Опис установки. Кафедра хімії та фізики

05-06 34

Орленко В.Ф.

Яковчук А.А

Ст. МБ 11

НУВГП

Кафедра хімії та фізики

Звіт

з лабораторної роботи №

Визначення горизонтальної складової напруженості

магнітного поля Землі

Виконав:

Перевірив:

Рівне 2014 р

Додаток 2

Приклад оформлення звіту

___________________________________________________________

1. МЕТА РОБОТИ: визначити горизонтальну складову напруженості магнітного поля Землі.

2. РОБОЧА ФОРМУЛА

I – сила струму;

– кут відхилення стрілки;

R – радіус колових витків;

N – кількість витків.

3. РЕЗУЛЬТАТИ ВИМІРЮВАНЬ

№
Ср

4. ОБРОБКА РЕЗУЛЬТАТІВ ВИМІРЮВАНЬ

(Підставляємо в робочу формулу середні значення)

Н₀ =

(Похибки обчислююся за вибраною методикою)

5. КІНЦЕВИЙ РЕЗУЛЬТАТ

Н₀ = Н_0ср ± ΔН₀

ε= %

Методичні вказівки

до виконання лабораторних робіт

із навчальної дисципліни «Фізика»

розділ «ЕЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ»

для студентів інженерно-технічних напрямів підготовки

денної, заочної та дистанційної форми навчання

Рекомендовано

науково-методичною

радою НУВГП

протокол № від..20 р.

РІВНЕ – 2014

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з навчальної дисципліни «Фізика», розділ «ЕЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ» для студентів інженерно-технічних напрямів підготовки денної, заочної та дистанційної форм навчання/ Є.С.Никонюк, О.Д. Кочергіна, В.Р. Гаєвський, М.В. Мороз, Б.П.Рудик, Рівне: НУВГП. 2013. - 32 с.

Упорядник:

Никонюк Є.С., канд. фіз.-мат. наук, доцент кафедри хімії та фізики;

КочергінаО.Д., асистент кафедри хімії та фізики;

Гаєвський В.Р., канд. техн. наук, доцент кафедри хімії та фізики;

Мороз М.В., канд. фіз.-мат. наук, доцент кафедри хімії та фізики;

Рудик Б.П., зав лаб. кафедри хімії та фізики.

Відповідальний за випуск:

Гаращенко В.І., канд. техн. наук, доцент, кафедри хімії та фізики.

© Никонюк Є.С., Кочергіна О.Д., Гаєвський В.Р., Мороз М.В.,

Рудик Б.П., 2013

© НУВГП, 2014

ЗМІСТ

ВСТУП.. 3

Лабораторна робота № 4.1 Вивчення гальванометра магнітоелектричної системи 4

Лабораторна робота № 4.2 Перевірка закону Ампера. 10

Лабораторна робота № 4.3 Визначення питомого заряду електрона методом магнетрона 15

Лабораторна робота № 4.4 Вивчення магнітного поля соленоїда за допомогою давача Холла 19

Лабораторна робота № 4.5 Визначення горизонтальної складової напруженості магнітного поля Землі 26

Література. 29

Додаток 1 Приклад оформлення титульної сторінки. 30

Додаток 2 Приклад оформлення звіту. 31

ВСТУП

В даній методичці представлені лабораторні роботи з дисципліни «Фізика» розділ «ЕЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ», які виконуються на кафедрі хімії та фізики.

Метою лабораторних робіт є вивчення фізичних процесів і явищ, які лежать в основі даного розділу фізики, а завданням є навчити студента вимірювати електричні величин і виконувати обробку результатів вимірювань. В процесі виконання лабораторної роботи студент оформляє звіт (див. зразок у додатках 1, 2).

У вступному занятті подана принципи дії, класифікація і основні характеристики електровимірювальних приладів.

У кожній лабораторній роботі вказана мета, теоретичні відомості, опис експериментальної установки, електрична схема, хід роботи і контрольні запитання.

У кожній лабораторній роботі вказана мета, теоретичні відомості, опис експериментальної установки, електрична схема, хід роботи і контрольні запитання, по яких студенти захищає роботу.

Електромагнетизм

Лабораторна робота № 4.1

Вивчення гальванометра магнітоелектричної системи

Мета роботи: визначити внутрішній опір гальванометра, ціну поділки по струму і по напрузі.

Теоретичні відомості

(Теорія до даної роботи описана в лекційному курсі (інтерактивного комплексу Ч ІI), §§3.10-3.11, 4.1)

Гальванометр магнітоелектричної системи служить для вимірювання малих постійних струмів і напруг . В основі роботи гальванометра лежить дія магнітного поля на рамку з електричним струмом.

Контур зі струмом характеризується магнітним моментом

, (1)

де – сила струму, – площа контура, – одиничний вектор нормалі до площини контура, зв’язаний з напрямком струму правилом правого гвинта (рис.1). Якщо контур зі струмом вмістити в магнітне поле, то на нього діятиме обертаючий момент сили

або в скалярній формі

, (2)

де – вектор магнітної індукції, – кут між і (рис. 2). В стані рівноваги магнітний момент рамки напрямлений паралельно до ліній магнітної індукції (площина рамки перпендикулярна до ). Чим більший кут між і , тим більший за величиною момент сили повертає рамку в положення рівноваги. Обертаючий момент, згідно з (1) і (2), пропорційний силі струму в рамці, що і лежить в основі принципу дії вимірювальних приладів магнітоелектричної системи. Схема такого приладу подана на рис. 3. В магнітному полі постійного магніту 1 між нерухомим циліндром, виготовленим з магнітом’якого заліза (з малою коерцитивною силою), і полюсними виступами N-S знаходиться прямокутна котушка (рамка) 2. Вона укріплена на двох півосях, на одній з яких закріплена вказівна стрілка приладу 4. За кінцем стрілки розміщена шкала. Струм до рухомої котушки підводиться через дві спіральні пружини 3. У відсутності струму ці пружини утримують рамку в рівноважному положенні, коли її площина паралельна до . При проходженні через котушку струму, на котушку діє з боку магнітного поля обертаючий момент сили, пропорційний силі струму. Під дією цього моменту котушка 2 повернеться на кут , при якому обертаючий момент зрівноважиться протидіючим моментом, створеним пружинами. Оскільки момент пружних сил пропорційний куту закручування пружини, то із рівності обертаючого і протидіючого моментів випливає, що величина кута повороту пропорційна силі струму. Відповідно і відхилення вказівної стрілки приладу пропорційне силі струму, тобто

, (3)

де – коефіцієнт пропорційності, який називається ціною поділки приладу по струму, – кількість поділок, на яку відхилилась стрілка при вимірюванні. З (3) знайдемо , тобто ціна поділки гальванометра по струму дорівнює силі струму, який викликає зміщення стрілки приладу на одну поділку.

Згідно з законом Ома, спад напруги на гальванометрі

, (4)

де – внутрішній опір гальванометра. З формул (3) і (4) одержимо

, (5)

(6)

де – ціна поділки гальванометра по напрузі.

Вивід робочої формули

Для визначення , та використаємо схему, подану на рис.4. Тут G – досліджуваний гальванометр, – вольтметр, ; – магазини опорів.

Згідно закону Ома, сила струму на ділянці АС

, (7)

де – напруга на клемах джерела, – опір ділянки кола, який рівний

. (8)

Підставляючи вираз (8) у формулу (7), одержимо

(9)

звідки

.

Очевидно, що

. (10)

В загальному випадку зі зміною змінюється і сила струму .

Спад напруги на ділянці АВ дорівнює

, (11)

де – сила струму, що проходить через гальванометр, – сила струму, що проходить через опір .

За законом Кірхгофа

. (12)

Розв’язуючи систему рівнянь (9), (11) і (12) відносно , одержимо

. (13)

Нехай . Тоді струм, згідно з (13)

, (14)

де

Із формули (13)

, (16)

а з виразу (14)

. (17)

Прирівнюючи праві частини одержаних виразів (16) і (17), отримаємо

. (18)

Підставляючи значення і із (10) та (15) в (18) і розв’язуючи одержане рівняння відносно , маємо

. (19)

Ціну поділки по струму визначаємо із рівняння (14)

. (20)

Хід роботи

1. Електрична схема приведена на рис. 5, де – джерело постійного струму, – гальванометр, – магазини опорів, – перемикач, за допомогою якого змінюють напрямок струму в гальванометрі, K – ключ, – вольтметр. Опір має бути великим і вказаний викладачем; магазин опорів та виведені на нуль.

2. Перевірити, чи суміщена стрілка гальванометра з нулем шкали.

3. Замкнути ключ К.

4. Підібрати опір такий, щоб стрілка гальванометра відхилилась майже до кінця шкали. Записати показ гальванометра (в поділках)

5. Перемикачем змінити напрям струму через гальванометр на протилежний і записати показ гальванометра .

6. Перемикачем змінюючи напрям струму через гальванометр, дослід повторити 2 рази для і .

7. Підібрати опір такий, щоб покази гальванометра становили близько (в цьому випадку точність вимірювань буде максимальною). Записати показ гальванометра в .

8. Перемикачем змінити напрямок струму через гальванометр і записати показ гальванометра .

9. Перемикачем змінити напрямок струму через гальванометр дослід повторити ще 2 рази для і .

10. Записати значення опорів R, , .

11. Записати покази вольтметра U.

12. Оцінити паспортні приладові похибки та похибки табличних величин.

13. Знайти середні значення і .

14. За робочими формулами (19), (20) і (6) обчислити .

15. Обчислити відносну і абсолютну похибки, записати кінцевий результат.

.

Результати вимірювань

№
Ср.

Контрольні запитання

1. Що називається магнітним моментом контуру зі струмом? Які його величина, напрямок, одиниця вимірювання?

2. Записати вираз для моменту сили, що діє на контур зі струмом, вміщений в магнітне поле.

3. При якій орієнтації контуру зі струмом в магнітному полі обертаючий момент максимальний? В якому випадку він дорівнює нулю?

4. Яка будова і принцип дії гальванометра магнітоелектричної системи?

5. Дайте визначення ціни поділки гальванометра по струму і по напрузі. Встановіть зв’язок між та .

6. Покажіть, що кут повороту рухомої частини гальванометра прямо пропорційний силі струму.

7. Чи можна гальванометром магнітоелектричної системи вимірювати змінні струми? Відповідь обґрунтуйте.

Лабораторна робота № 4.2

Перевірка закону Ампера

Мета роботи: 1) перевірити закон Ампера шляхом встановлення лінійності залежності F(I)) в незмінному магнітному полі;

2) визначити індукцію магнітного поля.

Установка для перевірки закону Ампера зображена на рис.1. Вона складається з фізичного маятника А і електромагніта М. Фізичний маятник тут – мідний провідник, зігнутий у вигляді прямокутної рамки. Сторона рамки ab довжиною розміщена між полюсами електро­магніта М перпендикулярно до ліній магнітної індукції; в точках с і d закріплені опорні тригранні призми Д, що опираються на спеціальні латунні підшипники. Біля опорних призм до кінців с і d припаяні легкі гнучкі провідники П, за допомогою яких провідник включають в електричне коло. Струм у провіднику, а значить і на ділянці ab, можна змінювати за допомогою реостата R і вимірювати амперметром А. Електромагніт М живиться від джерела напруги . Рамка живиться струмом від джерела напруги О.

Теоретичні відомості та вивід робочої формули

(Теорія до даної роботи описана в лекційному курсі (інтерактивного комплексу Ч ІI), §§4.1, 4.4, 5.1, 5.3)

Нехай у магнітному полі з індукцією знаходиться лінійний елемент струму . На нього з боку поля діє сила, величина і напрямок якої визначаються законом Ампера

, (1)

або у скалярній формі

, (2)

де – кут між та .

Сила, що діє на провідник зі струмом скінченої довжини, визначається за (1) або (2) інтегруванням по всій довжині провідника

. (3)

Зокрема, для прямолінійного провідника в однорідному магнітному полі з (3) одержимо

. (4)

Напрямок сили Ампера знаходиться за правилом лівої руки (рис.2).

В даній лабораторній роботі, щоб одержати формулу для обчислення сили Ампера, розглянемо рівняння руху фізичного маятника (рамки abcd) Цей маятник здійснює коливання відносно осі cd. Застосуємо до нього основний закон динаміки обертального руху твердого тіла

, (5)

де – момент інерції маятника відносно осі c d, –кутове прискорення, – головний момент зовнішніх сил відносно цієї осі.

У відсутності струму обертовий момент створює сила тяжіння, прикладена до центра мас маятника(див рис.3, 4).

, (6)

де відстань від осі обертання до центра мас, – кут відхилення маятника від положення рівноваги, – маса маятника. Знак “–” означає, що момент сили тяжіння обертає маятник в бік, протилежний напрямку відхилення від рівноваги.

Якщо через ділянку ab, що знаходиться в магнітному полі електромагніта М, проходить електричний струм, то на маятник, крім сили тяжіння, діє сила Ампера. Напрямок сили Ампера, в залежності від напрямку струму, або співпадає з напрямком сили тяжіння, або протилежний до нього. Сила Ампера прикладена до ділянки провідника ab і створює момент сили

(7)

де – відстань від ділянки провідника ab до осі обертання. Знак “–” в (7) відноситься до випадку, коли сила Ампера співнапрямлена з силою тяжіння (рис.3), а знак “+” – протилежно напрямлена (рис.4).

Після підстановки (7) і (6) в (5) одержимо

.

Для малих кутів , тому, якщо кут відхилення малий, останнє рівняння можна записати у вигляді

, або .

Введемо позначення

, (8)

тоді останнє рівняння набуде вигляду

. (9)

Вираз (9) – диференціальне рівняння вільних гармонічних коливань, розв’язок якого

, (10)

де – амплітудне значення кута відхилення, – власна циклічна частота, квадрат якої визначається рівнянням (8). Якщо струм в провіднику відсутній, то , і маятник коливається з циклічною частотою . Тоді з (8)

. (11)

З (8) і (11) знайдемо , або

. (12)

Циклічна чистота пов’язана з періодом коливань співвідношенням . Врахувавши це, а також виразивши І з (11), запишемо рівняння (12) у вигляді

,

де і – періоди коливань маятника у відсутності та при наявності струму, відповідно. Відношення можна замінити відношенням проміжків часу , за які маятник здійснив однакову кількість коливань. Тоді останнє рівняння набуде вигляду

, (13)

де – постійна лабораторної установки, яка вказана в її паспорті. Таким чином, вимірявши і , за формулою (13) можна розрахувати силу Ампера для кількох значень сили струму і побудувати графік залежності . Оскільки напрямок струму на ділянці провідника ab перпендикулярний до ліній магнітної індукції (див. рис.1), то формула (4) для сили Ампера набуде вигляду

, (14)

де – довжина ділянки провідника ab.

В даній лабораторній роботі індукція магнітного поля В залишається незмінною, тому залежність має бути лінійною. В цьому суть перевірки закону Ампера. Визначивши для даного значення сили струму, з (14) можна визначити індукцію магнітного поля, в якому знаходиться ділянка провідника ab.

. (15)

Хід роботи

1. Розімкнути ключ К₂ (показ амперметр – 0 А).

2. Відхілити рамку на невеликий кут, пропустити 5 коливань і виміряти час 50 коливань. Дані записати в таблицю 1 для І = 0 А.

3. Замкнути ключ К₂, за допомогою реостата виставити струм І =1А і виміряти час 50 коливань рамки. Дані записати в таблицю 1 при І = 1 А.

4. Повторити вимірювання часу при інших струмах. Результати вимірювань записати в таблицю 1.

5. За робочою формулою (13) обчислити F_a для всіх струмів і дані занести в таблицю 1 (t₀ відповідає І = 0 А).

6. Побудувати графік залежності F_a (І).

7. Вибрати на графіку три точки, які найкраще підтверджують спів падання експериментальної і теоретичної (лінійної) залежності сили Ампера від сили струму, і занести відповідні значення F та І в таб. 2.

8. Обчислити значення вектора магнітної індукції В за робочою формулою (15) для трьох значень струму.

9. Визначити середнє значення В

10. Обчислити відносну і абсолютну похибки за формулами, приведеними нижче і записати кінцевий результат.

,

Результати вимірювань

с =

Таблиця 1

І, А		1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5
t, c
FA, H

Таблиця 2

№	І, А	FA, H	В, Тл	∆В, Тл
Ср.

Контрольні запитання

1. Сформулювати і записати закон Ампера. Як визначається напрямок сили Ампера?

2. При якому напрямку провідника зі струмом у магнітному полі сила Ампера максимальна?

3. Дати визначення вектора магнітної індукції і його одиниці вимірювання в СІ.

4. Дати визначення основних характеристик гармонічних коливань (амплітуди, частоти, періоду, циклічної частоти, фази). Встановити зв’язок між циклічною частотою і періодом.

5. Що таке фізичний маятник? Вивести диференціальне рівняння вільних гармонічних коливань фізичного маятника. Чи будуть коливання маятника гармонічними при великих амплітудах?

6. Як впливає сила Ампера на період коливань фізичного маятника в даній лабораторній роботі? Як зміниться період коливань маятника при зміні напрямку струму на протилежний?

7. Вивести робочу формулу для обчислення сили Ампера. Чому при її виведенні не враховують індукційні струми?

Лабораторна робота № 4.3

Визначення питомого заряду електрона методом магнетрона

Мета роботи: визначити питомий заряд електрона методом магнетрона.

Теоретичні відомості та вивід робочої формули

(Теорія до даної роботи описана в лекційному курсі (інтерактивного комплексу Ч ІI), §§3.17, 4.5)

Магнетрон – це вакуумний діод, що знаходиться в однорідному магнітному полі, яке напрямлене перпендикулярно швидкості руху електронів. Діод складається з циліндричного порожнистого анода радіуса R і катода у вигляді дротини малого радіуса. Катод розміщений вздовж осі циліндричного анода.

Електрони, що вилітають з розжареного катода під дією електричного поля, створеного між анодом і катодом, рухаються до анода. При цьому електричне поле виконує роботу

, (1)

де U – різниця потенціалів між анодом і катодом, е – заряд електрона. Згідно закону збереження енергії кінетична енергія електрона буде

, (2)

де – маса електрона, – його швидкість. З (2) знайдемо швидкість

. (3)

При наявності магнітного поля, вектор індукції якого напрямлений вздовж осі катода, на електрон крім електричного поля буде діяти сила збоку магнітного поля, магнітна складова сили Лоренца (яку будемо називати силою Лоренца), напрямок якої перпендикулярний до вектора швидкості електрона і вектора індукції магнітного поля . На рис.1 зображено зріз магнетрона площиною, перпендикулярною до катода К (як і до анода А та вектора магнітної індукції ). Кривою зображена траєкторія руху електрона при наявності дії електричного і магнітного полів. Сила Лоренца дорівнює

. (4)

В скалярній формі

Так як і перпендикулярні , то модуль сили Лоренца

. (5)

Оскільки електрон рухається по колу (сила Лоренца при цьому виконує роль доцентрової сили), то (5) запишемо у вигляді

. (6)

З (6) знаходимо радіус кола, по якому рухається електрон

. (7)

З виразу (7) видно, що чим більша індукція магнітного поля В, тим менший радіус кривизни траєкторії електронів. При деякому значенні індукції магнітного поля, яке назвемо критичним В_к, електрони не долітають до анода і починають рухатися по колу радіусом . При цьому сила анодного струму І_а повинна різко зменшуватися (рис.2). Дослід показує, що при критичному значенні індукції магнітного поля анодний струм не падає стрибком до нуля, а плавно зменшується (рис.3). Такий хід залежності анодного струму пояснюється тим, що вилітаючі з катода електрони мають певний розподіл за швидкостями, пов’язаний з їх тепловим рухом всередині катода. Щоб зменшити вплив початкових швидкостей, потрібно працювати при більших прискорюючих напругах.

Крім того, плавний спад кривої зумовлений некоаксіальністю катода і анода, наявністю залишкового газу в лампі, неоднорідністю поля соленоїда по висоті анода і т.д.

Із співвідношення (3) і (7) та з врахуванням, що , одержимо

. (8)

Індукція магнітного поля соленоїда, довжина якого співмірна з діаметром d, находиться за формулою

, (9)

де ; – число витків соленоїда.

Остаточно, підставляючи (9) у (8), отримаємо робочоу формулу для визначення питомого заряду електрона

. (10)

Дата добавления: 2015-05-24