 |
Результаты измерений и расчеты записать в таблицу
|
|
|
|
 , А
| |
 , В
| |
 , 
| |
 , Тл
| |
 ,
|
(эти значения записаны на установке)
Вывод
Лабораторная работа №10 эм
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ СОЛЕНОИДА
Цель работы: изучить магнитное поле соленоида, питающегося от переменного тока частотой 50 Гц; определить индуктивность соленоида и проанализировать зависимости индукции магнитного поля соленоида от силы тока, от координаты, от числа витков, а также исследовать градиент вектора магнитной индукции.
Приборы и оборудование: катушка, имеющая в одном слое 470 витков (всего 10 слоев); текстолитовая штанга длиной 110 см; маленькая катушка диаметром 12,4 мм и с числом витков 20; лабораторный автотрансформатор (ЛАТР) мощностью 1,25 кВт с максимальным напряжением 220 В; микровольтметр типа В3-57; вольтметр типа Э544; амперметр типа Э539.
ЗАДАНИЕ.
Подготовьте теоретическое обоснование к лабораторной работе по предложенным вопросам, используя литературу:
1. Трофимова, Т.И. Курс физики §109- 120 (глава 14 Магнитное поле)
2. Кравченко О.В., Фалеев Д.С. Магнитное поле соленоида, 2014 г.
1. Запишите закон Био-Савара-Лапласа
________________________________________________________________________________________________________________________________
2. Что называется циркуляцией вектора магнитной индукции магнитного поля.
_______________________________________________________________
3. Сформулируйте теорему о циркуляции вектора магнитной индукции.
________________________________________________________________________________________________________________________________
4. Запишите закон электромагнитной индукции. Сформулируйте правило Ленца.
________________________________________________________________________________________________________________________________
5. Какие колебания называются вынужденными. Запишите уравнение вынужденных электрических колебаний.
|
|
|
________________________________________________________________________________________________________________________________
Порядок выполнения работы
Метод работы
Экспериментальная установка состоит из длинного соленоида длиной 420 мм и диаметром первого слоя намотки 26 мм (рис. 1). Для намотки использовался медный эмалированный провод диаметром 0,8 мм. В одном слое было намотано 470 витков такого провода. Зная число витков, и определив длину одного витка, можно легко вычислить полную длину провода первого слоя. Зная поперечное сечение этого провода, а оно составляет приблизительно 0,5 мм2, можно вычислить активное сопротивление R этого первого слоя.
Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки для измерения магнитного поля: 1 – исследуемый соленоид; 2 – текстолитовая штанга длиной 110 см; 3 – выводы с маленькой катушки диаметром 12,4 мм и с числом витков 20, диаметр провода 0,15 мм; 4 – ЛАТР (лабораторный автотрансформатор); 5 – маленькая катушка
Всего на соленоиде намотано 10 слоев и в каждом по 470 витков. Но для расчета длины провода в каждом слое, начиная со второго слоя, необходимо увеличить диаметр намотки на 2 мм (с учетом толщины изоляции). Таким же путем можно вычислить и активное сопротивление 2-го, 3-го и т.д. слоёв, но надо иметь в виду, что отводы сделаны через 2 слоя намотки.
После каждого чётного слоя имеется отвод на клеммы, которые соответствующим образом помечены 1, 2, 3, 4, 5, 6.
Для питания установки используется лабораторный автотрансформатор типа ЛАТР с помощью которого напряжение, подаваемое на соленоид можно менять от 5 В до 60 В (максимальное значение). Напряжение и ток измеряются с помощью вольтметр типа Э544, амперметр типа Э539.
Внутри соленоида расположена штанга, изготовленная из текстолита, посредине которой намотана маленькая катушка диаметром dk = 12,4 мм и с числом витков равном 20. Толщина провода 0,15 мм. От этой катушки сделаны 2 вывода на конец штанги, где к ним припаивается гибкий тонкий провод с коаксиальным выходом для подключения к микровольтметру.
|
|
|
Внешний вид экспериментальной установки и её электрическая схема представлены на рис. 2.
На штанге на белой бумаге нанесены деления от нуля до 500 мм. Штанга может свободно перемещаться, как показано на рис. 7 стрелкой.
Для измерения магнитной индукции В в центре длинного соленоида воспользуемся короткой катушкой с числом витков равным 20 и диаметром dk = 12,4 мм. Эта катушка размещена на длинной штанге длиной приблизительно равной 110 см и располагается точно посредине соленоида. На штанге имеется шкала в мм. Установить катушку посредине соленоида (это не сложно сделать, так как длина соленоида равна 42 см). Эта катушка подключена к милливольтметру переменного тока.
Если на соленоид подается напряжение U = 60 В и переключатель секций соленоида находится в положении 6, то амперметр покажет ток I 1.
Магнитную индукцию соленоида можно вычислить по формуле
где n –число витков приходящихся на единицу длины соленоида; I – сила тока в соленоиде.
Порядок выполнения работы
1. Проверить правильность соединений электрической схемы в установке, показанной на рисунке и фотографии.
2. Не включая ЛАТР в сеть, установить штангу точно посредине соленоида. Это будет хорошо видно по обоим концам исследуемого соленоида.
3. Поставить переключатель в положение 2 (включены 2 обмотки).
4. Предварительно установив на нулевой уровень напряжение на
ЛАТРе, включить в сеть переменного тока с напряжением 220 В.
5. Плавно увеличивая напряжение до 10 В, зафиксировать ток, который показывает амперметр. Снять показание напряжения по милливольтметру, подключенного к маленькой катушке.
Задание 1. Исследовать зависимость вектора магнитной индукции от силы тока в соленоиде.
Для этого необходимо выполнить следующее:
1) зафиксировать маленькую катушку посредине соленоида;
2) подключить максимальное количество слоев обмотки соленоида, т.е. подсоединиться к клемме 6;
3) изменяя значения напряжения на ЛАТРЕ, будет меняться сила тока в соленоиде, и тогда можно снять значения напряжения на милливольтметре, подсоединенного к катушке, расположенной посредине штанги;
|
|
|
4) значения силы тока и напряжения на катушке записать в табл. 1;
5) значение индукции магнитного поля пропорционально напряжению на измерительной катушке и рассчитать по формуле
,
где а = 0,307 м2·с-1 – коэффициент пропорциональности;
6) построить график зависимости индукции магнитного поля соленоида от силы тока В = В (I), взяв пять- девять точек.
Задание 2. Исследовать зависимостьвектора магнитной индукции от координаты катушки.
Для этого необходимо:
1) установить силу тока в катушке соленоида не более 2 А;
2) подключить максимальное количество слоев обмотки соленоида, т.е. подсоединиться к клемме 6;
3) установить штангу таким образом, чтобы катушка находилась посередине соленоида (на штанге на выходе из соленоида должна быть отметка 24 см);
4) перемещая штангу с маленькой катушкой вдоль оси соленоида от его центра с интервалом Δ x = 2 см, измерить напряжение на милливольтметре, затем данные занести в табл. 2;
5) по формуле (30) вычислить значения B, данные занести в табл. 2 и построить график зависимости В = В (х);
6) не меняя значения силы тока, подключиться к клемме 5, т.е. в цепь будут подключены 8 слоев соленоида и снова проделать пункты 3, 4, 5.
Задание 3. Исследовать зависимостьвектора магнитной индукции от числа витков соленоида.
Для этого необходимо:
1) установить силу тока I =0,5 А в катушке соленоида;
2) установить штангу таким образом, чтобы катушка находилась посередине соленоида;
3) подключиться поочередно к клеммам 3, 4, 5, 6, т.е. с каждым подключением будет увеличиваться число слоев соленоида (клемма 2 соответствует тому, что в цепь включены 2 слоя соленоида, клемма 3 – 4 слоя соленоида, клемма 4 – 6 слоев, клемма 5 – 8 слоев, клемма 6 – 10 слоев);
4) данные занести в табл. 3;
5) по формуле (30) вычислить значения B, данные занести в табл. 2 и постройте график зависимости В = В (N);
6) не меняя положение катушки внутри соленоида, изменить значения силы тока и заполнить табл. 3 при другом значении силы тока, затем построить график зависимости В = В (N).
Задание 4. Рассчитать полное сопротивление катушки по формуле
|
|
|
Задание 5. Исследовать градиент вектора магнитной индукции 
на участке от 0 (место расположения маленькой катушки) до 50 см через каждый сантиметр, начиная с 15 см.
4. Контрольные вопросы
1. Пользуясь законом Био-Савара-Лапласа, вывести формулы индукции магнитного поля кругового витка с током.
2. Пользуясь законом Био-Савара-Лапласа, вывести формулы индукции магнитного поля короткого и бесконечно длинного соленоидов.
3. Используя теорему о циркуляции вектора магнитной индукции, выведите формулу индукцию магнитного поля соленоида.
4. Объяснить смысл явлений электромагнитной индукции и самоиндукции.
5. Вывести формулы индуктивности соленоида.
Список литературы
1. Трофимова, Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Т.И. Трофимова. – 7-е изд. – М.: Высш.шк., 2002. – С. 542.
2. Савельев, И.В. Курс общей физики / И.В. Савельев. – 4-е изд. – М.: Наука, 2000. – Т. 2. – С. 496.
3. Детлаф, А.А. Курс физики: учеб. пособие для вузов / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. – М.: Высш.шк., 1999. – С. 608.
4. Немцов, М.В. Справочник по расчету параметров катушек индуктивности / М.В. Немцов. – М.: Энергия, 1989. – С. 169.
5. Волгов, В.А. Детали и узлы радиоэлектронной аппаратуры / В.А. Волгов. – М.: Энергия, 1977. – С. 329.
|
|
|
