Материал: Гурбич Лабораторныы практикум по курсу Обшчая физика раздел Електричество 2014

Приборы и оборудование

В работе используется источник питания с двумя ручками регулировки: для изменения выходного напряжения и тока. Установленные значения напряжения и тока указываются на цифровых индикаторах. Погрешность индикатора напряжения составляет ±0,24 В, индикатора тока – ±0,4 А. Измерение индукции поля производится датчиками, подключаемыми к магнитометру (тесламетру). Работа датчиков основана на эффекте Холла. При помещении плоского проводника ширины d с током I в магнитное поле, перпендикулярное направлению протекания тока, на противоположных гранях проводника возникает разность потенциалов, равная

где n – концентрация носителей тока, e – элементарный заряд, B – модуль вектора индукции. Эффект объясняется отклонением движущихся носителей тока под

словленной электрическим полем, которое создается разделенными зарядами. Этому полю соответствует разность потенциалов UH. Поскольку согласно (5.12) разность потенциалов UH прямо пропорциональна B, ее измерение дает информацию об индукции магнитного поля.

В работе используются два датчика – аксиальный и тангенциальный (рис. 5.4). Они отличаются расположением чувствительного элемента относительно щупа. В аксиальном датчике он расположен так, что измеряется составляющая магнитного поля, направленная вдоль оси щупа, а в тангенциальном его расположение

36

обеспечивает измерение составляющей, перпендикулярной плоскости щупа.

Рис. 5.4

Порядок выполнения работы

Упражнение 1. Измерение магнитной индукции прямого провод-

ника с током. Схема опыта приведена на рис. 5.5.

Как показано на рис. 5.1, вектор BG перпендикулярен любой плоскости, содержащей проводник. Поэтому для измерения поля на перпендикуляре к проводнику следует подключить тангенциальный датчик. В первой части упражнения измеряется зависимость величины магнитной индукции от величины тока в проводнике:

37

1)повернуть ручки «Ток» и «Напряжение» на блоке питания против часовой стрелки до упора и включить блок питания и магнитометр;

2)после прогрева в течение 30 мин нажать кнопку «Уст. 0» на магнитометре;

3)расположить датчик так, чтобы щуп был на одном уровне с осью проводника, и чтобы расстояние s от конца щупа до проводника было равно 1 мм;

4)измерить при помощи штангенциркуля диаметр проводника

иопределить расстояние r от оси проводника до центра датчика, приняв s0 равным 1,5 мм (см. рис. 5.5);

5)установить ручку «Напряжение» на блоке питания так, чтобы указатель на ручке был направлен горизонтально влево;

6)изменяя ток с шагом в 2 А от 0 до 20 А, записать показания магнитометра в таблицу в лабораторном журнале;

7)повторить п.6 еще два раза;

8)найти средние значения индукции и их погрешности (систематическую погрешность магнитометра принять равной ±2 %) и построить график экспериментальной зависимости B(I);

9)на этом же графике построить теоретическую зависимость

B(I) согласно (5.4).

Во второй части упражнения измеряется зависимость магнитной индукции от расстояния r от оси проводника:

1)установить ток в проводнике равным 20 А;

2)увеличивая расстояние r с шагом в 1 см до r = 5 см, записать показания магнитометра в таблицу в лабораторном журнале;

3)повторить п.2 еще два раза;

4)выключить приборы;

5)найти средние значения индукции и их погрешности и построить график экспериментальной зависимости B(r);

6)на этом же графике построить теоретическую зависимость

B(r) согласно (5.4).

При сравнении теории с экспериментом следует иметь в виду, что соотношение (5.4) дает индукцию бесконечно длинного проводника, тогда как используемый в работе проводник может считаться таковым только при малых расстояниях r. Кроме того, сле-

38

дует принять во внимание, что подводящие провода также дают вклад в измеряемую индукцию.

Упражнение 2. Измерение магнитной индукции на оси кру-

гового тока. Схема опыта приведена на рис. 5.6.

Рис. 5.6

При сборке установки приборы должны быть выключены.

Круговой ток создается в катушке со средним диаметром 13,4 см, содержащей N = 320 витков провода. Поскольку толщина и высота обмотки много меньше ее диаметра, магнитное поле катушки можно приближенно рассматривать, как поле N совпадающих витков одного диаметра. Магнитная индукция каждого витка на его оси определяется формулой (5.11). Тогда в соответствии с принципом суперпозиции индукция магнитного поля катушки будет в N раз больше. Так как согласно (5.11) поле кругового тока направлено вдоль оси катушки, то в этом упражнении используется аксиальный датчик.

В упражнении измеряется зависимость магнитной индукции от расстояния r от центра катушки. Последовательность операций следующая:

39

1)включить блок питания и измерительное устройство;

2)через несколько минут после включения нажать кнопку

«Уст. 0»;

3)установить ток в катушке равным 2 А;

4)установить аксиальный датчик в центре катушки;

5)увеличивая расстояние r последовательно в обе стороны от центра с шагом 2 см до r = ±20 см, записать показания магнитометра в таблицу в лабораторном журнале;

6)повторить п.3 еще два раза;

7)выключить приборы;

8)найти средние значения индукции и их погрешности и построить график экспериментальной зависимости B(r);

9)на этом же графике построить теоретическую зависимость

B(r).

При сравнении теории с экспериментом принять во внимание приближенное соответствие поля плоской катушки полю совпадающих витков.

Контрольные вопросы

1.В чем состоит принцип суперпозиции для индукции магнитного

поля?

2.Как выбирается контур интегрирования при применении теоремы о циркуляции для определения магнитной индукции бесконечно длинного проводника с током?

3.Изменится ли магнитное поле витка с током при изменении направления протекания тока по витку на противоположное? Если изменится, то как?

4.Что утверждает теорема Гаусса для потока вектора B ?

5.В каких единицах измеряется индукция магнитного поля в системе

СИ?

6.Чему равна сила Лоренца?

7.В чем состоит эффект Холла?

40