Главная страница
Навигация по странице:

  • Какой вывод следует из равенства нулю магнитного потока через замкнутую поверх- ность

  • Исследование магнетизма. Лаба 14. Исследование динамических характеристик


    Скачать 114.88 Kb.
    НазваниеИсследование динамических характеристик
    АнкорИсследование магнетизма
    Дата12.04.2021
    Размер114.88 Kb.
    Формат файлаpdf
    Имя файлаЛаба 14.pdf
    ТипИсследование
    #194096

    РАБОТА 14
    ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
    МАГНИТНОГО ПОЛЯ
    (магнитный поток, самоиндукция, индуктивность)
    Цель работы: Ознакомление с методикой измерения индукции магнитного поля, исследова- ние магнитного поля в плоскости кругового тока, экспериментальное определение магнитно- го потока и индуктивности.
    Приборы и принадлежности: лабораторный макет установки для исследования магнитного поля кругового тока (рис. 1).
    В работе используется планшет (1), с нанесенной на него координатной сеткой. На планшете установлено кольцо (2), внутри которого медным проводом намотана катушка.
    Кольцевая катушка (2) под- ключена к генератору (3), ин- дукция магнитного поля, со- зданного током, протекающим в катушке (2), измеряется в разных точках планшета ка- тушкой-датчиком (4), подклю- ченной к измерительной схеме
    (5). В процессе измерения ис- следователь поворачивает дат- чик (4) в горизонтальной плос- кости, добиваясь максималь- ных показаний вольтметра из- мерительной схемы. На корпу- се датчика (4) нанесена стрел- ка, направление которой совпадает с осью катушки. Помещая датчик в различные точки планшета, и, измеряя индукцию магнитного поля в данной точке, можно построить картину исследуемого поля.
    Исследуемые закономерности
    Магнитное поле кругового тока. Индукция магнитного поля, создаваемого током, протекающим в проводнике произвольной формы, в общем случае, может быть рассчитана с помощью закона Био – Савара – Лапласа
    2 0
    4
    r r
    I
    d






    ×
    π
    µµ
    =
    r dl
    B
    Соответствующий расчет индукции магнитного поля на оси кругового тока
    (вдоль оси у на рис. 1) приводит к выраже- нию
    (
    )
    2 0
    3 2
    2 2
    y
    NIR
    B
    R
    y
    µµ
    =
    +
    , (1)
    Рис. 2 где R – радиус кругового тока, I – сила тока, N – число витков в катушке.

    Поле в плоскости витка симметрично относительно оси кругового тока. Вектор ин- дукции поля перпендикулярен плоскости витка (также направлен вдоль оси у). Рис. 2 иллю- стрирует результаты расчета индукции магнитного поля в пределах круга, ограниченного витком радиуса R.
    Магнитный поток. Соображения симметрии позволяют построить качественно кар- тину магнитного поля, создаваемого круговым током. Напомним, что линиями индукции магнитного поля являются линии, касательные к которым в любой их точке совпадают с направ- лением вектора индукции магнитного поля в этой точке, а густота линий пропорциональна значе- нию величины магнитной индукции. Картину магнитного поля на плоскости можно наблюдать визуально, если на плоский немагнитный лист насыпать мелкие железные опилки.
    Магнитным потоком называют физиче- скую величину, определением которой следует считать выражение
    BdS
    =
    Φ
    d
    , из которого следует




    =
    =
    =
    =
    Φ
    S
    S
    S
    n
    S
    dS
    B
    BdS
    dS
    )
    cos( n
    B
    Bn
    BdS
    , (2)
    (см. рис. 3). Единицей магнитного потока в СИ служит 1 Вебер (Вб).
    Поскольку магнитное поле является вихревым, то магнитный поток через произ- вольную замкнутую поверхность равен нулю. Это фундаментальное свойство выражается интегральным соотношением
    0
    =

    S
    BdS
    , (3) которое является одним из уравнений Максвелла.
    Изменение во времени магнитного потока приводит к возникновению вихревого электрического поля. Если магнитный поток охвачен проводящим контуром, в последнем индуцируется электродвижущая сила dt d
    E
    Ψ

    =
    , (4) где Ψ - магнитный поток, «сцепленный» с проводящим контуром, т.е. – магнитный поток, усредненный по всем поверхностям, опирающимся на линии тока в контуре. В простейшем случае для контура, состоящего из N витков, это означает
    Φ
    =
    Ψ
    N
    Индуктивность. Индуктивность (L) называют также коэффициентом самоиндукции, поскольку эта величина определяет электродвижущую силу самоиндукции в контуре при изменении силы тока в нем. dt dI
    L
    E
    ñè

    =
    . (5)
    Выражение (4) часто называют динамическим определением индуктивности. Во всех случаях считается, что магнитный поток, сцепленный с контуром, пропорционален силе тока в этом контуре. Из выражений (4) и (5) следует, таким образом, статическое определение индуктивности.
    LI
    =
    Ψ
    . (6)

    В известном смысле индуктивность характеризует энергию, запасенную в контуре, при прохождении через него тока. Соответствующее выражение
    2 2
    LI
    W
    m
    =
    (7) называют энергетическим определением индуктивности.
    Измерение индукции магнитного поля. Процесс измерения значений индукции маг- нитного поля основан на использовании явления электромагнитной индукции dt d
    U
    Φ

    =
    Поскольку катушка, создающая исследуемое магнитное поле, питается переменным током частоты f, то fBSw
    U
    π
    2 1
    =
    , (8) где S – эффективная площадь сечения катушки датчика, w – число витков катушки датчика.
    Указания по выполнению наблюдений
    1.
    Включить генератор, питающий катушку кругового тока, измерить силу тока, проте- кающего в катушке. Поместить катушку-датчик в центр витка, измерить максималь- ное напряжение, индуцированное в катушке. Пользуясь выражением (1) и параметра- ми макета, указанными на панели установки, вычислить значение индукции магнит- ного поля в центре витка и определить масштабный коэффициент (Тл/В) для данного макета. Здесь и далее координаты датчика определять по положению центра его про- екции на плоскость планшета.
    2.
    Измерить распределение индукции магнитного поля в плоскости витка. Для этого, пе- ремещая датчик по радиусу витка от центра к токоведущей обмотке в обе стороны, измерять максимальные значения индуцированного напряжения в точках, лежащих на радиусе витка, на расстояниях примерно 0.5 см одна от другой.
    3.
    Выбрав на планшете произвольным образом расположенный отрезок прямой длиной около 5 см, измерить на этом отрезке в 10 точках на равных расстояниях значения проекций индукции магнитного поля на нормаль к этому отрезку.
    Задание на подготовку к работе:
    1.
    Выполните индивидуальное домашнее задание.
    2.
    Изучите описание лабораторной работы.
    3.
    Запишите расчетную формулу для определения масштабного коэффициента.
    4.
    Выведите формулы для определения проекций и результирующих величин индукции магнитного поля во всех характерных областях, где будут проводиться измерения.
    5.
    Выведите формулы для определения погрешностей проекций индукции магнитного поля и ее результирующих величин, основываясь на величинах инструментальных по- грешностей измерения индуцированного напряжения и координат.
    6.
    Подготовьте бланк Протокола наблюдений, основываясь на содержании раздела
    «Указания по проведению наблюдений», разработайте и внесите в бланк Протокола наблюдений таблицы для записи результатов измерений, описанных в пунктах 1 - 5.
    Задание по обработке результатов:
    1.
    По данным таблиц наблюдений определите значения индукции магнитного поля в точках, где проводились измерения (пункты 2, 3).
    2.
    Нанесите на график, использовав те же оси, что и на рис. 2, ход изменения индукции магнитного поля в плоскости витка (только экспериментальные точки). Воспользо-
    вавшись рис. 2 и параметрами установки, нанесите на этот же график рассчитанные кривые. Сравните полученные результаты.
    3.
    Рассчитайте, используя результаты измерений п. 2, магнитный поток, сцепленный с исследуемым круговым током. Определите индуктивность катушки кругового тока.
    4.
    Рассчитайте электродвижущую силу самоиндукции в исследуемом контуре.
    5.
    Изменяя положение датчика по вертикали на небольшую (не более 1 см) высоту, можно заметить, что магнитная индукция при таких перемещениях практически не изменяется. Таким образом, отрезок прямой, выбранный в п. 3 раздела «Указаний по выполнению наблюдений», можно считать нижней стороной прямоугольника высо- той 1 см, расположенного перпендикулярно планшету лабораторного макета. Вос- пользовавшись результатами измерений п. 3, вычислить значение магнитного потока через указанную прямоугольную площадку.
    6.
    Начертите на листе миллиметровой бумаги формата А4 эскиз установки с проекцией на его плоскость катушки кругового витка и осями координат. Нанесите на чертеж не- сколько векторов индукции магнитного поля (6 – 8 точек в каждой области, где про- водились измерения).
    7.
    Рассчитайте для выбранных векторов индукции погрешности их модулей, запишите полученные результаты в стандартном виде на чертеже, рядом с соответствующим вектором.
    8.
    Сформулируйте выводы по проведенному исследованию.
    Контрольные вопросы
    1.

    Какой вывод следует из равенства нулю магнитного потока через замкнутую поверх- ность?
    2.
    Сформулируйте закон индукции.


    написать администратору сайта