы тангенс-буссоли, измерение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли на широте Красноярска.

Оборудование: тангенс-буссоль, миллиамперметр, регулируемый резистор, источник постоянного тока, переключатель.

Краткие теоретические сведения

Земля представляет собой естественный магнит, полюса которого располагаются недалеко (~300 км) от ее географических полюсов. Магнитный полюс Земли, который расположен на Севере, называется Южным магнитным полюсом, расположенный на Юге, − Северным магнитным полюсом. В настоящее время часто употребляются обозначения: Южный геомагнитный полюс (тот, который находится на Юге, в Антарктиде, т.е. Северный магнитный) и Северный геомагнитный полюс (на Севере близ Канады, т.е. Южный магнитный).

Через полюса Земли можно провести линии больших кругов − магнитные меридианы, перпендикулярно к ним − линию большого круга − магнитный экватор и параллельно последнему линии малых кругов − магнитные параллели.

Если в данной точке Земли свободно подвесить магнитную стрелку (т.е. подвесить за центр масс так, чтобы она могла поворачиваться и в горизонтальной и в вертикальной плоскостях), то она установится по направлению вектора напряженности магнитного поля Земли НЗ в данной точке.

Так как магнитное поле Земли НЗ − это поле прямого магнита, то ясно, что силовые линии этого поля лишь на магнитных полюсах перпендикулярны поверхности Земли, а на магнитном экваторе параллельны ей. В любой другой точке земной поверхности напряженность магнитного поля и, следовательно, свободно подвешенная магнитная стрелка располагаются под каким-то углом к горизонтальной плоскости в данной точке (рис. 1).

Из-за несовпадения магнитных и географических полюсов Земли не совпадают и плоскости магнитного и географического меридианов, проходящих через данную точку земной поверхности. Таким образом, положение свободно подвешенной магнитной стрелки характеризуется двумя углами α и β, определенными для данной точки Земли.