Практикум. Г. А. Зверев Л. К. Митрюхин
 Скачать 1.62 Mb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова» Г.А. Зверев Л.К. Митрюхин Электростатика, электродинамика и электромагнетизм Лабораторный практикум Чебоксары 2009 Министерство образования и науки Российской Федерации ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова» Г.А. Зверев Л.К. Митрюхин Электростатика, электродинамика и электромагнетизм Лабораторный практикум  Чебоксары 2009 УДК 53(075.8) Э 455 Рецензенты: декан физико-математического факультета ЧГПУ им. И.Я. Яковлева, доцент Алексеев В.В.; доктор физ.-мат. наук, профессор ЧПИ (филиал) МГОУ Филиппов Г.М.; кандидат физ.-мат. наук, доцент ЧПИ (филиал) МГОУ Максимов А.Н.. Составители: Г.А. Зверев, Л.К. Митрюхин Э 455 Электростатика, электродинамика и электромагнетизм: лаб. практикум/ сост. Г.А. Зверев, Л.К. Митрюхин; Чуваш. ун-т. Чебоксары, 2009. 100 с. Настоящий практикум рассчитан на студентов технических факультетов университетов, а также может быть полезен студентам технических институтов. Содержание лабораторных работ соответствует программе курса общей физики по разделу электростатика, электродинамика и электромагнетизм. В каждой работе теоретический материал чередуется описанием экспериментальной установки, электрической схемы и методики измерений. Большое внимание уделено обработке результатов измерений. Утверждено Методическим советом университета Ответственный редактор д-р пед. наук, профессор В.Н. Иванов УДК 53(075.8) Зверев Г.А., Митрюхин Л.К., составление 2009 Общие сведения В процессе проведения физического практикума необходимо научиться творчески подходить к исследовательской работе, правильно выбирать методику эксперимента и измерительные приборы. Теорию лабораторной работы предстоит изучить по учебникам, лекциям и практикуму накануне ее выполнения. Сознательное выполнение эксперимента, внимательность и сосредоточенность на процессе измерений, бережное отношение к приборам – необходимые условия успешного проведения опыта. Студент заранее должен ознакомиться с установкой, на которой ему предстоит выполнять лабораторную работу, для этого кафедрой общей физики выделено определенное время, которое указано в графике на доске объявлений. При подготовке к выполнению лабораторных работ составляется бланк (заготовка) отчета, на котором указываются: фамилия, факультет и номер группы исполнителя, дата выполнения, номер и название лабораторной работы, а также фамилия, имя, отчество преподавателя, ведущего лабораторные занятия (бланк может быть отпечатан на компьютере). На бланке нужно написать основные теоретические сведения и формулы, изобразить принципиальную схему установки. На основании общих закономерностей для каждой искомой величины выводится расчетная формула – уравнение, в левой части которого стоит только искомая величина, а в правой – только измеренные и табличные величины. По ориентировочным значениям измеряемых величин определяют максимальную ошибку метода и необходимое число измерений каждой величины. На бланке отчета студент должен начертить таблицу измеряемых величин. Перед работой студенту необходимо получить допуск к работе. Для этого ему нужно ответить на несколько вопросов по теории и по лабораторной установке, а также рассказать порядок выполнения работы (если в лаборатории есть машины для программированного обучения, то допуск к работе может быть машинным). Только получив подпись преподавателя к допуску, студент может приступить к выполнению лабораторной работы. Монтаж экспериментальной установки в большинстве случаев студент производит самостоятельно по принципиальной или монтажной схемам. Необходимо быть внимательным, строго соблюдать правила по технике безопасности и помнить следующее: Вся электрическая схема монтируется с помощью соединительных проводов. Провода должны быть изолированы, а концы их зачищены, так как они постоянно окисляются, вследствие чего нарушается контакт. Контакты должны быть всюду плотны. Зачищенный конец провода подкладывается под контактный винт по ходу завинчивания винта. Переплетение даже изолированных проводов не допускается. Цепь ведется от источника тока, но подключается источник тока в последнюю очередь. При разборке схемы прежде всего отключается источник тока. Если ток постоянный и нуль шкалы измерительного прибора не на середине ее, а слева, то полюса источника соединяются с одноименными полюсами прибора Все реостаты, включаемые в цепь, должны быть вначале установлены на максимум сопротивления. Потенциометры устанавливаются на нуль подаваемого в контур напряжения. Все ключи и коммутаторы при сборке цепи должны быть разомкнуты. Замыкать цепь без проверки схемы преподавателем или лаборантом категорически запрещается. Цепь замыкается только на время отсчетов. Для соблюдения техники безопасности при работе с электрическими схемами следует: 1) не включать рубильники и вилки без разрешения преподавателя или лаборанта; 2) не включать схему под напряжением без предварительной проверки ее преподавателем или лаборантом; 3) не производить монтаж схем, находящихся под напряжением; 4) не прикасаться к неизолированным частям схемы; 5) не оставлять без наблюдения электрическую цепь, находящуюся под напряжением. Все электроизмерительные приборы классифицируются по следующим основным признакам: а) по роду измеряемой величины: амперметры, вольтметры, омметры, счетчики, ваттметры и др.; б) по роду тока: приборы постоянного и переменного тока; в) по принципу действия: магнитоэлектрические; электромагнитные; электродинамические; индукционные; тепловые; электростатические и др.; г) по степени точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0 классов. На шкалу прибора наносится символ, указывающий принцип действия прибора, род тока – постоянный () или переменный (), установки прибора – вертикально (), горизонтально (―), пробивное напряжение изоляции (2 кВ); класс точности и др.. Основные обозначения, наносимые на панели электроизмерительных приборов, приведены в Приложениях П1 – П4. Собрав схему установки, отрегулировав ее и показав преподавателю (при необходимости лаборанту), производят измерения, внося их результаты в бланк отчета. Если результаты измерений записаны неправильно или не удовлетворяют экспериментатора, измерения нужно повторить и записать их результаты в новую таблицу того же бланка отчета. Проделав все необходимые измерения и записав их, производят контрольные расчеты, т.е. подсчитывают одну или несколько искомых величин. Бланк отчета с результатами контрольного расчета предоставляется на подпись преподавателю. Результаты измерений и подсчитанные величины обрабатываются в соответствии с математическими методами обработки результатов физических измерений. Абсолютная погрешность измерений, производимых электроизмерительными приборами, оценивается исходя из класса точности приборов. Обозначение класса точности 0,2; 0,5; 1,0 и т.д. не только характеризует прибор в зависимости от системы, конструкции, качества материалов, точности градуировки и других факторов, но и указывает, что погрешность показаний прибора соответствующего класса в любом месте шкалы не должна превышать 0,2%; 0,5%; 1%. Если обозначим через А0 максимально возможное показание прибора, а через n – номер класса прибора, то получим абсолютную погрешность прибора  .Амперметр класса 1,5 рассчитанный на максимальное показание 5 А, имеет абсолютную погрешность  .Так как абсолютная погрешность считается одинаковой по всей шкале данного электроизмерительного прибора, то относительная погрешность  будет тем больше, чем меньше измеряемая величина. При точных измерениях следует пользоваться такими приборами, чтобы предполагаемое значение измеряемой величины составляло 70-80% от максимального (номинального) значения. Поэтому применяют приборы, имеющие несколько пределов измерений; при работе с таким прибором его включают в цепь на тот предел измерений, который достаточно близок к предполагаемому значению измеряемой величины.В сроки, установленные графиком выполнения и защиты лабораторных работ, должна быть защищена (сдана) каждая работа, о чем на бланке и в журнале преподавателя делается соответствующая отметка. Для самоконтроля в конце каждой работы имеются контрольные вопросы и задания. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЙ ВАННЫ Приборы и принадлежности: установка ФН9, набор сменных электродов. Цель работы: ознакомление с основными характеристиками электрического поля и построение эквипотенциальных линий для различных конфигураций электростатического поля. Теоретическое введение При конструировании электронных ламп, конденсаторов, электронных линз и других приборов часто требуется знать распределение электрического поля в пространстве, заключенном между электродами сложной формы. Аналитический расчет поля удается только при самых простых конфигурациях электродов и в общем случае невыполним. Сложные электрические поля исследуются поэтому экспериментально. Для измерений часто пользуются методом электролитической ванны. Измерения в электролитической ванне производят с помощью электродов, форма которых воспроизводит натуру в некотором масштабе, чаще всего увеличенном. Электроды располагают друг относительно друга так же, как они расположены в моделируемом приборе. На них подают потенциалы, равные натуральным или измененные в некотором отношении (обычно уменьшенные). При этом между электродами образуется электрическое поле, отличающееся от исследуемого по напряженности, но с точностью до масштаба совпадающее с ним по конфигурации. Если заполнить пространство между электродами слабо проводящей жидкостью, замена непроводящей среды на проводящую может изменить распределение электрического поля. В этом случае, когда электропроводность среды мала и, следовательно, мал ток, протекающий через жидкость, вектор напряженности  практически точно перпендикулярен поверхности электродов, так что границы последних являются эквипотенциальными поверхностями. Так как сказанное имеет место и в том случае, когда среда совсем не проводит тока, то граничные условия в натуральном приборе и электролитической ванне на электродах совпадают.Таким образом, при определенных условиях распределение поля в электролитической ванне с достаточной точностью воспроизводит распределение поля в непроводящей среде (в пустоте или воздухе) при том же расположении электродов. В то же время измерение поля в проводящей среде существенно проще, чем в непроводящей. Обычно в электролитической ванне производится измерение не вектора напряженности поля, а электрических потенциалов. Для измерений в жидкость вводят зонд – тонкий металлический провод, соединенный с измерительной аппаратурой. Изменяя потенциал зонда Z, можно добиться того, чтобы протекающий через него ток стал равен нулю. Потенциал зонда равен в этом случае потенциалу, который имелся в исследуемой точке до введения зонда. Введение в жидкость металлических проводников-зондов изменяет распределение поля в жидкости, так как вдоль зонда принудительно устанавливается одинаковый электрический потенциал. Измерительные зонды поэтому не вызывают искажений лишь в том случае, если они располагаются вдоль линий, которые и до внесения зонда обладали одинаковым потенциалом. То есть зонд должен быть тонким. Влияние толщины зонда зависит от соотношения между его диаметром и шириной области, на протяжении которой происходит существенное изменение потенциала электрического поля. Обычно искажения, связанные с размерами зонда, оказываются незначительными. Эти искажения становятся особенно малыми при измерениях с помощью моделей, изготовленных в сильно увеличенном масштабе. Описание установки Измерения на электролитической ванне лучше всего производить, используя для питания источники переменного тока, так как при работе с постоянным током происходит так называемая «поляризация» электродов, из-за которой уменьшается ток через электролит и изменяется распределение потенциалов. В ванну с хорошими электролизующими свойствами, помещают электроды А и В, поле между которыми хотят изучить. Ванна заполняется жидким электролитом, проводимость которого мала по сравнению с проводимостью металла. Электроды А и В опираются на дно ванны и возвышаются над поверхностью налитого в ванну электролита (рис. 1.1). Г  еометрическое место всех точек поля, для которых в цепи зонда ток будет равен нулю (при данном положении движка реохорда), образует эквипотенциальную поверхность в исследуемом поле.Процесс изучения исследуемого поля сводится к следующему: перемещая по этапам движок на делителе напряжения, придают движку различные значения потенциала. Для каждого установленного на движке значения потенциала находят путем перемещения зонда в ванне соответствующую эквипотенциальную поверхность исследуемого поля. Теперь остается только выяснить, каким образом надо рационально фиксировать положение и форму всех находимых с помощью зонда эквипотенциальных поверхностей изучаемого поля. Это можно осуществить графически с помощью специального прибора, называемого пантографом (рис. 1.2). К концу рычага п  антографа прикрепляется вертикальный зонд, могущий беспрепятственно вместе с рычагом перемещаться в горизонтальной плоскости над электролитической ванной, в которой создано поле. Контуры этой ванны показаны в правой части рисунка пунктиром. Нижний конец зонда погружен в электролит, а верхний при помощи гибкого провода соединен с гальванометром. Таким устройством зонда с рычагами можно обследовать всю ванну.Для фиксации эквипотенциальных поверхностей служит левая часть пантографа. К концу рычага 1 пантографа прикреплен вертикальный стержень с заостренным наконечником. Стержень может свободно перемещаться вместе с рычагами над листом бумаги, контуры которого показаны на рисунке слева сплошной линией. Стержень в нормальном состоянии приподнят над бумагой и движется в горизонтальной плоскости, не касаясь поверхности бумаги. При нажиме сверху на стержень заостренный конец стержня достает до бумаги. Система рычагов пантографа устроена таким образом, что все горизонтальные перемещения зонда в ванне автоматически воспроизводятся перемещениями стержня над листом бумаги. Пусть зондом с помощью гальванометра отыскиваются в ванне точки на исследуемой в данный момент времени эквипотенциальной поверхности. Если после нахождения каждой точки нажимать на стержень пантографа, то этот стержень будет наносить точку (отметку) на лежащей под ним бумаге. Если нанести на бумагу таким образом отметки, соответствующие всем отысканным с помощью зонда точкам некоторой эквипотенциальной поверхности, то, соединяя потом эти отметки на бумаге плавной линией, мы воспроизведем на бумаге геометрическую форму и размеры горизонтального сечения исследуемой эквипотенциальной поверхности. Таким образом, по ходу работы с помощью зонда можно зафиксировать все находимые эквипотенциальные поверхности. Если предварительно обойти (ощупать) зондом контуры поверхности электродов (это будут, по условиям опыта, также эквипотенциальные поверхности), непрерывно нажимая при этом на стержень, мы автоматически получим на бумаге контуры сечений установленных в ванне электродов. Разумеется, при всех описанных операциях лист бумаги под карандашом пантографа должен быть закреплен, иначе можно исказить всю геометрическую картину поля в результате случайных сдвигов бумаги. Указанным способом можно получить семейство эквипотенциальных линий. Так как эквипотенциальные поверхности и силовые линии ортогональны, то легко дополнить полученную картину и силовыми линиями. Это даст полное представление об изучаемом электростатическом поле. Описанный метод исследования электростатического поля имеет не только иллюстративное значение, но и широкое применение в практике. Этот метод практически полезен для изучения сложных электростатических полей, точный расчет которых затруднителен из-за сложности граничных условий (многоэлектродные радиолампы в отсутствие заряда, электростатические линзы, фотоэлектронные умножители). При этом принципиальное значение имеет правило подобия потенциальных полей, позволяющее в большом масштабе воспроизводить подлежащие изучению поля. Правило утверждает, что если размеры электродов, создающих поле, и все расстояния между электродами изменены в одной пропорции, то структура поля остается прежней. При практическом выполнении задачи очевидно, что отыскание зондом эквипотенциальных поверхностей не должно проводиться бессистемно. Необходимо для каждого набора установленных в ванне электродов руководствоваться разумными соображениями о возможной в общих чертах конфигурации поля. В частности, необходимо привлекать при предварительном рассмотрении поля свойства симметрии данной системы электродов. Но для полного анализа структуры поля необходимы планомерные опыты с зондом. Наконец, необходимо в ходе опытов обеспечивать безопасные для гальванометра условия работы. Именно устанавливая то или иное положение движка на делителе напряжения, надо перемещать зонд в соответствующее положение. |