Определение мощности источника тока. Гудилов_Физ_практ_Ч_2_2008(1). Физический практикум
 Скачать 1.62 Mb.
|
|
Результаты измерений и расчета удельного заряда электрона Е а , В U R , В U а , В I а ,мA , e Кл m кг По уравнению (8.3) По уранению (8.5) Среднее значение Стандартная ошибка 8.7. Контрольные вопросы 1. Перечислите основные виды эмиссии электронов из металла. 2. Дайте определение понятия "работа выхода электрона из металла" и объясните ее физическую природу. 3. Приведите пример вольтамперной характеристики вакуумного диода и поясните особенности этой кривой. Как с помощью вольтамперной характеристики рассчитать максимальную скорость электронов, эмитирующих с катода? 4. Поясните, почему наблюдается насыщение анодного тока и почему ток насыщения возрастает при увеличении температуры катода. 5. Что такое пространственный заряд? Объясните его влияние на прохождение тока в диоде. 6. Получите закон Богуславского-Ленгмюра для диода с плоским анодом. 7. Поясните принцип работы лабораторной установки. 8. Почему напряжение между катодом и анодом определяется не непосредственным измерением, а расчетным путем? Рекомендуемая литература 23. Детлаф, А. А. Курс физики: учеб. пособие для вузов / А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. – М.: Высш. шк., 1989. – § 23.1–23.5. 24. Трофимова, Т. И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Т. И. Трофимова. – М.: Высш. шк., 1990, – § 102 – 105. 25. Калашников, С. Г. Электричество: учеб. пособие для вузов / С. Г. Калашников. – М.: Наука, 1970. – § 156–159. 26. Шимони, К. Физическая электроника / К. Шимони. – М.: Энергия, 1977. – § 4.1.6. 27. Шеин, А. Г. Вакуумная и газоразрядная электроника: учеб. пособие / А. Г. Шеин, – Волгоград, 1999. – Т. 1. 9. Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 208 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ 9.1. Цель работы Практическое освоение метода измерения горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли с помощью тангенс- буссоли. 9.2. Основные теоретические сведения Магнитное поле может быть обнаружено по силовому действию на движущиеся электрические заряды, проводники с током, магниты. Силовой характеристикой магнитного поля служит вектор магнитной индукции B , единицей измерения которой в системе единиц СИ является тесла (Тл). Для наглядности магнитное поле графически изображают с помощью линий магнитной индукции. Вектор магнитной индукции B в каждой точке такой линии направлен по касательной. Многочисленные опыты показывают, что электрический ток порождает в пространстве вокруг себя магнитное поле. Результаты этих опытов обобщены в законе Био–Савара–Лапласа: малый элемент проводника , dl по которому течет постоянный ток , I создает в некоторой произвольной точке А (рис. 9.1) поле, магнитная индукция dB которого определятся следующим образом: 3 0 ] , [ 4 r r l d I B d , (9.1) где 0 = 4 ·10 -7 Гн/м – магнитная постоянная; – магнитная проницаемость среды (для воздуха 1 ); r – радиус-вектор, проведенный от элемента тока в точку A ; l d – вектор, по модулю равный длине dl и совпадающий по направлению с током. Из (9.1) следует, что направление dB перпендикулярно плоскости, в которой лежат вектора dl и , r и может быть найдено по правилу правого винта: направление dB совпадает с поступательным движением винта, вращающегося по кратчайшему пути от dl к r Для магнитного поля, как и для электрического, справедлив принцип суперпозиции: магнитное поле, создаваемое несколькими токами, равно векторной сумме магнитных полей, создаваемых каждым током. Применение закона Био–Савара–Лапласа совместно с принципом суперпозиции позволяет довольно просто рассчитать конкретные поля. Рис. 9.1. Определение направления вектора магнитной индукции, создаваемого в точке А проводником с током Рассмотрим в качестве примера магнитное поле в центре кругового проводника с током. Все элементы кругового проводника с током dl (рис. 9.2) создают в центре магнитные поля dB одинакового направления вдоль нормали от витка. Поэтому сложение векторов dB можно заменить сложением их модулей. Рис. 9.2. Магнитное поле кругового витка с током Так как элементы dl перпендикулярны радиус - вектору ( sin 1 ), и расстояние всех элементов проводника от центра кругового тока одинаково и равно R , то, согласно (9.1), dl R I dB 2 0 4 . (9.2) Тогда R I dl R I dB B R B 2 4 0 2 0 2 0 0 . (9.3) Аналогично закон Био–Савара–Лапласа может быть применен и для вычисления магнитного поля проводников с током другой формы. Зная зависимость величины магнитной индукции от силы тока (9.3), вытекающую из закона Био–Савара–Лапласа, и используя принцип суперпозиции, можно определить горизонтальную составляющую индукции магнитного поля Земли. Систематические измерения магнитной индукции поля Земли в заданных точках земной поверхности дали результаты, позволяющие в первом приближении изображать магнитное поле Земли как поле прямого магнита. Ось этого воображаемого магнита наклонена к оси суточного вращения Земли, а полюса лежат около географических полюсов: вблизи северного географического полюса С расположен южный магнитный S, а вблизи южного географического Ю – северный магнитный N (рис. 9.3). В области магнитных полюсов вектор индукции B магнитного поля Земли направлен вертикально, а на экваторе – горизонтально. Рис. 9.3. Изображение магнитного поля Земли В остальных точках земной поверхности он направлен под некоторым углом к горизонту. Его можно разложить на две составляющие: горизонтальную r B и вертикальную B B (рис. 9.4). Величину проекции вектора индукции земного магнитного поля на горизонтальную плоскость называют горизонтальной составляющей магнитного поля Земли. Направление этой составляющей принимается за направление магнитного меридиана, а вертикальная плоскость, проходящая через него, называется плоскостью магнитного меридиана. Угол между направлением магнитной индукции поля Земли и горизонтальной плоскостью называют углом отклонения . Угол между географическим и магнитным меридианами называют углом склонения. Рис. 9.4. Разложение вектора индукции магнитного поля Земли на составляющие Горизонтальная составляющая r B , магнитное склонение и наклонение называют элементами земного магнетизма. Все элементы земного магнетизма изменяются с течением времени, что свидетельствует об изменениях магнитного поля земли. 9.3. Описание лабораторной установки Схема установки, используемой в данной работе, приведена на рис. 9.5, где – источник тока; S – двухполюсный переключатель; A – амперметр; R – реостат; ТБ – тангенс-буссоль. R S А ТБ Рис. 9.5. Схема лабораторной установки Тангенс-буссоль состоит из кольцеобразного проводника или плоской катушки с некоторым числом витков N большого радиуса. Плоскость витков расположена вертикально, и вращением около вертикальной оси ей можно придать любое положение. В центре витков в горизонтальной плоскости расположен компас с короткой магнитной стрелкой. Сила тока в витках устанавливается реостатом R . При помощи двухполюсного переключателя S можно изменять направление тока. Ток, проходящий по круговому проводнику, измеряется с помощью амперметра A 9.4. Методика проведения эксперимента При отсутствии тока в витках тангенс-буссоли на магнитную стрелку действует только магнитное поле Земли и стрелка устанавливается в плоскости магнитного меридиана. Поворачивая тангенс-буссоль около вертикальной оси, можно добиться совмещения плоскости витков с плоскостью магнитного меридиана. Рис. 9.6. Разрез тангенс–буссоли. Вид сверху Если после такой установки витков по ним пропустить ток, то магнитная стрелка повернется на некоторый угол . Это объясняется тем, что на магнитную стрелку будут действовать теперь поля: горизонтальная составляющая индукции магнитного поля Земли r B и поле, созданное круговым током витков 1 B . Под действием этих полей магнитная стрелка займет такое положение равновесия, при котором равнодействующая двух этих полей B будет совпадать с линией, соединяющей полюсы магнитной стрелки (рис. 9.6). На рис. 9.6 изображен вид сверху сечения прибора горизонтальной плоскостью, проходящей через центр витков, где NS – проекция плоскости магнитного меридиана Земли. Так как вектор индукции магнитного поля кругового тока в центре катушки перпендикулярен плоскости ее витков, то в условиях совмещения витков с плоскостью магнитного меридиана векторы r B и 1 B взаимно перпендикулярны, поэтому 1 tg r B B или 1 tg r B B . (9.4) Индукция магнитного поля в центре одного кругового витка определяется на основании формулы (9.3). Поэтому индукция поля в центре катушки с небольшим числом витков N определится по соотношению 0 1 2 IN B R . (9.5) Тогда с учетом (9.4) горизонтальная составляющая индукции r B будет равна 0 2 tg r IN B R , (9.6) где I – сила тока, текущего в витках; R – радиус витка. Этой формулой и пользуются для опытного определения горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли. Оценить относительную погрешность результатов эксперимента можно по формуле: 2 sin 2 r r B I R B I R (9.7) Как отсюда видно, последний член полученного выражения имеет минимальное значение, когда =45°, поэтому нужно подбирать такую силу тока в цепи, чтобы угол отклонения был близок к 45°. 9.5. Порядок выполнения работы 9.5.1. Соберите схему в соответствии с рис. 9.5, располагая тангенс- буссоль и реостат как можно дальше друг от друга, чтобы магнитное поле реостата не влияло на магнитную стрелку. 9.5.2. Поворачивая тангенс-буссоль, установите плоскость витков проводника в плоскости меридиана, то есть плоскость витков должна совпадать с направлением магнитной стрелки, пока в витках нет тока. Плоскость лимба поверните так, чтобы один полюс стрелки стоял на 0°, а другой – на 180°. 9.5.3. Переключателем S замкните цепь и при помощи реостата R , изменяя силу тока I в катушке, добейтесь, чтобы угол отклонения стрелки от плоскости витков был равен 35°. Данные измерений I и записывайте в табл. 9.1. 9.5.4. Не изменяя силы тока, измените его направление переключателем S и измерьте угол отклонения стрелки от плоскости витков. Если при переключении сила тока изменилась, установите реостатом R ее прежнюю величину. 9.5.5. Изменяя силу тока с помощью реостата R , повторите опыт 8 раз для углов в интервале от 35° до 55°. 9.6. Обработка результатов измерений 9.6.1. Используя полученные значения и , для каждого опыта определите среднее значение : 2 . (9.8) 9.6.2. Также для каждого опыта по формуле (9.6) вычислите r B . Число витков и радиус катушки указаны на приборе. 9.6.3. Вычислите среднее значение r B 9.6.4. Вычислите для одного из опытов относительную погрешность по формуле (9.7). Величина берется равной половине цены деления шкалы лимба, выраженной в радианах. Величина I определяется по классу точности прибора. Величину R принять равной 2 мм. 9.6.5. Найдите r r B B для выбранного значения r B . Запишите окончательный результат в виде (... ) r r B B Таблица 9.1 Результаты экспериментальных измерений I , А , град , град , град tg r B , Тл r B , Тл r B , Тл 9.7. Контрольные вопросы 1. Какая величина является силовой характеристикой магнитного поля? В каких единицах она измеряется? 2. Сформулируйте закон Био–Савара–Лапласа. Как определить направление вектора индукции магнитного поля B ? 3. Как с помощью закона Био–Савара–Лапласа вычислить магнитную индукцию в центре кругового тока? 4. Какие величины относятся к элементам земного магнетизма и как определить каждую из них? 5. Какие поля действуют на магнитную стрелку при наличии тока в катушке тангенс-буссоли? Как взаимно расположены эти поля? Рекомендуемая литература 28. Савельев, И. В. Курс общей физики. В 3 т.: учеб. пособие для вузов / И. В. Савельев – М.: Наука, 1982. – Т. 2. – § 42. 29. Детлаф, А. А. Курс физики: учеб. пособие для вузов / А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. – М.: Высш. шк., 1989. – § 22.1–22.2. 30. Калашников, С. Г. Электричество: учеб. пособие для вузов / С. Г. Калашников. – М.: Наука, 1970. – § 76–79. 10. Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 209 ИЗУЧЕНИЕ НЕКОТОРЫХ СВОЙСТВ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ 10.1. Цель работы Исследование зависимости индукции магнитного поля в ферромагнитном материале от напряженности намагничивающего поля. Количественная оценка магнитной проницаемости и энергии перемагничивания ферромагнетика. 10.2. Теоретические сведения Опыт показывает, что все вещества, помещенные в магнитное поле, приобретают магнитный момент (намагничиваются). Намагниченное вещество создает магнитное поле * B , которое, накладываясь на внешнее магнитное поле макротоков 0 B , образует результирующее поле B : * 0 B B B . (10.1) Для объяснения намагничивания тел Ампер предположил, что в веществе циркулируют микротоки (молекулярные токи), обусловленные движением электронов в атомах и молекулах. Каждый такой ток обладает магнитным моментом и создает в окружающем пространстве магнитное поле. Природу молекулярных токов можно объяснить на основе полуклассической теории Бора, согласно которой электроны в атомах движутся по стационарным круговым орбитам. Электрон, движущийся по одной из таких орбит, эквивалентен круговому току e i , где e – заряд электрона, – число оборотов в секунду (рис. 10.1). Рис. 10.1 Магнитный момент создаваемого электроном тока равен m p iS n , где n – единичный вектор нормали к поверхности контура площадью S , связанный с направлением тока в контуре по правилу правого винта. При наличии внешнего магнитного поля 0 B , созданного макротоками, магнитные моменты орбитальных микротоков в окружающей среде будут испытывать ориентирующее действие. С другой стороны, тепловое движение стремится дезориентировать магнитные моменты микротоков. В результате в веществе устанавливается лишь некоторая преимущественная ориентация магнитных моментов в том же направлении, что и внешнее магнитное поле 0 B . Внешнее магнитное поле, кроме того, возмущает орбитальные микротоки в атомах (молекулах) таким образом, что возникают наведенные орбитальные магнитные моменты, направленные строго против внешнего поля 0 B Для количественной характеристики намагниченности вещества используют векторную величину – вектор намагниченности: 1 m V J P V , (10.2) где m V P – векторная сумма магнитных моментов всех орбитальных микротоков, заключенных в некотором объеме V ; J – вектор намагниченности, то есть количественная мера интенсивности намагничения единицы объема вещества под действием намагничивающего поля 0 B Два вектора * B и J связаны между собой соотношением * 0 B J , (10.3) где = 7 4 10 ./ Гн м – магнитная постоянная. Наряду с вектором магнитной индукции 0 B для характеристики магнитного поля макротоков используется еще одна векторная величина H , называемая вектором напряженности магнитного поля. Эти два вектора связаны соотношением 0 0 B H |