Практикум по физике сгасу кафедра физики 2005 Электричество и магнетизм
 Скачать 3.07 Mb.
|
|
. (4.4) Для определения полного сопротивления катушки замыкают ключ К и измеряют силу тока эф , идущего через катушку для различных напряжений U эф на ее концах. Напряжение на зажимах катушки регулируют реостатом. Зная I эф и эф, определим полное сопротивление эф эф I U Z 1 , а затем по формуле (4.4) вычислим индуктивность катушки L. Эти измерения и вычисления повторить при 3-5 различных значениях силы тока. 2. Повторить измерения, описанные в предыдущем пункте, вставив в катушку сердечник. Опыт повторить 3-5 раз для различных значений силы тока. Вычислить индуктивность катушки с сердечником. Результаты измерений и вычислений занести в табл. 1. Таблица 1 Номер измерения Без сердечника С сердечником эф U В эф, А 1 Z , Ом L , Гн L , Гн L L эф U В эф, А 1 Z , Ом L , Гн L , Гн L L 1 2 3 4 5 Упражнение 2. Проверка закона Ома для переменного тока. Полное сопротивление для случая последовательного соединения активного сопротивления, индуктивности и емкости определено соотношением (4.3): эф эф I U С L R Z 2 2 0 1 . Для проверки этой формулы в цепь переменного тока нужно включить последовательно катушку индуктивности с известным активным сопротивлением R 0 и коэффициентом самоиндукции L , конденсатор с известной емкостью С, регулирующее сопротивление реостат r) и амперметр A. Параллельно участку цепи, содержащему катушку и конденсатор, подключить вольтметр V рис. Электричество и магнетизм СГАСУ кафедра физики 2005 21 Рис. 6 Измерения 1. Установив реостат на максимум сопротивления, замыкают ключ К. 2. Изменяя сопротивление реостата, производят измерения тока и напряжения эф и эф. 3. По формуле вычисляют полное сопротивление Z: эф эф I U Z . 4. Делают 3-5 измерений при различных значениях тока. 5. Вычисляют полное сопротивление Z, считая значения емкости С, индуктивности L и активного сопротивления а известными 2 2 0 1 c L R Z . 6. Полученные результаты сравнивают и делают выводы. 7. Результаты измерений и вычислений занести в табл. 2. Таблица 2 Номер измерения эф, В эф, А изм Z , Ом изм Z , Ом выч Z , Ом Примечания 1 2 3 4 5 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Сформулируйте основной закон электромагнитной индукции. 2. В чем заключается явление самоиндукции 3. В каких единицах измеряется индуктивность 4. Чему равно сопротивление катушки индуктивности на переменном токе 5. Как зависит индуктивное сопротивление от частоты переменного тока ? 6. Выведите соотношение для практического определения коэффициента самоиндукции. БИОГРАФИЧЕСКАЯ СПРАВКА Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 г. Отец его был кузнецом, мать - горничной. С двенадцати лет Фарадей работает рассыльным, а затем Лабораторный практикум по физике СГАСУ кафедра физики 2005 подмастерьем переплетчика в книжном магазине. Он имеет возможность держать в руках тысячи книги не только держать, но и читать. Один из покупателей мистер Дэнс, член Королевского института в Лондоне как-то поинтересовался тем, что читает переплетчики с удивлением узнал, что тот увлеченно поглощал последний номер серьезного научного журнала Химическое обозрение. Майкл Фарадей в 21 год решил посвятить себя науке. По совету Дэнса Фарадей пишет письмо сэру Гэмфри Дэви, который сам вышел из средних слоев. Вскоре Фарадей стал помощником Дэви. С октября 1813 года по апрель 1815 года Фарадей сопровождал Дэви в путешествии по Европе и участвовал в проведении химических и физических экспериментов. Например, во Флоренции Дэви с помощью большой линзы сфокусировал солнечные лучина алмазе, помещенном в платиновой чаше внутри сосуда с кислородом, и алмаз загорелся Так было экспериментально подтверждено, что алмаз представляет собой одну из модификаций углерода. В году, готовя обзор известных к тому времени электрических явлений, Фарадей решил повторить все эксперименты, о которых намеревался упомянуть в своей статье. Входе этих опытов ученому удалось показать, что вблизи проводника стоком на полюс магнита воздействует сила, заставляющая полюс описывать круги вокруг проводника. Открытие Фарадея легло в основу принципа работы динамомашины. В 1823 году в Трудах Королевского общества Фарадей опубликовал статьи с изложением методики получения жидкого хлора. В 1824 году научные достижения пытливого исследователя получили официальное признание он стал членом Королевского общества. Вскоре Фарадея назначают директором лаборатории Королевского института. В 1831 году после серии неудачных опытов Фарадей открыл закон электромагнитной индукции, носящий теперь его имя. В 1833 – 1834 годах Фарадей опытным путем установил законы электролиза. В конце х годов Фарадей изучал свойства диэлектриков. В результате в научном обиходе появились термины диэлектрик, диэлектрическая проницаемость, были разработаны методы измерения последней, открыта поляризация диэлектриков. В х годах Фарадей продолжил исследования магнетизма. Он предположил, что магнитное поле действует на все вещества без исключения, а не только на сплавы железа, обладающие магнитными свойствами. Ученый подразделил немагнетики на диа- и парамагнегики (ему принадлежат оба термина) и тщательно изучил первые. Исходя из гипотезы о взаимосвязи между различными физическими явлениями, Фарадей рассмотрел взаимосвязь магнитного поля и света. После многочисленных экспериментов он обнаружил вращение плоскости колебаний линейного поляризованного света, распространяющегося в веществе вдоль постоянного магнитного поля. В 1848 году ученый вывел зависимость магнитных свойств кристалла от направления поля в нем - магнитную анизотропию кристаллов. Последняя лекция прочитана им в 1860 году. Умер Фарадей 25 августа 1867 года. Лабораторная работа № 7 ИЗМЕРЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ Электричество и магнетизм СГАСУ кафедра физики 2005 Цель работы экспериментальное определение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли. Приборы и оборудование набор электроемкостей, генератор звуковой частоты, мост Сотти, реохорд, телефон, измерительная линейка Основы теории Природа магнитного поля Земли сложна ив настоящее время до конца не выяснена. Полюса магнитного поля Земли, находясь вблизи географических полюсов (в северном полушарии расположен южный магнитный полюс, в южном полушарии - северный магнитный полюс, стечением времени медленно изменяют свое положение. Магнитное поле Земли может быть изображено системой магнитных силовых линий (рис, где Си Ю - географические полюса Земли, аи ее магнитные полюса. Рис На достаточном удалении от магнитных полюсов геомагнитное поле можно считать однородным. Направление касательных к силовым линиям магнитного поля Земли определяется направлением магнитных стрелок компаса. Например, у магнитных полюсов магнитные стрелки располагаются вертикально, а на широте Самары – под углом 0 4 67 0 к горизонту. Угол между горизонтом и магнитной стрелкой, вращающейся в вертикальной плоскости, называется магнитным наклонением. Величина проекции вектора напряженности геомагнитного поляна горизонтальную плоскость называется горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли. Вертикальная плоскость, проходящая через горизонтальную составляющую напряженности магнитного поля Земли Н Г , называется плоскостью магнитного меридиана. В ней располагается свободная магнитная стрелка. Угол, который образует плоскость магнитного меридиана с географическим меридианом, называется магнитным склонением. Рис Свойство магнитной стрелки устанавливаться под действием магнитного поля Земли в плоскости магнитного меридиана используется для определения численного значения Н Г с помощью тангенс - буссоля. Тангенс-буссоль представляет собой плоскую вертикальную катушку радиусом R с числом витков N. В центре катушки в горизонтальной плоскости находится магнитная стрелка и лимб с делениями. При отсутствии тока в катушке магнитная стрелка Лабораторный практикум по физике СГАСУ кафедра физики 2005 располагается в плоскости магнитного меридиана Земли. В этой же плоскости должны быть расположены и витки катушки. Если по катушке пропустить ток, то магнитная стрелка отклонится от плоскости магнитного меридиана на некоторый угол α. Это объясняется тем, что на магнитную стрелку действуют два магнитных поля магнитное поле Земли и магнитное поле, созданное током катушки. Магнитная стрелка расположится вдоль равнодействующей силы этих двух магнитных полей (рис. На рис буквами Аи В обозначены сечения витков катушки тангенс-буссоли горизонтальной плоскостью. В сечении А ток в витках катушки направлен к нам, а в сечении Вот нас. Пунктирными окружностями изображены силовые линии магнитного поля катушки стоком (стрелками указаны направления магнитных силовых линий. В соответствии с принципом суперпозиции, вектор H - равнодействующая напряженность суммарного магнитного поля, равен векторной сумме горизонтальной составляющей напряженности геомагнитного поля Г и напряженности магнитного поля катушки стоком K Г H H H Рис. 3 Из рис. 3 видно, что горизонтальная составляющая поля может быть вычислена по известным значениям угла α и поля катушки tg H H k r . (7.1) Величина напряженности магнитного поля в центре кругового тока K H определяется по закону Био-Савара-Лапласа. Закон Био-Савара-Лапласа Элемент тока dl I создает в некоторой точке А магнитное поле, напряженность которого зависит от параметров следующим образом 2 sin 4 1 r Idl dH , (7.2) где r - модуль радиус – вектора, проведенного из элемента проводника в рассматриваемую точку А φ - угол между элементом тока l d I и радиусом-вектором r (рис. Электричество и магнетизм СГАСУ кафедра физики 2005 Рис Вектор H d перпендикулярен плоскости, проходящей через векторы l d I и r . Его направление определяется правилом правого винта. Направления силовых линий магнитного поля и вектора H d совпадают с направлением вращения винта с правой резьбой, движущегося поступательно в направлении тока. На основе этого закона определим напряженность магнитного поля в центре кругового тока. Разобьем круговой ток на бесконечно малые элементы тока l d I . В этом случае 1 ) sin( , так как все элементы тока перпендикулярны радиус-вектору. Кроме того, длина бесконечно малого элемента тока равна d R dl , где R - радиус кругового тока, d - угол, опирающийся на рассматриваемую дугу. Все элементы тока создают магнитное поле, перпендикулярное плоскости витка, и поэтому напряженность магнитного поля в центре кругового тока равна R I R Id dH H 2 4 1 2 0 . (7.3) Если катушка содержит N витков, то напряженность магнитного поля будет враз больше N R I H k 2 . (7.4) Из равенств (7.1) и (7.4) для горизонтальной составляющей напряженности геомагнитного поля окончательно получим расчетное соотношение Г. Экспериментальная часть Электрическая схема установки изображена на рис. 5. Здесь введены обозначения В – источник постоянного напряжения ВС-24м; R - реостат П – переключатель Т – тангенс-буссоль; mA- миллиамперметр. Рис. 5 Измерения 1. Проверьте правильность собранной схемы. Ручка переключателя должна быть в вертикальном положении, те. цепь разомкнута. Лабораторный практикум по физике СГАСУ кафедра физики 2005 2. Установить катушку и магнитную стрелку в плоскости магнитного меридиана. При этом конец магнитной стрелки должен совпасть с 0 делением лимба. 3. Добиться горизонтального расположения столика тангенс-буссоли по уровню, вращая установочные винты. 4. Установить ручку потенциометра выпрямителя ВС-24м на 0. Этой ручкой регулировать величину силы тока цепи. 5. После проверки электрической схемы преподавателем или лаборантом замкнуть цепь. 6. Установить ток вцепи катушки 10 мА, фиксируя углы поворота концов магнитной стрелки 2 1 , 7. Изменить переключателем направление тока в катушке и измерить углы отклонения концов магнитной стрелки 4 3 , 8. Проделать подобные измерения при увеличении тока вцепи через каждые 10 мА до 50 мА. 9. Результаты измерений записать в табл. 1. 10. Для каждого значения силы тока вычислить горизонтальную составляющую поля Земли Н Г , определить среднее значение <Н Г >, вычислить абсолютные ошибки отдельных измерений и найти среднюю абсолютную ошибку <ΔН Г >. Результаты вычислений записать в табл. 1. Таблица 1. Номер измерениям, мА 1, 0 2, 0 3, 0 4, 0 < >, 0 tg H Г, А/м Г, А/м H, А/м < H>, А/м <Н Г> ±<ΔН Г>, А/м 1 10 2 20 3 30 4 40 5 50 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Что называют магнитным наклонением Магнитным склонением Горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли 2. В какой плоскости устанавливается свободная магнитная стрелка 3. Каково устройство тангенс-буссоли ив чем состоит ее принцип действия 4. Чему равна напряженность магнитного поля, созданного током в проводнике, по закону Био-Савара-Лапласа? 5. Чему равна напряженность магнитного поля в центре кругового тока 6. Какова формула, по которой определяют горизонтальную составляющую напряженности магнитного поля Земли в данной работе 7. Какова единица измерения напряженности магнитного поля в системе СИ БИОГРАФИЧЕСКАЯ СПРАВКА Никола Тесла (10.07.1856 - 7.01.1943) родился в Смолянах, в Лике провинция Австро-Венгрии). Семья Тесла не разрешала ему учиться в Политехническом институте, в особенности отец, требовавший, чтобы он стал священником. Когда Никола тяжело заболели стало ясно, что он может не выжить, отец согласился с желанием сына. Словно неким чудом, Тесла вскоре выздоровел. В 1875-1878 годах Тесла учился в Политехническом институте в Граце (Австро-Венгрия), затем - в Пражском университете. Его первая должность - служащий телеграфного учреждения Электричество и магнетизм СГАСУ кафедра физики 2005 в Будапеште. В 1883 году Тесла начинает работать в Страсбурге в Континентальной компании Эдисона и строит модель первого индукционного мотора. В 1884 году уезжает в Нью-Йорк для работы в лаборатории Эдисона. Хотя Эдисон взял его в свою команду, отношения у них не сложились. Система Эдисона использовала постоянный ток, для чего приходилось через каждые несколько миль строить мощные станции. Тесла попытался убедить его в том, что переменный ток более эффективен и менее дорог. Но Эдисон упорствовал, не поддержав его планы относительно использования переменного тока. В конце концов они полностью поссорились, когда Тесла заявил Эдисону, что сможет на практике подтвердить простоту создания новых машин и выгоду их использования. Эдисон пообещал ему 50 тысяч долларов за проведение таких работ на одном предприятии. Тесла подготовил двадцать четыре типа устройств и полностью преобразил завод. На Эдисона это произвело огромное впечатление, тем не менее, оплата таки не была произведена. Изобретатель Джордж Вестингхаус (George Westinghouse) считал Тесла гением. Он купил патенты на разработанные Тесла системы передачи и распределения многофазных токов (включая генераторы, электродвигатели и трансформаторы) и применил их в своей гидроэлектростанции на Ниагарском водопаде. Продажа патентов принесла Тесла около 15 миллионов долларов, что по тем временам составляло огромное состояние. Слава гениального безумца, преследовавшая его, в чем-то соответствовала действительности. Странностей у Тесла хватало. Он панически боялся микробов, поселялся в отеле только в том случае, если номер его апартаментов был кратен трѐм. Фобии и навязчивые состояния сочетались у Тесла с поразительной энергией. Никола Тесла получил финансовую независимость и внимание публики к своим разработкам. Вон открыл явление вращающегося магнитного поляна основе которого построил электрогенераторы высокой и сверхвысокой частот. В 1891 году сконструировал резонансный трансформатор трансформатор Тесла, позволяющий получать высокочастотные колебания напряжения с амплитудой до миллиона вольт, и первым указал на физиологическое воздействие токов высокой частоты. Изобретения Тесла иногда находили весьма необычное применение. Архив известного английского физика и химика сэра Вильяма Крукса содержит многочисленные записи спиритических сеансов, в которых использовалась аппаратура Тесла. С 1936 по 1942 год Никола Тесла был директором проекта "Радуга, в рамках которого был проведѐн печально известный Филадельфийский эксперимент. Согласно официальным данным, он умер 7 января 1943 года. Все его лабораторные записи, письма, дипломы перешли по наследству к племяннику Саве Косановичу, который основал в Белграде музей Николы Тесла. Секретная документация из его сейфа была изъята и более никогда и нигде не упоминалась. Жан Батист БИО (21.04.1774 - 3.02.1862) родился в Париже. Учился в Политехнической школе. С 1800 г. - профессор Коллеж де Франс. С 1803 года - член Парижской академии наука с 1809 года - профессор Парижского университета. Основные научные работы посвящены оптике, электромагнетизму, акустике и истории науки. В 1815 году обнаружил оптическую активность некоторых жидкостей, установив, что они обладают способностью вращать плоскость поляризации. Открыл закон вращения плоскости поляризации света (закон Био). Исследования Био по вращению плоскости поляризации света в кристаллах и органических веществах положили начало сахарометрии. В 1820 году вместе с Ф.Саваромоткрыл закон электродинамики, определяющий напряженность магнитного поля прямого тока (закон Био - Савара). Автор широко известного в свое время курса физики. С 1819 года является членом Петербургской академии наук. Феликс Савар (30.06.1791 - 16.03.1841) родился. в Мезьере. Врач по образованию, он долго работал военным хирургом. С 1816 года занялся физикой. Был профессором Коллеж де Франс, с 1827 года являлся членом Парижской академии наук. Научные работы относятся к акустике, электромагнетизму, оптике, гидромеханике. Проводил исследования границы слышимости, изобрел прибор для определения частоты звука (колесо Савара), изучал акустический резонанс, разрабатывал физические основы конструирования струнных инструментов, предложил конструкцию сирены. В 1820 году вместе с экспериментально открыл закон электродинамики, определяющий величину напряженности магнитного поля, создаваемого Лабораторный практикум по физике СГАСУ кафедра физики 2005 электрическим током (закон Био - Савара). Изобрел для изучения поляризованного света кварцевую пластинку (пластинка Савара), полярископ. Лабораторная работа № 8 ИЗМЕРЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА ПРИ ПОМОЩИ МАГНЕТРОНА Цель работы экспериментальное определение удельного заряда электрона, изучение движения заряженных частиц в поперечном магнитном поле. Приборы и оборудование магнетрон, источник анодного напряжения и накала катода, соленоид, источник питания соленоида, амперметр, вольтметр. Основы теории Одним из электрических способов определения удельного заряда электрона m e/ является метод магнетрона Магнетрон представляет собой двухэлектродную электронную лампу с накаливаемым катодом и холодным анодом, помещенную в магнитное поле. Это поле в данной работе создается соленоидом. Катод лампы располагается вдоль оси цилиндрического анода, так что электрическое поле направлено по радиусу. Лампа помещается внутри соленоида, создающего магнитное поле, индукция которого параллельна катоду. Рассмотрим движение электрона под действием электрического и магнитного полей, перпендикулярных друг другу. На рис изображены траектории электронов в пространстве между катодом и анодом при различных значениях индукции магнитного поля соленоида. При отсутствии магнитного поля ( 0 B ) электроны, испускаемые накаливаемым катодом, под действием электрического поля между катодом и анодом движутся по радиальным траекториям. Если же индукция магнитного поля отлична от нуля ( 0 B ), тона движущиеся электроны будет действовать сила Лоренца, численное значение которой равно sin eVB F , ( 8 . 1 ) где е - заряд электрона В - индукция магнитного поля соленоида V- скорость электрона - угол между направлением вектора скорости электрона и вектора индукции магнитного поля. Если вектор скорости электрона перпендикулярен вектору индукции магнитного поля, то и формула примет вид eVB F |