Федеральное агентство по образованию

государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Тюменский государственный нефтегазовый университет»

Технологический институт Кафедра физики методов контроля и диагностики электромагнетизм

Учебное пособие

Тюмень. 2011

УДК 537(075):621.38

Чемезова К.С., Нерадовский Д.Ф., Кулак С.М., ОрёлА.А. Электромагнетизм: Учебное пособие для студентов технических специальностей. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2011. – 75 с.

Пособие содержит описание лабораторных работ по магнетизму с использованием компьютеризированного лабораторного комплекса «Электричество и магнетизм - физика». Описания работ включают в себя основы теории исследуемых явлений, схемы экспериментальных установок, порядок выполнения эксперимента.

72 с, илл. 42, табл.8.

Рецензенты: В.А.Михеев, кандидат физ.-мат. наук, заведующий кафедрой радиофизики Тюменского государственного университета; и ещё один рецензент ??

Isbn 5-88 © Государственное образовательное

учреждение высшего

профессионального образования

«Тюменский государственный

нефтегазовый университет», 2005

Учебное пособие соответствует рабочим программам курса физики технических ВУЗов и может быть рекомендовано для изучения студентам 1 – 3 курсов.

Предисловие

Подготовка специалистов любого технического профиля требует детального изучения физических закономерностей и, в частности, высококачественной экспериментальной подготовки. Громадный прогресс в области электротехники и электроники в значительной мере связан с успехами физики в области электричества и магнетизма, поэтому современный инженер независимо от специальности должен обладать некоторым минимумом знаний в этой области науки. Кроме того, современный инженер 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 измерительного прибора;

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

Авторы настоящего пособия сделали попытку изложить теоретический материал в форме, доступной для студентов технического ВУЗа, изучающего 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, необходимых 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 физ.-мат. наук, профессора, заведующего кафедрой ФМД ТюмГНГУ В.Ф.Новикова и кандидата физ.-мат. наук, доцента кафедры ФМД Э.Г.Невзорову за критические замечания и предложения, высказанные при подготовке рукописи данного пособия.

Описание лабораторной работы №1 выполнено К.С.Чемезовой и Д.Ф.Нерадовским, №2 – А.А.Орлом, №3 и №4 - Д.Ф.Нерадовским, №5 - К.С.Чемезовой и С.М.Кулаком, №6 и №7 - К.С.Чемезовой.

Учебное пособие соответствует рабочим программам курса физики технических ВУЗов и может быть рекомендовано для изучения студентам 1 – 3 курсов.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА

С ПОМОЩЬЮ МАГНЕТРОНА

Цель работы: экспериментальное определение удельного заряда электрона методом отклонения движущихся электронов в магнитном поле.

Теоретическое введение

Важнейшими характеристиками заряженной частицы являются её электрический заряд и масса. При движении в электрическом и магнитном полях ускорение, скорость, траектория заряженной частицы определяются конфигурацией этих полей и отношением заряда частицы к её массе: . Эта величина называется удельным зарядом.

Поясним это на некоторых примерах:

1. Пусть частица с зарядом движется в электрическом поле напряженностью . Сила, действующая на частицу со стороны поля, равна .

Запишем для такой частицы уравнение движения:

. (1)

Нетрудно видеть, что ускорение заряженной частицы в электрическом поле зависит от ее удельного заряда:

. (2)

2. Если заряженная частица проходит ускоряющую разность потенциалов , то она приобретает кинетическую энергию, равную величине:

. (3)

Из этого равенства следует, что другая характеристика частицы - ее скорость также определяется удельным зарядом:

^. (4)

3. Если заряженная частица движется в магнитном поле со скоростью , то на неё со стороны поля (в общем случае) действует сила Лоренца:

(5)

Свойства силы Лоренца определяются свойствами векторного произведения, поэтому она перпендикулярна плоскости, в которой лежат вектора и .

Для положительных зарядов (q>0) направление силы Лоренца совпадает с направлением векторного произведения . Если заряд частицы отрицателен (q<0), то направления векторов и противоположны (рис.1).

Модуль силы Лоренца равен:

, (6)

где - угол между векторами и .

Из формулы (6) следует, что магнитное поле не действует на заряженную частицу в двух случаях: когда частица покоится (υ=0), или когда частица движется вдоль линий магнитного поля ().

Так как сила Лоренца всегда направлена перпендикулярно вектору скорости, то она не совершает работы над частицей. Следовательно, постоянное магнитное поле не изменяет кинетическую энергию частицы.

Рассмотрим наиболее простой случай, когда заряженная частица влетает в однородное магнитное поле с индукцией , причем скорость частицы перпендикулярна вектору магнитной индукции. На частицу будет действовать сила Лоренца, перпендикулярная к направлению ее движения. Так как (α=π/2), то модуль силы Лоренца равен: . В результате траекторией заряженной частицы будет окружность (рис.2).

Сила Лоренца сообщает частице нормальное ускорение и играет роль центростремительной силы. Нормальное ускорение определяется выражением:

, (7)

где R - радиус окружности.

Запишем второй закон Ньютона для этого случая:

(8)

или

. (9)

Для радиуса окружности получим выражение:

. (10)

Формулу (10) также можно записать в виде:

. (11)

Здесь - удельный заряд частицы.