Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

Физика->Лабораторная работа
Примерами гармонического осциллятора являются пружинный, физический и математический маятники при малых амплитудах колебаний и электрический колебател...полностью>>
Физика->Лекция
Тепловой двигатель - это система, совершающая многократно круговой процесс (цикл), при котором за счёт подведённого извне тепла совершается механическ...полностью>>
Физика->Лабораторная работа
К теплоотражающим относят экраны, изготовленные из материалов, хорошо отражающих тепловое излучение. Это листовой алюминий, белая жесть, полированный ...полностью>>
Физика->Лабораторная работа
Вивчити вільні затухаючі коливання пружинного маятника, визначити параметри коливальної системи та характеристики коливань (жорсткість пружини, коефіц...полностью>>

Главная > Лабораторная работа >Физика

Сохрани ссылку в одной из сетей:

Изучение магнитного поля соленоида

Методические указания выполнены в соответствии с профессиональной образовательной программой.

Цель указаний помочь студенту в выполнении лабораторной работы по курсу «Электродинамика».

Рассматриваются основные закономерности, характеризующие магнитное поле. Приводятся формулы, позволяющие найти магнитную индукцию магнитного поля различных токов.

Предназначены для студентов 1-го курса всех инженерно-технических специальностей и форм обучения, изучающих дисциплину «Физика».

Методические указания разработаны в рамках инновационно-образовательной программы «Инновационный научно-образовательный комплекс на Дальнем Востоке России».

ВВЕДЕНИЕ

В настоящей лабораторной работе «Изучение магнитного поля соленоида» рассматриваются основные закономерности магнитного поля тока соленоида. Дается практическое применение эффекта Холла. Приводится вывод формулы для нахождения магнитной индукции поля соленоида по датчику Холла.

В результате выполнения и защиты лабораторной работы студент должен:

– уметь рисовать линии напряженности и магнитной индукции поля соленоида, прямого и кругового токов;

– понимать в чем заключается эффект Холла;

– осмысленно понимать все физические величины, характеризующие магнитное поле и знать действие магнитного поля на движущиеся в нем заряды и токи.

Лабораторная работа выполняется в течение двух часов непосредственно в лаборатории физики. В работе предусмотрены задания по учебно-исследовательской работе (УИРС).

Лабораторная работа
ИЗУЧЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ СОЛЕНОИДА

Цель работы: исследование магнитного поля соленоида методом датчика Холла.

Приборы и принадлежности: установка с соленоидом и датчиком Холла, цифровой вольтметр.

1. ТеорЕТИЧЕСКая часть

1.1. Магнитное поле и его характеристики

В пространстве, окружающем токи и постоянные магниты, возникает силовое поле, называемое магнитным. Наличие магнитного поля обнаруживается по силовому действию на внесенные в него проводники с током или постоянные магниты. Название «магнитное поле» связывают с ориентацией магнитной стрелки под действием поля, создаваемого током (это явление впервые обнаружено датским физиком Х. Эрстедом (1777–1851 гг.)).

Важнейшая особенность магнитного поля состоит в том, что оно действует только на движущиеся в этом поле электрические заряды. Опыт показывает, что характер воздействия магнитного поля на ток различен в зависимости от формы проводника, по которому течет ток, от расположения проводника и от направления тока. Следовательно, чтобы охарактеризовать магнитное поле, надо рассмотреть его действие на определенный ток.

Если в данную точку магнитного поля помещать рамки с различными магнитными моментами, то на них действуют различные вращающие моменты, однако отношение ( – максимальный вращающий момент) для всех контуров одно и то же и поэтому может служить характеристикой магнитного поля, называемой магнитной индукцией

, (1.1)

где – вектор магнитного момента рамки с током (– вектор магнитной индукции, количественная характеристика магнитного поля).

Для плоского контура с током

, (1.2)

где – площадь поверхности контура (рамки), – единичный вектор нормали к поверхности рамки. Направление совпадает, таким образом, с направлением положительной нормали, которое определятся по правилу буравчика: если движение рукоятки буравчика совместить с направлением тока в рамке, то поступательное движение буравчика укажет на направление .

Магнитная индукция в данной точке однородного магнитного поля определяется максимальным вращающим моментом, действующим на рамку с магнитным моментом, равным единице, когда нормаль к рамке перпендикулярна направлению поля.

Так как магнитное поле является силовым, то его по аналогии с электрическим изображают с помощью линий магнитной индукции – линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора . Их направление задается правилом правого винта: головка винта, ввинчиваемого по направлению тока, рукоятка вращается в направлении линий магнитной индукции.

Линии магнитной индукции всегда замкнуты и охватывают проводники с током. Этим они отличаются от линий напряженности электростатического поля, которые являются не замкнутыми (начинаются на положительных зарядах и кончаются на отрицательных).

1.2. Закон Био-Савара-Лапласа и его применение
к расчету магнитного поля

Магнитное поле постоянных токов различной формы изучалось французскими учеными Ж. Био (1774–1862) и Ф. Саваром (1791–1841). Результаты этих опытов были обобщены выдающимся французским математиком и физиком П. Лапласом.

Закон Био-Савара-Лапласа для проводника с током , элемент которого создает в некоторой точке (рис. 1) индукцию поля, записывается в виде:

, (1.3)

где – вектор, по модулю равный длине элемента проводника и совпадающий по направлению с током; – радиус-вектор, проведенный из элемента проводника в точку исследуемого поля, – модуль радиуса-вектора ; – магнитная постоянная (); – магнитная проницаемость среды, которая в воздухе и в вакууме равна единице. Направление перпендикулярно и , т. е. перпендикулярно плоскости, в которой они лежат, и совпадает с касательной к линии магнитной индукции. Это направление может быть найдено по правилу нахождения линий магнитной индукции (правилу правого винта): направление вращения головки винта дает направление , если поступательное движение винта соответствует направлению тока в элементе.

Модуль вектора определяется выражением

, (1.4)

где – угол между векторами и .

Для магнитного поля, как и для электрического, справедлив принцип суперпозиции: магнитная индукция результирующего поля, создаваемого несколькими токами или движущимися зарядами, равна векторной сумме магнитных индукций складываемых полей, создаваемых каждым током или движущимся зарядом в отдельности:

. (1.5)

Расчет характеристик магнитного поля ( и ) по приведенным формулам в общем случае сложен. Однако если распределение тока имеет определенную симметрию, то применение закона Био-Савара-Лапласа совместно с принципом суперпозиции позволяет просто рассчитать конкретные поля. Рассмотрим два примера.

Магнитное поле прямого тока, текущего по тонкому прямому проводу бесконечной длины (рис. 2). В произвольной точке , удаленной от оси проводника на расстояние , векторы от всех элементов тока имеют одинаковое направление, перпендикулярное плоскости чертежа («к нам»). Поэтому сложение векторов можно заменить сложением их модулей. В качестве переменной интегрирования выберем угол (угол между векторами и ), выразив через него все остальные величины. Из рис. 2 следует:

(радиус дуги CD вследствие малости равен , и угол FDC по этой же причине можно считать прямым). Подставив эти выражения в (1.4), получим, что магнитная индукция, создаваемая одним элементом проводника, будет следующая

. (1.6)

Так как угол для всех элементов прямого тока бесконечно длинного изменяется в пределах от 0 до, согласно (1.5) и (1.6) получим:

.

Следовательно, магнитная индукция поля прямого тока бесконечной длины

. (1.7)

Если проводник конечной длины, то меняется от до (рис. 2) и тогда интегрируя (1.6), получим

. (1.8)

Магнитное поле в центре кругового проводника с током. Все элементы кругового проводника с током создают в центре магнитные поля одинакового направления – вдоль нормали от витка. Поэтому сложение векторов можно заменить сложением их модулей. Так как все элементы проводника перпендикулярны радиусу-вектору () и расстояние всех элементов проводника до центра кругового тока одинаково и равно , то согласно (1.4):

.

Тогда

.

Следовательно, магнитная индукция поля в центре кругового проводника с током имеет вид:

.

1.3. Действие магнитного поля на движущийся заряд

Опыт показывает, что магнитное поле действует не только на проводники с током, но и на отдельные заряды, движущиеся в магнитном поле. Сила, действующая на электрический заряд , движущийся в магнитном поле со скоростью , называется силой Лоренца и выражается формулой

, (1.9)

где – индукция магнитного поля, в котором заряд движется.

Направление силы Лоренца определяется с помощью правила левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы в нее входил вектор , а четыре вытянутых пальца направить вдоль вектора (для ), то отогнутый большой палец покажет направление силы, действующей на положительный заряд. На рис. 3 показана взаимная ориентация векторов , (поле направлено к нам, на рисунке показано точками) и для положительного заряда. На отрицательный заряд сила действует в противоположном направлении. Модуль силы Лоренца:

,

где – угол между и .

Магнитное поле не действует на покоящийся электрический заряд.
В этом существенное отличие магнитного поля от электрического. Магнитное поле действует только на движущиеся в нем заряды.

Так как по действию силы Лоренца можно найти модуль и направление вектора , то выражение для силы Лоренца может быть использовано (наравне с магнитным моментом рамки с током) для определения вектора магнитной индукции .

Сила Лоренца всегда перпендикулярна скорости движения заряженной частицы, поэтому она изменяет только направление этой скорости, не изменяя ее модуля. Следовательно, сила Лоренца работы не совершает. Иными словами, постоянное магнитное поле не совершает работы над движущейся в нем заряженной частицей и кинетическая энергия этой частицы при движении в магнитном поле не изменяется.

Если на движущийся электрический заряд помимо магнитного поля с индукцией действует и электрическое поле с напряженностью , то результирующая сила , приложенная к заряду, равна векторной сумме сил, действующих со стороны электрического поля, и силы Лоренца:

.

Это выражение называется формулой Лоренца. Скорость в этой формуле есть скорость заряда относительно магнитного поля.



Загрузить файл

Похожие страницы:

  1. Изучение магнитного поля соленоида (2)

    Лабораторная работа >> Физика
    Изучение магнитного поля соленоида Цель работы: определение магнитных полей, создаваемых вдоль оси длинной и короткой ... . Опыт №1 Определение e/m методом отклонения электронов в магнитном поле Работа выполняется в следующем порядке: 1. Присоединить ...
  2. Магнитное поле электрического тока

    Реферат >> Физика
    ... заряды, называют электрическими. Для изучения конфигурации магнитного поля, создаваемого током, можно использовать ... носит название соленоида. Магнитное поле соленоида подобно магнитному полю полосового магнита. Что касается магнитного поля кругового тока ...
  3. Определение индукции магнитного поля и проверка формулы Ампера

    Контрольная работа >> Физика
    ... волн 1.1 Замкнутый контур с током в магнитном поле Для изучения магнитного поля можно взять замкнутый контур малых ... магнитное поле внутри! соленоида можно считать однородным. Линии магнитной индукции такого поля параллельны. Картину линий магнитной ...
  4. Ферромагнетики. Энергия магнитного поля

    Лекция >> Физика
    ... и объема при намагничивании (магнитострикция). Экспериментальное изучение магнитных свойств железа было начато российским ... магнитного поля проводника с током можно написать . (6) Выразим рассматриваемую энергию через характеристики поля. Рассмотрим соленоид ...
  5. Физика. Электромагнитные явления (электродинамика)

    Учебное пособие >> Физика
    ... магнитного поля Земли. 4.4 4.4.2 Изучение переменного тока. МОДУЛЬ 5. ОПТИКА 5.2 5.2.1 Изучение дифракционной решётки. 5.2.2 Изучение поляризации света. 5.2.3 Изучение ... индуктивность L, соленоида и энергию W магнитного поля соленоида. Решение. Индуктивность ...

Хочу больше похожих работ...

Generated in 0.0019450187683105