1. Исследование магнитного поля короткой катушки
1.1. Включить приборы. Выключатели источника питания и тесламетра расположены на задних панелях.
1.2. В качестве исследуемого объекта 5 установить в держатель короткую катушку и подключить ее к источнику тока 6.
1.3. Регулятор напряжения на источнике 6 поставить в среднее положение. Установить силу тока, равную нулю, путем регулировки выхода силы тока на источнике 6 и произвести контроль по амперметру (значение должно быть равно нулю).
1.4. Регуляторами грубой 1 и тонкой настройки 2 (рис.7) добиться нулевых показаний тесламетра.
1.5. Установить держатель с измерительным щупом на линейке в удобном для считывания положении – например, в координате 300 мм. В дальнейшем принять это положение за нулевое. Следить при установке и в процессе измерений за параллельностью между щупом и линейкой.
1.6. Расположить держатель с короткой катушкой таким образом, чтобы датчик Холла 4 находился в центре витков катушки (рис. 8). Для этого использовать зажимно - регулировочный винт по высоте на держателе измерительного щупа. Плоскость катушки должна быть перпендикулярна щупу. В процессе подготовки измерений перемещать держатель с исследуемым образцом, оставляя неподвижным измерительный щуп.
1.7. Убедиться, что за время прогрева тесламетра, его показания остались нулевыми. Если это не выполнено – установить нулевые показания тесламетра при нулевом токе в образце.
1.8. Установить силу тока в короткой катушке 5 А (путем регулировки выхода на источнике питания 6, Constanter/Netzgerät Universal).
1.9. Измерить магнитную индукцию B эксп на оси катушки в зависимости от расстояния до центра катушки. Для этого смещать держатель измерительного щупа по линейке, сохраняя параллельность своему первоначальному положению. Отрицательные значения z соответствуют смещению щупа в область меньших координат, чем начальная, и наоборот – положительные значения z – в области больших координат. Данные занести в таблицу 1.
Таблица 1 Зависимость магнитной индукции на оси короткой катушки от расстояния до центра катушки
z | см | -8 | -7 | … | -1 | … | ||||
Bэксп | мТл | |||||||||
B теор | мТл |
1.10. Повторить пункты 1.2 – 1.7.
1.11. Измерить зависимость индукции в центре витка от силы тока, проходящей через катушку. Данные занести в таблицу 2.
Таблица 2 Зависимость магнитной индукции в центре короткой катушки от силы тока в ней
I | A | 0,5 | 1,5 | 2,0 | 2,5 | 3,0 | … | 5,0 | |
Bэксп | мТл | ||||||||
B теор | мТл |
2. Исследование магнитного поля соленоида
2.1. В качестве исследуемого объекта 5 установить соленоид на регулируемую по высоте металлическую скамью из немагнитного материала (рис. 9).
2.2. Повторить 1.3 – 1.5.
2.3. Отрегулировать высоту скамьи так, чтобы измерительный щуп проходил по оси симметрии соленоида, а датчик Холла оказался в середине витков соленоида.
2.4. Повторить пункты 1.7 – 1.11 (вместо короткой катушки здесь используется соленоид). Данные занести соответственно в таблицы 3 и 4. При этом координату центра соленоида определить следующим образом: установить датчик Холла в начало соленоида и зафиксировать координату держателя. Затем передвигать держатель по линейке вдоль оси соленоида до тех пор пока конец датчика ни окажется на другой стороне соленоида. Зафиксировать координату держателя в этом положении. Координата центра соленоида будет равна среднему арифметическому из двух измеренных координат.
Таблица 3 Зависимость магнитной индукции на оси соленоида от расстояния до его центра.
z | см | -10 | -9 | … | -1 | … | ||||
Bэксп | мТл | |||||||||
B теор | мТл |
Повторить пункты 1.3 – 1.7.
2.5. Измерить зависимость индукции в центре соленоида от силы тока, проходящей через катушку. Данные занести в таблицу 4.
Таблица 4 Зависимость магнитной индукции в центре соленоида от силы тока в нем
I | A | 0,5 | 1,5 | 2,0 | 2,5 | 3,0 | … | 5,0 | |
Bэксп | мТл | ||||||||
B теор | мТл | ||||||||
L | мкГн |
3. Исследование магнитного поля прямого проводника с током
3.1. В качестве исследуемого объекта 5 установить прямой проводник с током (рис.10, a). Для этого соединить провода, идущие от амперметра и источника питания между собой (закоротить внешнюю цепь) и расположить проводник непосредственно на краю щупа 3 у датчика 4, перпендикулярно щупу (рис.10, b). Для поддержки проводника использовать регулируемую по высоте металлическую скамью из немагнитного материала с одной стороны щупа и держатель для исследуемых образцов – с другой стороны (в одно из гнезд держателя можно включить клемму проводника для более надежной фиксации этого проводника). Проводнику придать прямолинейную форму.
3.2. Повторить пункты 1.3 – 1.5.
3.3.Определить зависимость магнитной индукции от силы тока в проводнике. Измеренные данные занести в таблицу 5.
Таблица 5 Зависимость магнитной индукции, создаваемой прямолинейным проводником, от силы тока в нем
I | A | 0,5 | 1,5 | 2,0 | 2,5 | 3,0 | … | 5,0 | |
Bэксп | мТл | ||||||||
B теор | мТл | ||||||||
r 0 | мм |
4. Определение параметров исследованных объектов.
4.1. Определить (при необходимости – измерить) и записать в таблицу 6 необходимые для расчетов данные: Nк – число витков короткой катушки, R – её радиус; Nс – число витков соленоида, l – его длина, L – его индуктивность (указано на соленоиде), d – его диаметр.
Таблица 6 Параметры исследуемых образцов
Nк | R | Nс | d | l | L |
Обработка результатов.
1. По формуле (10) рассчитать магнитную индукцию, создаваемую короткой катушкой с током. Данные занести в таблицы 1 и 2. По данным таблицы 1 построить теоретическую и экспериментальную зависимости магнитной индукции на оси короткой катушки от расстояния z до центра катушки. Теоретическую и экспериментальную зависимости построить в одних координатных осях.
2. По данным таблицы 2 построить теоретическую и экспериментальную зависимости магнитной индукции в центре короткой катушки от силы тока в ней. Теоретическую и экспериментальную зависимости построить в одних координатных осях. Рассчитать напряженность магнитного поля в центре катушки при силе тока в ней 5 А с использованием формулы (10).
3. По формуле (12) рассчитать магнитную индукцию, создаваемую соленоидом. Данные занести в таблицы 3 и 4. По данным таблицы 3 построить теоретическую и экспериментальную зависимости магнитной индукции на оси соленоида от расстояния z до его центра. Теоретическую и экспериментальную зависимости построить в одних координатных осях.
4. По данным таблицы 4 построить теоретическую и экспериментальную зависимости магнитной индукции в центре соленоида от силы тока в нем. Теоретическую и экспериментальную зависимости построить в одних координатных осях. Рассчитать напряженность магнитного поля в центре соленоида при силе тока в нем 5 А.
5. По данным таблицы 5 построить экспериментальную зависимость магнитной индукции, создаваемой проводником, от силы тока в нем.
6. На основании формулы (5) определить кратчайшее расстояние r o от датчика до проводника с током (это расстояние обусловлено толщиной изоляции проводника и толщиной изоляции датчика в щупе). Результаты расчета занести в таблицу 5. Вычислить среднее арифметическое значение r o, сопоставить с визуально наблюдаемой величиной.
7. Рассчитать индуктивность соленоида L. Результаты расчетов занести в таблицу 4. Сопоставить полученное среднее значение L с зафиксированным значением индуктивности в таблице 6. Для расчета воспользоваться формулой , где Y – потокосцепление, Y = NсBS, где В – магнитная индукция в соленоиде (по данным таблицы 4), S = p d 2/4 – площадь сечения соленоида.
8. Рассчитать погрешности косвенных измерений.
Содержание отчёта
Отчёт оформляется в соответствии с требованиями, предъявляемыми кафедрой ОТФ.
Контрольные вопросы.
1. В чем заключается закон Био-Савара-Лапласа и как его применять при расчете магнитных полей проводников с током?
2. Как определяется направление вектора в законе Био-Савара-Лапласа?
3. Как взаимосвязаны вектора магнитной индукции и напряженности между собой? Каковы их единицы измерения?
4. Как используется закон Био-Савара-Лапласа в расчете магнитных полей?
5. Как измеряется магнитное поле в данной работе? На каком физическом явлении основан принцип измерения магнитного поля?
6. Дайте определение индуктивности, магнитного потока, потокосцепления. Укажите единицы измерения этих величин.