Использование данного пособия позволяет улучшить организацию лабораторных занятий, улучшить методическое обеспечение, а также образовательный уровень студентов по дисциплине «Физика».

1. Теоретическое введение

Магнитное поле в веществе является суммой внешнего поля с индукцией В₀ и внутреннего В_внутр. Источником В_внутр является само вещество. Результирующая магнитная индукция . Свойство вещества изменять индукцию магнитного поля характеризуется магнитной проницаемостью , определяемой формулой .

Магнитная индукция связана с напряженностью внешнего магнитного поля Н. Соотношением , где – магнитная постоянная. В зависимости от величины все тела, как известно, делятся на три класса: 1) диамагнетики ; 2) парамагнетики ; 3) ферромагнетики . К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт, гадолиний и другие редкоземельные металлы, их сплавы, некоторые соединения хрома и марганца. В свою очередь магнитная проницаемость для ферромагнетиков не есть величина постоянная, а зависит от напряженности внешнего магнитного поля Н, в которое помещен ферромагнетик. Ферромагнетик состоит из малых областей – доменов, у которых магнитные моменты направлены хаотически (рисунок 1). При помещении ферромагнетика во внешнее магнитное поле, магнитные моменты всех доменов ориентируют вдоль внешнего магнитного поля Н.

Кроме того, на величину , а следовательно и на В также оказывает влияние намагничевание, которому раннее подвергался ферромагнетик.

1. Рассмотрим это явление подробнее. Возьмем соленоид, в который вложен стержень из ферромагнетика.

2. Рисунок 1

4. Увеличивая постепенно величину тока через обмотку соленоида, а следовательно, и напряженность намагничивающего (внешнего) поля Н, получим постепенное возрастание индукции В в стержне. Если ферромагнетик раннее не подвергался намагничиванию, то кривая, выражающая зависимость В от Н, будет называться основной кривой намагничивания (отрезок ОА рисунок 2).

Если дойдя до точки А, начать уменьшая намагничивающее поле Н, уменьшать величину тока в обмотке соленоида, то индукция В будет уменьшаться по кривой AD, т.е. с некоторым отставанием. Это отставание называется гистерезисом.

Величина индукции В, равная OD, называется остаточной индукцией, т.е. ферромагнетик остается намагниченным, несмотря на то, что внешнее поле Н=0.

1. Рисунок 2

Полное размагничивание наступает, если дать ток в обмотку соленоида обратного направления, т.е. создать отрицательную напряженность, равную отрезку ОК. Величина этого поля называется задерживающей или коэрцитивной силой. Дальнейшее увеличение Н в отрицательную сторону вызывает в сердечнике индукцию обратного направления, причем возрастание В в этом случае будет идти по кривой .

2. Порядок выполнения работы:

1. 
   Разобраться в цепи измерительной установки, определить цену деления измерительных приборов.
   

• Рисунок 3

1. 
   Провести размагничивание образца. Для этого, отключив выключателем SA3 милливеберметр от измерительной катушки, переключателем SA1 подключить намагничивающую обмотку к источнику переменного напряжения. Автотрансформатором АТ плавно изменить напряжение от 0 до 220 В и затем плавно уменьшить до нуля.
   
2. 
   Переключателем SA1 подключить обмотку L₁ к источнику постоянного тока.
   
3. 
   Познакомиться с правилами пользования милливеберметром.
   
4. 
   С помощью автотрансформатора установить в обмотке L₁ начальное значение тока I₀=5^.10^-3; замкнуть ключ SA3 в цепи милливеберметра, подготовить его к измерению.
   
5. 
   Переключателем SA2 изменить направление тока в обмотке L1 на противоположное и в этот момент заметить максимальный отброс стрелки милливеберметра, которая покажет изменение магнитного потока в измерительной обмотке.
   
6. 
   Подготовить установку к следующему измерению: разомкнуть цепь милливеберметра, переключатель SA2 поставить в первоначальное положение, автотрансформатором АТ установить новое значение тока в тороиде, снова подготовить к измерению милливеберметр и повторить операции пунктов 5 и 6.
   
7. 
   Изменить величину тока I в катушке L₁ 10-12 раз постепенно ее увеличивая на 5^.10^-3А (т.е. через 10 делений), и каждое значение тока I_i и соответствующее ему ΔФ_m; занести в таблицу 2.
   
8. 
   Характеристики катушек L₁ и L₂, указанные на стенде установки, занести в таблицу 1.
   

1. Таблица 1

1. N₁N₂R, мS, м²

2. Таблица 2

• 
  I_i, AΔФ_m, ВбВ₀, ТлВ_i, Тл Μ
  

10. 
    По данным таблицам 1 и 2 вычислить по формулам (1), (2) и (3)
    

На миллиметровой бумаге построить графики зависимостей и , проанализировать ход полученных кривых, сравнить с теоретическими.

• Контрольные вопросы

1. 
   Опишите магнитное поле в веществе.
   
2. 
   Охарактеризуйте вещества по их магнитным свойствам.
   
3. 
   Какой формулой определяется магнитная проницаемость вещества?
   
4. 
   Что такое домены?
   
5. 
   Как получается петля гистерезиса?
   
6. 
   Расскажите, что и как определяете в этой работе.
   

1. Теоретическое введение

Основной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции . - его силовая характеристика. Каждой точке магнитного поля соответствуют определенное значение и направление этого вектора.

Графически магнитное поле изображают линиями магнитной индукции – кривыми, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора . Линии индукции магнитного поля всегда замкнуты (рисунок 1), поэтому магнитное поле называют вихревым.

• 
  Рисунок 1 Рисунок 2
  

Линии индукции магнитного поля Земли показаны на рисунке 2. Магнитные полюса Земли немного (на 300км) смещены относительно ее географических полюсов, на географическом севере находится магнитный полюс S, на юге - северный N. Угол между касательными к магнитному и географическому меридианам данной точке на поверхности Земли называют магнитным отклонением (рисунок 2). Если подвесить магнитную стрелку на нити так, чтобы точка подвеса совпадала с центром тяжести стрелки, то последняя установится по направлению касательной к линии магнитной индукции и укажет направление вектора индукции магнитного поля Земли. Угол между направлением вектора индукции магнитного поля в данной точке Земли и плоскостью горизонта называется магнитным наклонением (рисунок 2).

Значения индукции поля Земли невелики и изменяются от Тл на экваторе до Тл у магнитных полюсов.
Вектор индукции для любой точки Земли между полюсами и экватором можно разложить на две составляющие – горизонтальную и вертикальную (рисунок 2). параллельна плоскости горизонта. Магнитное наклонение, склонение и горизонтальная составляющая магнитной индукции являются основными параметрами магнитного поля Земли в данной точке ее поверхности.
Закон Био-Савара-Лапласа
Величину и направление вектора индукции в любой точке магнитного поля тока можно определить, используя закон Био-Савара-Лапласа

(1)
(2)
Формулы (1) и (2) – закон Био-Савара-Лапласа, соответственно, векторная и скалярная формы записи. - индукция магнитного поля, возбуждаемого элементом dl проводника с током I в точке А (рисунок 3), удаленной от этого элемента на расстояние r; - вектор, равный длине элемента dl и совпадающий с направлением тока в нем; - радиус-вектор, проведенный от начала элемента dl в заданную точку А поля (рисунок 4).

Результирующий вектор перпендикулярен плоскости, в которой лежат перемножаемые вектора и (рисунок 5) и направлен так, чтобы из его конца поворот от dl к r по наименьшему углу был виден происходящем против часовой стрелки.

• Рисунок 3

Рисунок 4 Рисунок 5

Индукция магнитного поля проводника с током конечных размеров и произвольной формы в любой точке может быть определена в соответствии с принципом суперпозиции как векторная сумма индукции магнитных полей, возбуждаемых отдельными участками этого проводника. В общем случае она вычисляется так
. (3)
Например, для магнитного поля в центре 0 витка радиуса R с током I согласно (2) имеем
(4)
Воспользовавшись формулой (1), можно убедиться, что для всех dl элементов витка имеют одинаковые направления (рисунок 4).

Тогда

1. Описание установки и метода измерений

Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 6.

Тангенс-гальванометр состоит из плоской катушки, витки которой расположены в вертикальной плоскости. В центре катушки на вертикальной оси помещена магнитная стрелка, угол отклонения которой можно определить по лимбу.

При отсутствии тока в катушке магнитная стрелка указывает направление горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли . Поворачивая катушку вокруг вертикальной оси, располагают ее так, чтобы стрелка оказалась в плоскости витков катушки. В этом случае плоскость витков совпадает с плоскостью магнитного меридиана Земли. Индукция магнитного поля, возбуждаемого в центре катушки при замыкании цепи, перпендикулярна плоскости витков и, следовательно, перпендикулярна вектору .

• 
  Рисунок 6
  

После включения тока магнитная стрелка отклонится от первоначального направления на угол и будет указывать направление результирующего вектора . Направление этих векторов показано на рисунке 7, где изображено горизонтальное сечение тангенс-гальванометра.

Из рисунка следует, что

(6)

Согласно (4) – индукция создаваемая катушкой стоком, где N – число витков катушки. Из (6) и (7) имеем

Рисунок 7 где D – диаметр витка, – горизонтальная составляющая.

2. Порядок выполнения работы:

1. 
   Разобраться в электрической цепи установки.
   
2. 
   Установить тангенс-гальванометр так, чтобы стрелка компаса оказалась в плоскости катушки (указывала на нуль лимба).
   
3. 
   Замкнуть цепь выключателем SA1 и реостатом установить в катушке ток I₁; отсчитать угол отклонения стрелки от нуля; записать I₁ и в таблицу.
   
4. 
   Переключателем SA2 изменить направление тока в катушке и записать значение соответствующее той же величине тока.
   
5. 
   Вычислить .
   
6. 
   Аналогичные измерения провести еще для четырех значений тока.
   
7. 
   По формуле (7) вычислить значения B_r.
   
8. 
   Вычислить абсолютную и относительную погрешности для надежности 0,95.
   
9. 
   Значение B_r записать в виде доверительного интервала.
   

1. Таблица

А

град град

град

Тл Тл (Тл)² (Тл)² Тл %

1. Контрольные вопросы

1. 
   Дайте определение магнитному полю. Укажите возможные способы получения магнитного поля в заданной области пространства.
   
2. 
   Назовите основную характеристику магнитного поля. Дайте ей определение. Укажите единицу измерения.
   
3. 
   Запишите закон Био-Савара-Лапласа в векторной и скалярной формах. Что определяет закон?
   
4. 
   Что такое тангенс-гальванометр? В чем сущность метода определения горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли в данной работе? Выведите рабочую формулу.
   

• Теоретическое введение

Для графического изображения магнитного поля используют силовые линии магнитной индукции – замкнутые линии, проводятся так, чтобы касательная проведенная в любой точке к ней, совпадала с направлением вектора магнитной индукции .

В некоторой области пространства можно создать магнитное поле, индукция которого во всех точках одинакова по величине и направлению (например, внутри соленоида или между полюсами постоянного магнита). Такое магнитное поле называют однородным, т.е. =const.

• Рисунок 1

где - сила Ампера (Н)

В векторной форме сила Ампера имеет вид

Результирующий вектор перпендикулярен плоскости, в которой лежат перемножаемые вектора и направлен так, чтобы из конца вектора поворот от к по наименьшему углу происходил против часовой стрелки (рисунок 1).

Направление силы Ампера можно определить также по правилу левой руки: ладонь левой руки располагаем так, чтобы в нее входили линии индукции (т.е. ладонь к северному полюсу), четыре пальца направляем по направлению тока, тогда большой отогнутый палец укажет направление силы Ампера.

Если =const, то сила Ампера запишется так

• Лабораторная установка и метод измерений

• Принципиальная электрическая схема установки

В этой электрической схеме можно выделить два контура: цепь рамки и цепь электромагнита. Цепь рамки: вытянутая прямоугольная подвешенная рамка, реостат R, амперметр А, выключатель К₁. Цепь подключается к источнику постоянного тока. Между полюсными наконечниками электромагнита возбуждается однородное магнитное поле, в которое помещается элемент рамки с током.

2. Порядок выполнения работы:

1. 
   Проверьте электрическую схему установки. Определите цену деления измерительных приборов.
   
2. 
   Установите движки реостатов R₁ и R₂ в среднее положение и включите установки в сеть (ключом на рамке).
   
3. 
   Замкнув ключом К₂ цепь электромагнита, установите с помощью реостата R₂ ток в цепи, заданный преподавателем.
   
4. 
   С помощью карандаша или ручки установите гусарик весов на целом число делений (N₁=4 или 5), так, чтобы было заметно отклонение от положения равновесия рычага весов.
   
5. 
   Замкнув ключом К₁ цепь рамки и, регулируя ток в ней реостатом R₁, добейтесь равновесия весов. Величину силы тока через рамку I_p и величину силы Ампера F_A=C^.N₁, где С – указанная на шкале весов цена деления, внесите в таблицу 1.
   
6. 
   Передвинув гусарик весов на новое деление, разбалансировав весы, повторите измерения п. 5. Таким же образом, постепенно перемещая гусарик до конца шкалы, снимите 6-7 показаний и занесите их в таблицу 1.
   
7. 
   Вычислите отношение , где l – часть рамки, находящейся в магнитном поле электромагнита. Занесите в таблицу и по данным таблицы постройте график . Убедитесь в пропорциональности силе тока I_p. Тангенс наклона к оси абсцисс полученной прямой дает среднее значение индукции магнитного поля , т.е. из закона Ампера для каждого измерения определяем и заносим в таблицу 1.
   

I_p, AF_A, H , H/мВ, Тл

1. 
   Определите абсолютную погрешность по формуле Стьюдента:
   

1. 
   Определите относительную погрешность
   

1. 
   Результат запишите в виде:
   

• Контрольные вопросы

1. 
   Основная Характеристика Магнитного Поля.
   
2. 
   Какое магнитное поле называется однородным и где оно создается?
   
3. 
   О чем говорится в законе Ампера?
   
4. 
   Записать закон Ампера в векторной форме.
   
5. 
   Записать закон Ампера в скалярной форме.
   
6. 
   Как определяется направление силы Ампера?
   
7. 
   Рассказать, как выполняется эта работа.
   

1. Теоретическое введение

Все физические вещества реагируют на воздействие магнитного поля, намагничиваясь. Поэтому их называют магнетиками. Намагничивание – это процесс изменения магнитного момента вещества под влиянием внешнего магнитного поля. Степень намагниченности магнетика характеризуется вектором намагниченности.

Магнитные свойства вещества, обусловленные свойствами составляющих его частиц, зависят от агрегатного состояния.

Магнитное поле в веществе является суммой внешнего магнитного поля с индукцией В₀, в котором находится магнетик, и внутреннего с индукцией В_внутр, источником которого является само вещество. Результирующая магнитная индукция

• По величине все магнетики разделяются:

1. 
   если , то магнетики называются диамагнетиками – это вещества, в отсутствии внешнего магнитного поля размагничены. При помещении диамагнетиков во внешнее магнитное поле, они намагничиваются противоположно внешнему полю вследствие диамагнитного эффекта, который обусловлен строением атома.
   
2. 
   если , то такие магнетики называются парамагнетиками. При помещении их во внешнее магнитное поле, они намагничиваются вдоль направления поля. Выключение внешнего магнитного поля приводит к полному исчезновению внутреннего магнитного поля В_внутр. К парамагнетикам относятся газообразный кислород, кальций, магний, алюминий.
   
3. 
   если , то такие вещества называются ферромагнетиками – это вещества, обладающие аномально большими магнитными свойствами. Их отличительная особенность состоит в том, что при достаточно низкой температуре независимо от внешнего магнитного поля в них возникает намагниченность, которую называют самопроизвольной (спонтанной). Тем самым подчеркивается, что ее появление не связано с воздействием магнитного поля. Самопроизвольная намагниченность может возникнуть только в кристаллическом веществе. При отсутствии внешнего магнитного поля , зная, что – векторная величина, называемая напряженностью магнитного поля, для воздуха и вакуума, – магнитная постоянная.
   

Спонтанно намагниченное состояние в ферромагнетике существует только ниже некоторой температуры, так называемой точкой Кюри. При температурах выше точки Кюри, тепловое движение частиц ферромагнетика становится столь интенсивным, что области спонтанной намагниченности распадаются и ферромагнетики переходит в парамагнетик.

В этой работе необходимо определить точку Кюри. Во внешнем магнитном поле доменная структура ферромагнетика изменяется – происходит процесс его намагничивания вдоль поля, поэтому магнитная проницаемость очень велика.

Для этого собрана схема (рисунок 1).

Где О – исследуемый ферромагнитный образец является сердечником катушек L₁ и L₂, которые находятся на одном каркасе. Катушка L₁ , соединенная с источником переменного тока, намагничивает образец и одновременно выполняет роль нагревателя В катушке L₂ возникает переменный ток, измеряемый микроамперметром PmA, величина тока зависит от -магнитной проницаемости сердечника. Следовательно, когда ферромагнетик перейдет в парамагнетик, ток резко уменьшится.

Следует заметить, что ток выпрямляется с помощью диода D. Температура измеряется по показанию милливольтметра PmV, включенного в термопару 1,2. В термопаре создается разность температур. Конец 1 находится внутри катушки, конец 2 в песке при комнатной температуре.

2. Устройство и работа термопары

Термопара состоит из двух разнородных металлических проводников, соединенных между собой, Если контакты (обычно спаи) проводников 1 и 2, образующих термопару, находятся при разных температурах, то в цепи возникает термоэлектродвижущая сила (термо э.д.с.), которая зависит от разности температур контактов и природы применяемых материалов. Это обусловлено следующим: свободные электроны при обычных температурах практически не покидают металл.

Работа, затраченная на удалении электрона из твердого тела в вакуум, называется работой выхода. Если два различных металла привести в соприкосновение, то между ними возникает разность потенциалов, которая зависит лишь от химического состава и температуры соприкасающихся металлов. Одна из причин появления контактной разности потенциалов – это различие в работах выхода. Все остальные причины входят в коэффициент постоянной термопары для данной работы L=0,0625 mv/k.

Термопары имеют большую чувствительность и малую инертность, позволяют проводить измерения в широком интервале температур и допускают дистанционные измерения, например, в доменных печах.

В данной работе – разность потенциалов спаев термопары , где – разность температур спаев термопары.
Порядок выполнения работы:

1. 
   Разобраться в электрической схеме установки. Определить цену деления приборов.
   

Рисунок 1

1. 
   Замкнуть цепь вторичной обмотки L₂.
   
2. 
   Включить в сеть (220 В) автотрансформатор АТ. Изменяя напряжение с помощью автотрансформатора в цепи первичной обмотки, установить во вторичной цепи ток силой 80-100 мкА (по согласованию с преподавателем).
   
3. 
   Не изменяя напряжения в цепи первичной обмотки, по мере нагревания образца, следить за показаниями микроамперметра и милливольтметра (по верхней шкале). Вначале при каждом изменении термоэдс на 1 мВ записать показания микроамперметра, а когда ток в цепи вторичной обмотки начнет уменьшаться, порядок записи показаний приборов надо изменить, показания милливольтметра следует записывать через каждые 10 мкА по шкале микроамперметра. Опыт продолжать до тех пор, пока ток во вторичной цепи не будет изменяться.
   
4. 
   Данные занести в таблицу.
   

1. Таблица

6. 
   U_TPmVIPmAПо данным измерений построить график зависимости I=f (U_T). Примерный вид зависимости I=f (U_T) показан на рисунке 2.
   
7. 
   Из точки, соответствующей максимальному спаду тока на кривой I=f (U_T) опустить перпендикуляр и по точке пересечения его с горизонтальной осью определить напряжение U_T=ε_СТ, соответствующее температуре Кюри.
   

• 
  Рисунок 2
  

8. 
   Вычислить разность температур спаев термопары
   

8. 
   Записать показания комнатного термометра, выразив комнатную температуру в Кельвинах, Т_К.
   
9. 
   Вычислить точку Кюри Т_С по формуле
   

Т_С=ΔТ+Т_К (4)

• Контрольные вопросы

1. 
   Рассказать о диа- и парамагнетиках.
   
2. 
   Почему у ферромагнетиков большая магнитная проницаемость? Что такое домены?
   
3. 
   Что такое точка Кюри?
   
4. 
   Расскажите об устройстве, работе и применении термопар.
   
5. 
   Как выполняется данная работа?
   

• Теоретическое введение

Для выполнения данной работы используются закономерности, описывающие движение заряженных частиц в однородном магнитном поле, влетающих в него со скоростью v под различными углами к вектору индукции магнитного поля . В этом случае на влетевшую частицу действующая сила Лоренца, определяемая по формуле

Рисунок 1

Если q<0, то сила Лоренца направлена в противоположную сторону. Если заряженная частица влетает под углом, равным 90⁰, то она в однородном магнитном поле будет двигаться по окружности, плоскость которой перпендикулярна . При этом сила Лоренца выполняет роль центростремительной силы и, следовательно, не производит работы.

Для измерения , где е – заряд электрона, m – масса электрона. В работе используется влияние на движение электронов скрещенных электрического и магнитного полей.

Рисунок 2
Для этого трехэлектродная электронная лампа с цилиндрическим анодом помещается в соленоид так, чтобы нить накала лампы (катод) К, проходящая вдоль оси анода А, была параллельна оси соленоида (рисунок 3).
Рисунок 3
Принципиальная схема установки приведена на рисунке 4.

При замыкании цепи анода лампы Л выключателем К₁ в ней возникает радиальное электрическое поле. При замыкании выключателем К₂ цепи соленоида L в нем возбуждается магнитное поле, индукция которого направлена вдоль его оси и перпендикулярна вектору – напряженности электрического поля (рисунок 3).

А

А
+

L
+

–

V

К₂

К₁

~6,3B

Электрическое поле увеличивает величину скорости электронов, летящих от катода к аноду, магнитное поле изменяет ее направление.

Сетка лампы в установке соединена с анодом. Поэтому электроны движутся ускорено только в пространстве между катодом и сеткой. Далее между сеткой и анодом величина скорости электронов остается неизменной, так как в этой области электрического поля нет.

При разомкнутой цепи соленоида, индукция магнитного поля В=0, и электроны движется к аноду по радиальным траекториям. В анодной цепи установится ток определенной величины.

Рисунок 5
В слабом магнитном поле под действием силы Лоренца траектория электронов искривится (рисунок 5), но все они достигнут анода, и анодный ток останется прежним. С ростом магнитной индукции радиусы кривизны траекторий будут уменьшаться и при некотором значении индукции В_кр (критическая индукция) электроны не попадут на анод, так как будут двигаться по окружностям, диаметр которых равен расстоянию а между сеткой и анодом. Дальнейшее увеличение В приведет еще к большему уменьшению радиуса кривизны. Поэтому, начиная с В=В_кр, анодный ток лампы будет уменьшаться.

Зависимость анодного тока I_a от В при постоянном анодном напряжении U_a приведена на рисунке 6.

2

Пунктирной линией 1 изображен вид этой зависимости при условии, что начальная скорость всех электронов равна нулю.

Рисунок 6

Выведем рабочую формулу, зная, что критическая индукция соответствует критическому току I_kp (рисунок 6). По закону сохранения энергии, энергия электрического поля еU переходит в кинетическую энергию электронов

1. 
   Порядок выполнения работы:
   

С расположением элементов электрических цепей установки разобраться на рабочем месте. Определить цену деления приборов.

SA1

• 
  Рисунок 7
  

Перед началом выполнения работы регулятор автотрансформатора ТА должен быть выведен на нуль, а движок потенциометра RP – на секунду.

Коммутатором SA1 замкнуть цепь лампы. Подождав 1-2 минуты, установить потенциометром RP анодное напряжение U_a в пределах 20-30 В. В дальнейшем процессе выполнения работы U_a следует поддерживать неизменным.

Коммутатором SA2 включить цепь соленоида L. Плавно поворачивая регулятор автотрансформатора ТА, изменять ток в цепи соленоида через интервалы в 0,02 А. Значения тока соленоида и соответствующие им значения анодного тока заносить в таблицу 1. Ток соленоида изменять в пределах от 0 до 0,3 А.

По полученным данным построить график зависимости (график строить на миллиметровой бумаге).

По началу спада кривой определить значение критического тока в соленоиде.

Вычислить удельный заряд электрона по формуле

Вывести формулу относительной погрешности пользуясь формулой (8), считая величины , , n, постоянным. Погрешности AI_c, AU_a определить по классу точности приборов.

Данные вычислений занести в таблицу 2. Вычисления в системе СИ.

Таблица 2

1. 
   Контрольные вопросы
   

1. 
   Записать силу Лоренца в векторной и скалярной форме.
   
2. 
   Объяснить, как работать 3^х электродная электронная лампа.
   
3. 
   Зачем лампу помещают во внутрь соленоида.
   
4. 
   Физический смысл критического соленоида.
   
5. 
   Рассказать, как выполняется работа.
   
6. 
   Вывести рабочую формулу.
   
7. 
   Физический смысл критической проницаемости тока.
   

1. Теоретическое введение

1. Магнитное поле и его характеристики

В пространстве, окружающем проводник с током, всегда существует магнитное поле, которое можно обнаружить по его силовому воздействию на другой проводник с током, помещенный вблизи него.

Основной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции (или магнитная индукция). – силовая характеристика магнитного поля.

На практике часто пользуются другой характеристикой магнитного поля – напряженностью . Вектор связан с индукцией в той же точке поля соотношения . Векторы и параллельны; Гн/м – магнитная постоянная; – магнитная проницаемость среды.

Для графического изображения магнитного поля пользуются линиями индукции (или напряженности). Это линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора (или ). Густота их выбирается такой, чтобы площадка единичной площади, перпендикулярная к ним, пересеклась числом линий, равным численному значению вектора .

Элементарным потоком магнитной индукции через бесконечно малую площадку dS называют величину

Поток магнитной индукции сквозь произвольную поверхность S

Из изложенного выше следует, что численное значение равно В числу линий индукции, пересекающих поверхность S.

1. Явление электромагнитной индукции

Это явление заключается в том, что в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции, через поверхность, охватываемую этим контуром, возникает электрический ток, получивший название индукционного. Возникновение тока указывает на появление в контуре э.д.с., называемой электродвижущей силой электромагнитной индукции.

Какова бы ни была причина изменения потока магнитной индукции, величина э.д.с. определяется по закону Фарадея
(3)
Знак «минус» в формуле (3) отражает экспериментальный факт, заключающийся в том, что при возрастании магнитного потока , возникающая в контуре э.д.с. имеет отрицательный знак. Это означает, что линии индукции магнитного поля индукционного тока направлены навстречу линиям индукции изменяющегося потока. Если (магнитный поток убывает), то линии индукции магнитного поля индукционного тока и уменьшающегося потока совпадают по направлению. Это положение сформулировано в правиле Ленца: индукционный ток в контуре имеет всегда такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшему этот ток.

• Лабораторная установка и метод измерений

1. Баллистический гальванометр

Среди многих методов измерения индукции (напряженности ) широкое распространение получил метод баллистического гальванометра.

Для измерения малых, кратковременно протекающих количеств электричества (импульсов тока) используются баллистические гальванометры. Название «баллистический» (от греч. ballo – бросаю, метаю) означает, что при измерении отсчитывается не установившееся отклонение зайчика, а его первое наибольшее отклонение. Баллистические гальванометры отличаются увеличенным моментом инерции подвижной системы (рамки) и, следовательно, большим периодом ее собственных колебаний. Если промежуток времени протекания тока через гальванометр значительно меньше периода колебаний рамки, то первое максимальное отклонение рамки пропорционально величине электрического заряда, прошедшего через нее

• 
  
  
• 
  
  
• 
  Рисунок 1
  

Экспериментальная задача состоит в измерении индукции в зазоре между полюсными наконечниками электромагнита. Туда помещается измерительная катушка L₁ причем так, чтобы линии магнитной индукции были перпендикулярны ее плоскости (В_n=В). выдернув резко L₁ из межполюсного пространства, можно создать изменение магнитного потока через плоскость витков катушки, которое определяется по формуле

Покажем, что возникающую при этом в L₁ э.д.с. индукции, определяемую по формуле (3), можно связать с отклонением зайчика гальванометра и найти, таким образом, величину В в зазоре элеткромагнита.

Согласно (3)

, (6)
где N₁ – число витков L₁.

В цепи L₁ возникает кратковременный индукционный ток. Согласно закону Ома

Тогда

1. 
   Проинтегрировав
   

получим

1. 
   Приравняв правые части последнего равенства и (12), получим
   

Так как сопротивление в цепи L₁ в процессе измерения остается неизменным, то можно ввести

Таким образом, зная С_у и данные L₁ (N₁ и S₁) по формуле (15) можно определить В.

1. 
   
   
2. 
   Определение постоянной установки
   

Постоянную установки можно найти с помощью эталонного соленоида.

Выведя измерительную катушку из магнитного поля электромагнита, переключим источник питания на эталонной соленоид. В момент выключения тока во вторичной обмотке соленоида L₃ возникнет э.д.с. электромагнитной индукции

(16)
Повторяя приведенные выше рассуждения, по формулам (4-15) придем к выражению для В, подобном (15). Достаточно лишь в (15) N₁ и S₁ заменить на N₂ и S_эт
, (17)
где N₂ – число витков вторичной обмотки соленоида; S_эт – площадь поперечного сечения эталонного соленоида, м².

Величина индукции эталонного соленоида может быть вычислена по известной формуле

Тогда

1. 
   Проверить электрическую цепь установки.
   
2. 
   Замкнув переключатель установки Х1, поворотом корректора установить зайчик гальванометра на ноль шкалы.
   
3. 
   При отключенном источнике питания (разомкнутом выключателе SA2) проверить нулевое положение указателя амперметра.
   
4. 
   Поставить тумблер SA1 в положение «эт.соленоид» и включить источник питания. С помощью реостатов («Грубо», а затем «Точно») установить ток в соленоиде в пределах (1-3) А.
   
5. 
   Проделав несколько пробных измерений отброса зайчика гальванометра в момент размыкания выключателя SA2, провести измерение α₀. Значение α₀, величину тока I и данные об эталонном соленоиде, указанные на стенде, занести в таблицу 1.
   

Таблица 1

α₀I, AN_этN₂S_эт, м²l, м

6. 
   По формуле (1) вычислить среднее значение постоянной установки
   

6. 
   Значение С_у занести в таблицу 1.
   

1. 
   Поставить тумблер SA1 в положение «электромагнит», включить источник питания (тумблер SA2) и с помощью реостатов установить значение тока в катушке электромагнита в пределах от 0,5 до 1 А.
   
2. 
   Поместив измерительную катушку L₃ в межполюсное пространство электромагнита так, чтобы плоскость ее витков была параллельна плоскости полюсных наконечников электромагнита, измерить максимальный отброс α зайчика гальванометра в момент быстрого выведения L₃ из магнитного поля. Величину тока в электромагните I и α записать в таблицу 2. Туда же занести значения N₁ и S₁ измерительной катушки. Опыт повторить 5-7 раз, поддерживая ток в электромагните постоянным.
   

Таблица 2

3. 
   Вычислить значения В_i по формуле и найти .