Лабораторная работа № 12 (А.Е. Тарасов - Электронный учебно-методический комплекс по физике для РТФ (2012))

ОглавлениеЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 12 .............................................................................................................. 21. ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................................................... 22. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ .............................................................

33. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ ............................................................................................. 54. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ ............................................................................... 5ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ ......................................................................................................

55. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ .............................................................................................................. 52Лабораторная работа № 12ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ ГЕНЕРАТОРОМЦель работы: ознакомление с принципом работы измерительного генератора иизучение с его помощью магнитного поля.1. ВведениеОсновной силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитнойиндукции B . Модуль В равен отношению максимальной силы, действующей наFэлемент тока Idl, к модулю этого элемента: B  max . Магнитную индукцию можноIdlопределить экспериментально с помощью явления электромагнитной индукции.Если в исследуемое постоянное магнитное поле поместить маленькую катушку,состоящую из N витков проволоки, то при вращении катушки в ней индуцируетсяпеременная ЭДС, мгновенная величина которой определяется законом Фарадеяde  N.(1)dtМагнитный поток Ф сквозь площадь S каждого витка равен  BS  BS cos α .Размер витка выбирают таким, чтобы в его пределах магнитное поле можно былосчитать однородным; α – угол между нормалью к поверхности витка и В .

Угол αповорота катушки за время t при равномерном вращении связан с угловой скоростью ω (или периодом вращения Т) соотношением2πα  ωt t.TСледовательно,2π  BS cos t .TОтсюда, на основании (1),2π2π2π(2)e  NBSsin t  emax sin t .TTTВыражение emax = 2NBS/T является амплитудой наведённой в катушке ЭДС. График зависимости ЭДС индукции от t приведён на РИС.

1. Если замкнуть концывращающейся катушки, то в образованной таким образом цепи появится индукционный ток, изменяющийся по законуe e2π2π(3)I   max sin t  Imax sin t ,RRTTгде R – сопротивление цепи катушки.3eemaxtTРис. 1Следовательно, при постоянной скорости вращения катушки в её цепи индуцируется ток I, амплитудное значение которого пропорционально модулю магнитнойиндукции В.e2π NBS.(4)Imax  max RT RИз формулы (4) получим следующее выражение для магнитной индукции:I TR(5)B  max .2πNS2. Описание установки и метода измеренийВ работе исследуется магнитное поле, созданное двумя короткими катушками L1и L2, последовательно соединёнными между собой (РИС.

2). Плоскости витков обеих катушек расположены вертикально параллельно друг другу. По катушкам L1 иL2 протекает ток i, источником которого служит блок питания БП. Измерение тока i производят с помощью амперметра A. Измерительный генератор, применяемый в работе, состоит из маленькой катушки К (РИС. 2), насаженной на удлиненную ось мотора. Мотор М приводится во вращение переменным током частотойν = 50 Гц. Такую же частоту вращения имеет и катушка К.O1L1AOКL2O2МТрмкАБПРис. 2С целью выпрямления индуцирован ной ЭДС (РИС. 1) концы катушки подводят кколлектору, который представляет собой два изолированных друг от друга полу-4цилиндра, вращающихся вместе с катушкой. Плоскость разреза полуцилиндровперпендикулярна плоскости витков (РИС. 2).

Оба полуцилиндра непрерывно касаются двух неподвижно закрепленных контактов (щёток). В моменты, когда ЭДСблизка к нулю (α = π, 2π, Зπ и т. д.), т. е. когда вектор магнитной индукции перпендикулярен плоскости витков катушки К, щётки переходят с одного полуцилиндрана другой и тем самым переключают полярность сигнала. Ток в цепи катушки Кстановится постоянным по направлению, оставаясь переменным по модулю(РИС. 3). Возникающие в измерительном генераторе токи малы и могут быть измерены чувствительным микроамперметром мкА магнитоэлектрической системы (РИС. 2). Этот прибор вследствие инерции его подвижной системы не можетрегистрировать мгновенное значение тока, а показывает некоторое среднее егозначение I0 Величину I0 можно связать с величиной Imax, пользуясь соотношениемI0 1T 2T 2Imax0sin2π2tdt  Imax .Tπ(6)IImaxI0tTT/2Рис. 3Из формул (5) и (6) получимBI0RTIR 0 ,4NS 4NSν1 50 Гц – частота переменного тока в катушке К.

Так как сопротивлениеTR цепи измерительного генератора складывается из сопротивлений микроамперметра Ra и катушки Rк, то окончательная формула для расчёта В будет иметь видгде ν BI0  Ra  Rк 4NSν.(7)Для изучения зависимости В от расстояния d внутри катушек L1 и L2 закрепленыдве горизонтальные линейки с миллиметровой шкалой. Начала отсчёта О обеихлинеек совпадают. Линейка ОО1 расположена вдоль оси катушек L1 и L2, линейкаОО2 перпендикулярна оси катушек (РИС.

2) Перемещая измерительный генераторК вдоль этих линеек измеряют I0 для каждого его положения d, где d – расстояниеот начала отсчёта O до риски на катушке К, совпадающей с её центром. На основании измерений строят графики зависимости В(d).53. Порядок выполнения работы1.

Собирают цепь катушек L1, L2 и цепь измерительного генератора К согласноРИС. 2.2. Включают ток i в цепи катушек L1, L2 и в дальнейшем поддерживают его постоянным. Регулировку тока производят ручкой на панели блока питания БП. Значение тока i указано на установке.3. Помещают измерительную катушку К так, чтобы риска, отмеченная на ней,оказалась в начале отсчёта О линеек. Нажатием кнопки включают мотор и измеряют по микроамперметру I0 при d = 0.4.

Передвигая катушку К вдоль оси ОО1 измеряют показания микроамперметра I0для разных d. Измерения производят через каждый сантиметр. При всех измерениях вдоль оси OО1 (OО2) измерительную катушку следует располагать так, чтобывектор В был перпендикулярен оси вращения катушки К (РИС. 2).5. Повторяют те же измерения, перемещая катушку К вдоль оси ОО2. Так каквдоль этой оси магнитное поле изменяет направление, то необходимо изменитьнаправление тока через микроамперметр.

Для этой цели на его панели установлен переключатель.4. Обработка результатов измеренийν = …; Ra = …; Rк = …; N = …; S = …Таблица 1d, смвдоль ОО1I0, мкАВ, Тлвдоль ОО2В, ТлI0, мкА1. Рассчитывают модуль магнитной индукции B в различных точках осей ОО1 иОО2 для каждого d по формуле (7).2. Строят графики B = f(d) для обеих осей.3. Для случая d = 0 находят по обычным правилам погрешность ΔВ:2222 I  R 2  Rk 2  N   S   ν B  B  0   a  S   ν 2IN   RR0akи записывают окончательный результат.Дополнительное заданиеДля фиксированного значения d изучить зависимость В от тока в катушках L1 иL2; построить график B = f(i).5.

Контрольные вопросы1. Дать определение вектора магнитной индукции В . Индукция какого поляизучается в данной работе?62. В чем состоит явление электромагнитной индукции? Как оно используется вданной работе? Получите расчётную формулу для В.3. Как устроен измерительный генератор? Почему размеры катушки К должныбыть малы?4. Какой ток (переменный или постоянный) течёт по цепи измерительной катушки? Какой ток измеряет микроамперметр?5. С какой целью в работе используется коллектор?.