Вказівки до виконання роботи. Контрольні запитання

Лабораторна робота № 3.6. ВИВЧЕННЯ МАГНІТНОГО ПОЛЯ КОРОТКОГО СОЛЕНОЇДА

Контрольні запитання

Хід роботи

1. Скласти електричне коло за схемою на рисунку 3.5.1.

2. Звільнити магнітну стрілку від аретиру, рамку повернути так, щоб її площина збігалася з напрямом орієнтації стрілки.

3. Увімкнути джерело струму, встановити певну силу струму I, відмітити кут j (тричі, включити та виключити струм).

4. Аналогічно виміряти кут j при трьох різних силах струму I. Результати вимірювання занести до таблиці 3.5.1.

5. За формулами (3.5.3) та (3.5.4) обчислити B _Г та H _Г.

6. Знайти середні значення B _Г та H _Г та занести їх до таблиці 3.5.1.

Таблиця 3.5.1

№ пор.	I, A	j	jср	N	R, м	В Г, Тл	Н Г, А/м

1. Що таке магнітне поле?

2. Що називають силовими лініями індукції магнітного поля?

3. Зобразіть картину силових ліній магнітного поля Землі.

4. В чому різниця між індукцією та напруженістю магнітного поля? Який між ними зв’язок?

5. У чому полягає принцип суперпозиції магнітних полів?

6. Що називають силою Ампера? Сформулюйте правило для визначення напрямку цієї сили.

7. Сформулюйте та запишіть закон Біо-Савара − Лапласа.

8. Виведіть формулу для індукції та напруженості магнітного поля в центрі колового провідника зі струмом.

Мета роботи – визначити індукцію магнітного поля в різних точках осі короткого соленоїда.

Для виконання роботи слід вивчити такий теоретичний матеріал: індукція магнітного поля; закон Біо – Савара – Лапласа; принцип суперпозиції магнітних полів; закон повного струму (циркуляція вектора магнітної індукції); розрахунок магнітних полів тороїда та соленоїда; напруженість магнітного поля.

[ 1, т.2, §§ 8.1, 8.2, 8.4, 8.6; 2, §§ 109, 110, 112, 118, 119; 3, §§ 9.2, 9.3;
4, т.2, §§ 40, 42, 47, 49–51.]

Струм, який протікає по провіднику, створює в навколишньому просторі магнітне поле. Для створення магнітних полів використовують провідники різних форм та розмірів, серед яких типовим є соленоїд. Соленоїд – це провідник, намотаний на циліндричний каркас. Лінії індукції магнітного поля соленоїда показані на рис. 3.6.1.

Магнітні поля, створені різними провідниками зі струмом, розраховуються за законом Біо – Савара – Лапласа. Проте в деяких випадках (наприклад, в розрахунках поля тороїда або соленоїда) зручно використовувати закон повного струму: циркуляція вектора індукції магнітного поля вздовж довільно вибраного у просторі замкненого контуру дорівнює алгебричній сумі струмів, охоплених даним контуром, помноженій на mm_o:

, (3.6.1)

де – індукція магнітного поля в довільній точці вибраного контуру L; – елемент довжини контуру; m _о = Гн/м – магнітна стала; m – відносна магнітна проникність середовища; – алгебрична сума струмів, охоплених даним контуром.

При розрахунку суми струмів позитивним слід вважати такий струм, напрям якого зв’язаний з напрямком обходу контуру правилом „правого гвинта”; струм протилежного напряму слід вважати негативним (рис. 3.6.2).

Користуючись законом повного струму, можна вивести формулу для індукції магнітного поля В у центрі довгого соленоїда або тороїда зі струмом І:

, (3.6.2)

де I – струм у витках; – кількість витків на одиницю довжини соленоїда або тороїда.

Розрахунки, виконані на підставі закону Біо – Савара – Лапласа, дають змогу отримати формулу для індукції магнітного поля в довільній точці на осі соленоїда обмеженої довжини:

, (3.6.3)

де – кути між віссю соленоїда та радіус-векторами, проведеними з даної точки до кінців соленоїда (рис. 3. 6.3).

Для нескінченно довгого соленоїда і вираз (3.6.3) стає тотожним виразу (3.6.2).

Враховуючи геометричні розміри соленоїда (рис. 3.6.3), значення та можна виразити через довжину l та радіус соленоїда і вираз (3.6.3) записати у вигляді:

; (3.6.4)

де l, R – відповідно довжина та радіус соленоїда; x – координата точки.

Досліджуючи цю функцію на екстремум, можна встановити, що індукція магнітного поля досягає максимуму при x = l/ 2. Таким чином, індукція магнітного поля максимальна у центрі короткого соленоїда і дорівнює:

. (3.6.5)

Для визначення індукції магнітного поля в різних точках осі короткого соленоїда у даній роботі користуються балістичним гальванометром – дзеркальним магнітоелектричним гальванометром з великим періодом власних коливань рамки (10...20 с), який з’єднаний з вимірювальною котушкою. Це досягається збільшенням моменту інерції рухомої частини приладу. При балістичних вимірюваннях час протікання струму повинен бути значно меншим, ніж період власних коливань рамки. Якщо ця умова виконується, максимальне відхилення стрілки гальванометра пропорційне кількості електричного заряду, який пройшов по колу:

, ( 3.6.6)

де C – стала величина.

Для виконання роботи складають коло за схемою, зображеною на рис. 3.6.4, де введені такі позначення: БГ – балістичний гальванометр, ВК – вимірювальна котушка, e – джерело струму, А – амперметр, К – перемикач.

У момент замикання перемикача К струм у соленоїді зростає від нуля до I _max. У вимірювальній котушці виникає індукційний струм

, (3.6.7)

де S, R – відповідно площа перерізу та опір вимірювальної котушки.

З (3.6.7) випливає, що

. (3.6.8)

Враховуючи (3.6.6), остаточно отримаємо:

, (3.6.9)

де K – стала величина, j_max – максимальний кут відхилення стрілки гальванометра.

Таким чином, між величиною індукції магнітного поля і максимальним кутом відхилення стрілки гальванометра існує пропорційний зв’язок.

Дата добавления: 2014-11-07