ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.8

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

(«Электричество и магнетизм», «Магнитное поле прямого тока»,

«Магнитное поле витка с током», «Магнитное поле соленоида»)

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

•Знакомство с моделированием магнитного поля от различных источни­ков.

•Экспериментальное подтверждение закономерностей для магнитного по­ля прямого провода и кругового витка (контура) с током.

•Экспериментальное определение величины магнитной постоянной.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ:

МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ (МП) называется область пространства, в которой на электрически нейтральный проводник с током действует сила, называемая магнитной. ИСТОЧНИКОМ МП является движущаяся электриче­ски заряженная частица (заряд), которая создает также и электрическое поле. Если вблизи одной движущейся заряженной частицы (заряда №1) будет на­ходиться вторая движущаяся с такой же скоростью V заряженная частица (заряд №2), то на второй заряд будут действовать 2 силы: электрическая (кулоновская) F_кл, магнитная сила F_и, которая будет меньше электрической в раз, где с – скорость света

Для практически любых ПРОВОДОВ с током выполняется ПРИНЦИП КВАЗИНЕЙТРАЛЬНОСТИ: несмотря на наличие и движение заряженных частиц внутри проводника, любой (не слишком малый) его отрезок имеет ну­левой суммарный электрический заряд. Поэтому между обычными провода­ми с током наблюдается только магнитное взаимодействие.

МАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ - характеристика силового действия МП на проводник с током, векторная величина, обозначаемая символом В.

ЛИНИИ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ - линии, в любой точке которых вектор индукции МП направлен по касательной.

Анализ взаимодействия движущихся зарядов с учетом эффектов теории от­носительности (релятивизма) дает выражение для индукции dB МП, созда­ваемого элементарным отрезком dt с током I, расположенным в начале ко­ординат (закон Био-Савара-Лапласа или Б-С-Л):

где r - радиус-вектор точки наблюдения, e_r - единичный радиус-вектор, на­правленный в точку наблюдения, μ₀ - магнитная постоянная. МП подчиняется ПРИНЦИПУ СУПЕРПОЗИЦИИ: индукция МП нескольких источников является суммой индукций полей, создаваемых независимо каждым источником

ЦИРКУЛЯЦИЕЙ МП называется интеграл по замкнутому контуру от скалярного произведения индукции МП на элемент контура:

ЗАКОН ЦИРКУЛЯЦИИ МП: циркуляция МП по замкнутому контуру Гц пропорциональна суммарному току, пронизывающему поверхность S(L₀), ограниченную этим контуром L₀

Закон Б-С-Л и принцип суперпозиции МП позволяют получить многие другие закономерности, в частности, индукцию магнитного поля прямого бесконечно длинного проводника с током:

Линии магнитной индукции поля прямого проводника с током представляют собой концентрические окружности, лежащие в плоскостях, пер­пендикулярных проводнику, с центрами, расположенными на его оси.

Индукция МП на оси кругового контура (витка) радиуса R с током I на расстоянии r от центра:

где - МАГНИТНЫЙ МОМЕНТ витка площадью S, е_n – единичный вектор нормали к поверхности витка.

СОЛЕНОИДОМ называется длинная прямая катушка с током. Величи­на индукции МП вблизи центра соленоида меняется очень мало. Такое поле можно считать практически однородным.

Из закона циркуляции МП можно получить формулу для индукции МП в центре соленоида В=μ₀In, где п - число витков, приходящихся на единицу длины соленоида.

МЕТОДИКА и ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ:

ИЗМЕРЕНИЯ:

ЭКСПЕРИМЕНТ 1

.

1. Запустите, дважды щелкнув мышью, экспери­мент «Магнитное поле прямого тока». Наблюдайте линии индукции МП прямого провода.

2. Зацепив мышью, перемещайте движок регулятора тока. Зафиксируйте ве­личину тока, указанную в таблице 2 для вашей бригады.

Таблица 2. Значения величины тока.

3. Перемещая мышью «руку» вблизи провода, нажимайте левую кнопку мыши на расстояниях r до оси провода, указанных в таблице 1. Значения r и В занесите в табл.1. Повторите измерения для трех других значений тока из табл.2.

Таблица 1. Результаты измерений.

ЭКСПЕРИМЕНТ 2.

1. Закройте окно эксперимента 1, нажав кнопку в правом верхнем углу внут­реннего окна. Запустите, дважды щелкнув мышью, следующий экспери­мент «Магнитное поле кругового витка с током». Наблюдайте линии ин­дукции МП кругового витка (контура).

2. Зацепив мышью, перемещайте движок регулятора тока. Зафиксируйте ве­личину тока, указанную в таблице 2 для вашей бригады.

3. Перемещая мышью «руку» по оси витка, нажимайте левую кнопку мыши на расстояниях r до оси витка, указанных в таблице 1. Значения r и В за­несите в табл.3. Повторите измерения для трех других значений тока из табл.2.

Таблица 3. Результаты измерений.

r (cм)=
1/(R2+r2)3/2
В1, Тл
В2, Тл
В3, Тл
В4, Тл

ЭКСПЕРИМЕНТ 3.

1. Закройте окно эксперимента 2, нажав кнопку в правом верхнем углу внут­реннего окна. Запустите, дважды щелкнув мышью, следующий экспери­мент «Магнитное поле соленоида». Наблюдайте линии индукции МП со­леноида.

2. Зацепив мышью, перемещайте движок регулятора тока. Зафиксируйте ве­личину тока, указанную в таблице 2 для вашей бригады.

3. Перемещая мышью «руку» по оси соленоида, нажимайте левую кнопку мыши на расстояниях r до оси соленоида, указанных в таблице 1. Значе­ния r и В занесите в табл.4, аналогичную табл. 1 (кроме второй строки, в которой здесь не надо записывать ничего). Повторите измерения для трех других значений тока из табл.2.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА:

1. Вычислите и запишите в таблицы 1, 3 и 4 значения для второй строки.

2. Постройте графики зависимости индукции МП (В) прямого провода с токоми от обратного расстояния (1/r).

Вывод по графику: Полученный экспериментально график зависимости _________________ от ___________________________ имеет вид _________________________________________ и качественно __________________ с теоретической зависимостью данных характеристик, имеющей вид

3. По тангенсу угла наклона графиков определите 4 значения магнитной постоянной, используя формулу

μ₀₂= μ₀₃= μ₀₄=

3. Постройте график зависимости индукции МП (В) на оси витка с током от куба обратного расстояния l/(R²+r²)^3/2.

Вывод по графику: Полученный экспериментально график зависимости _________________ от ___________________________ имеет вид _________________________________________ и качественно __________________ с теоретической зависимостью данных характеристик, имеющей вид

4. По тангенсу угла наклона графиков определите 4 значения магнитной постоянной, используя формулу

μ₀₂= μ₀₃= μ₀₄=

6. Вычислите среднее значение магнитной постоянной.

7. Оцените погрешность результата:

ОТВЕТ: По результатам измерений и асчётов получено значение __________________, равное

μ₀ = (±)·10

ВЫВОД ПО ОТВЕТУ: полученное экспериментально значение величины__________________,

равное с точностью до ошибки измерений, составляющей, совпадает (не совпадает) с табличным (теоретическим) значением данной величины, равным

8. Постройте графики зависимости индукции магнитного поля на оси соленоида от расстояния до его центра.

Вывод по графику: Полученный экспериментально график зависимости _________________ от ___________________________ имеет вид _________________________________________ и качественно __________________ с теоретической зависимостью данных характеристик, имеющей вид

7. Для магнитного поля соленоида при каждом токе определите протяжен­ность ∆r области однородности, в которой индукция меняется не более чемна 10% от максимальной. Вычислите среднее значение области однородности.

ΔL_{неодн 1}=

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Что такое магнитное поле (МП)?

2. Назовите источники МП.

3. Какие силы действуют между движущимися зарядами?

4. Во сколько раз магнитная сила меньше электрической для двух дви­жущихся точечных электрических зарядов'?

5. Сформулируйте определение квазинейтральности проводов с током.

6. Какие силы и почему действуют между проводами с током?

7. Дайте определение линии индукции МП. Зачем их рисуют?

8. Запишите закон Био-Савара-Лапяаса. Вчем он похож на закон Кулона?

9. Сформулируйте принцип суперпозиции для МП.

10. Дайте определение циркуляции МП.

11. Сформулируйте и запишите формулу закона циркуляции МП.

12. Сформулируйте и запишите формулу для МП прямого провода с то­ком. 13. Как выглядят линии индукции МП прямого провода с током?

14. Сформулируйте и запишите формулу для МП на оси кругового витка

(контура) с током.

15. Что такое магнитный момент витка с током?

16. Какую форму имеет линия индукции, проходящая через центр витка с

током?

17. Что такое соленоид и для чего он используется?

18. Чему равно магнитное поле в центре соленоида?

19. Является ли МП внутри соленоида точно однородным?

20. Как определить протяженность области однородности МП внутри соленоида, если задана точность?

ЛИТЕРАТУРА

1. Трофимова Т.И. Курс физики. М: Высшая школа, 2001, Гл.14,§ 109,110.

2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М: Высшая школа, 2000, Гл.22,§ 22

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: