Практикум. Г. А. Зверев Л. К. Митрюхин

• Название: Г. А. Зверев Л. К. Митрюхин
• Анкор: Практикум
• Дата: 29.09.2020
• Размер: 1.62 Mb.
• Имя файла: Laboratorny_praktikum_1.doc
• Тип: Практикум; #140063
• страница: 8 из 11

Контрольные вопросы и задания

1. 
   Напишите и сформулируйте закон Био–Савара–Лапласа.
   
2. 
   Каков физический смысл индукции магнитного поля?
   
3. 
   Вычислите индукцию магнитного поля в центре кругового тока.
   
4. 
   Начертите график зависимости индукции магнитного поля от расстояния между двумя параллельно расположенными круговыми токами при одинаковых и противоположно направленных токах (качественно). Центры круговых токов расположены на прямой, перпендикулярной плоскости круговых токов.
   

Литература

1. Гл.14. §109-110. С.202-206. §118,119. С.214-217.2. Гл.22. §22.2-22.3. С.285-292. 8. Гл.III. §3.1-3.2. С.55. 11. Ч.III. §86. С.118.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 10
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ВЕКТОРА ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

И ПЕРЕВОДНОГО МНОЖИТЕЛЯ

ТАНГЕНС-ГАЛЬВАНОМЕТРА
Приборы и принадлежности: тангенс-гальванометр, амперметр, реостат, источник постоянного тока.

Цель работы: ознакомление с основными количественными характеристиками магнитного поля Земли, определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли (В₀)по углу отклонения магнитной стрелки в результирующем магнитном поле Земли и тангенс-гальванометра.
Теоретическое введение

Земля представляет собой естественный магнит, полюса которого располагаются недалеко ( 300 км) от географических полюсов. Магнитный полюс Земли, который расположен на севере, называется Южным магнитным полюсом, другой, соответственно на юге, – Северным магнитным полюсом.

Через магнитные 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. Таким образом, каждой точке на Земле будут соответствовать не только географические, но и магнитные координаты.

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 напряженности магнитного поля Земли в данной точке.

Но так как магнитное поле Земли – это поле прямого магнита,

я сно, что силовые линии этого поля лишь на магнитных полюсах вертикальны, а на магнитном экваторе горизонтальны. В любой другой точке земной поверхности силовая линия, касательная к ней индукция магнитного поля и, следовательно, свободно подвешенная стрелка располагаются под каким-то углом к вертикали в этой точке Земли и, значит, под каким-то углом к горизонтальной плоскости в данной точке (рис. 10.1). 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 расположенной магнитной стрелки характеризуется двумя углами  и , определенными для данной точки Земли.

Магнитное склонение  – угол между направлениями географического и магнитного меридианов (рис. 10.2).

Различают восточное и западное склонение (северный полюс стрелки отклоняется соответственно вправо или влево от географического меридиана).

Магнитное наклонение  – угол между направлением напряженности магнитного поля в данной точке и горизонтальной плоскостью (рис. 10.3). Наклонение может быть северное или южное (северный или южный конец стрелки ниже горизонтальной плоскости).

Эти два угла – склонение и наклонение – называют элементами земного магнетизма.

М агнитное поле Земли подвержено суточным, годовым, вековым и т.п. колебаниям. Соответственно меняются и элементы земного магнетизма.

Описание экспериментальной установки


n

s

+



Источник

постоянного

тока







Рис. 10.4

Т ангенс-гальванометр представляет собой плоскую вертикальную катушку радиуса R с некоторым числом витков N, в центре которой в горизонтальной плоскости расположена короткая магнитная стрелка (компас) (рис. 10.4). Конец стрелки может перемещаться по шкале, разделенной на градусы. Магнитная стрелка при отсутствии тока в катушке будет расположена по магнитному меридиану Земли. Поворотом вокруг вертикальной оси можно добиться совмещения плоскости катушки с плоскостью магнитного меридиана; в этом случае стрелка компаса находится в плоскости катушки. После такой установки катушки пропускают по ней ток, в результате чего магнитная стрелка повернется на некоторый угол . Объясняется это тем, что на магнитную стрелку будут действовать два поля: горизонтальная составляющая магнитного поля Земли и поле , созданное током. Под действием этих полей магнитная стрелка займет такое положение равновесия, при котором равнодействующая двух полей будет совпадать с линией, соединяющей полюса магнитной стрелки ns.

На рис. 10.4 – NS – направление магнитного меридиана Земли; а и б – сечения витка катушки горизонтальной плоскостью; ns – магнитная стрелка, помещенная в центре катушки; – вектор горизонтальной составляющей индукции поля Земли; – вектор индукции магнитного поля, созданного током. Из рис. 10.4 видно, что , а следовательно

. (1)
Величина индукции В₁ поля, созданного током в центре катушки, рассчитывается по закону Био–Савара–Лапласа

,

где I - сила тока, текущего в витке; R - радиус витка; N - число витков; ₀ - магнитная постоянная, равная 4·10^-7 Гн/м.

Подставляя В₁ в формулу (1) получим

. (2)

Этой формулой пользуются для опытного определения В₀. Кроме того, из выражения (2) можно получить

. (3)

Анализ формулы (3) показывает, что сила тока в катушке пропорциональна тангенсу угла отклонения магнитной стрелки от горизонтальной составляющей вектора индукции магнитного поля Земли. Таким образом, этот прибор может служить также для измерения силы тока. В формуле (3) множитель

(4)

является постоянным для данного прибора, его называют переводным множителем тангенс-гальванометра. Таким образом, формулу (3) можно переписать так

. (5)

О тсюда следует, что постоянная С численно равна тому току, который протекает по виткам, когда угол отклонения стрелки равен 45^о. Для производства измерений пользуются схемой, представленной на рис. 10.5, где введены следующие обозначения: ТГ – тангенс-гальванометр, R – реостат, А – амперметр, П – переключатель.

Из выражений (3) и (5) получаем

. (6)

Порядок выполнения работы

1. 
   Собрать цепь по схеме рис. 10.5 и установить плоскость катушки в плоскости магнитного меридиана Земли (см. выше).
   
2. 
   Включив полностью реостат R, присоединить собранную цепь к зажимам источника постоянного напряжения. Задать необходимую силу тока в катушке реостатом. Дождаться, когда магнитная стрелка придет в равновесие. Отсчитать углы '₁ и '₂ по обоим концам стрелки для уничтожения эксцентриситета стрелки (несовпадение оси стрелки с центром шкалы) и записать в таблицу наблюдения уже средние из этих значений . Измерить силу тока по амперметру А.
   
3. 
   Не меняя силы тока, изменить его направление переключателем П и измерить величину " опять по обоим концам стрелки. Переключение направления тока необходимо производить для уничтожения возможной ошибки из-за неточной установки плоскости катушки в плоскости магнитного меридиана.
   
4. 
   Повторить опыт не менее 10 раз при различных силах тока. Сила тока может регулироваться изменением сопротивления реостата R.
   
5. 
   Результаты измерений и постоянные величины занести в таблицу 10.1.
   

Таблица 10.1

Номер измер.	I, А	', град	", град	, град	tg	N вит.	R, см	0, Гн/м	В0, Тл	С, А

6. 
   Выписать ошибки прямых измерений и физических констант.
   
7. 
   Построить график I=f(tg).
   
8. 
   По графику найти значение С и по формуле (6) вычислить В₀.
   

Значение  берется равным среднему арифметическому '₁ и '₂:

.

Расчет ошибок. За абсолютные погрешности прямых измерений взять приборные ошибки, т.е.

;

.

Относительные погрешности результатов косвенных измерений В₀ и С найти по формулам

;

.

Записать результаты опытов в виде:

,



и сделать заключение по работе.
Контрольные вопросы и задания

1. 
   Определите элементы земного магнетизма.
   
2. 
   Как устанавливается магнитная стрелка в магнитном поле?
   
3. 
   Сформулируйте закон Био–Савара–Лапласа.
   
4. 
   Как определить направление индукции магнитного поля элемента с током?
   
5. 
   Определите индукцию в центре кругового тока; отрезка прямолинейного проводника.
   
6. 
   Объясните устройство и принцип действия тангенс-гальванометра.
   
7. 
   Каков физический смысл переводного множителя тангенс-гальванометра С?
   
8. 
   В каком случае положение магнитной стрелки в поле и будет наиболее устойчивым?
   

Литература

1. Гл.14. §109-110. С.202-206.2. Гл.22. §22.1-22.2. С.282-289. 5. Р.52. С.284.


Лабораторная работа 11
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИВОЙ НАМАГНИЧИВАНИЯ ЖЕЛЕЗА

ПО МЕТОДУ СТОЛЕТОВА
Приборы и принадлежности: милливольтметр, миллиамперметр, железное кольцо с двумя обмотками, двойной переключатель, реостат и источник постоянного тока.

Цель работы: построение кривой намагничивания железа классическим методом Столетова, экспериментальное изучение эффекта насыщения намагниченности ферромагнетика, получение зависимостей В от Н,  от Н и J от Н методом Столетова.
Теоретическое введение

В пространстве, окружающем упорядоченно движущиеся электрические заряды, существует магнитное поле, которое характеризуется вектором магнитной индукции .

Магнитное поле создается не только зарядами, движущимися в проводнике под действием электрического поля (макротоки), но и зарядами, движущимися в атомах и молекулах вещества (микротоки). По современной теории магнитное поле микротоков создается орбитальными магнитными моментами электронов, вращающихся вокруг ядер атомов, а также спиновыми магнитными моментами электронов. В ферромагнитных веществах магнитное поле создается в основном спиновыми магнитными моментами их электронов.

В обычном состоянии совокупность микротоков вещества не вызывает магнитного поля, так как магнитные моменты отдельных микротоков ориентированы в веществе беспорядочно и их результирующий момент равен нулю. Под действием внешнего магнитного поля, в которое помещается вещество (например, железный сердечник первичной катушки, по которой пропускается ток I), магнитные моменты микротоков получают упорядоченную ориентировку. При этом магнитный момент намагниченного тела объемом V равен

. (1)

Для характеристики степени намагниченности вещества (магнетика) вводят понятие его намагниченности, или вектор намагничения :

, (2)

где V – объем, в пределах которого учтены магнитные моменты всех микротоков.

Из формулы (2) следует, что намагниченность есть суммарный магнитный момент всех атомов единицы объема магнетика.

Магнитная индукция в веществе складывается из индукций поля макротоков и поля микротоков :

. (3)

Между и теория устанавливает соотношение:

, (4)

где  – относительная магнитная проницаемость вещества, показывающая во сколько раз индукция в веществе В больше индукции в вакууме В₀ при одной и той же напряженности поля Н

, (5)

где ₀ – магнитная постоянная, Гн/м.

Из формулы (5) получаем

, (6)

или в векторной форме , где коэффициент называется магнитной восприимчивостью вещества.

Магнитная проницаемость ферромагнитных веществ сложным образом зависит от Н, эта зависимость обычно определяется экспериментально. Впервые она была изучена профессором Московского университета А.Г. Столетовым (1872 г.).