МУ-Э-62 (1003806), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Магнитный потокчерез элемент поверхности есть dΦ = Bn dS, а полный магнитный поток через всюповерхностьΦ = ∫Bn dS .Единица магнитного потока - вебер: Вб = Тл⋅м2 .Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея). Возникновениеиндукционного тока в контуре показывает, что при электромагнитной индукции впроводнике появляется ЭДС εi , пропорциональная скорости изменения магнитногопотока через площадь, ограниченную контуром:εi = − dΦ/dt.(7)Если контур состоит из N последовательно соединенных витков (сложныйконтур), то ЭДС будет равна сумме индуцируемых в каждом из витков вотдельности ЭДС:εi = - ΣdΦ/dt = - d(ΣΦ)/dt = - dΨ/dt.Величину Ψ = ΣΦ называют полным магнитным потоком или потокосцеплением.Если поток Φ, пронизывающий каждый из полного числа N витков, одинаков, тоΨ = N⋅Φ.7(8)Самоиндукция. Ток в контуре создает магнитное поле, пропорциональноесиле тока (при отсутствии ферромагнетиков).
Поэтому и полный магнитный потокчерез контур Ψ = L⋅I.Коэффициент пропорциональности L называется индуктивностью контура.Единица индуктивности - генри (Гн). Это индуктивность контура, в котором притоке 1 А полный магнитный поток равен 1 Вб.Если ток изменяется, то изменяется и поток. Тогда по законуэлектромагнитной индукции (8) в контуре возникает ЭДС самоиндукции, равнаяε = − L dI/dt.(9)ЭДС самоиндукции в свою очередь влияет на ток.Закон Ленца. Согласно закону Э.Х.Ленца, индуцированные токи всегданаправлены так, чтобы препятствовать причине, вызывающей эти токи.
Закон Ленцаявляется следствием закона сохранения энергии [1,2]. Приведем примеры действиязакона Ленца.В магнитном поле находится неподвижный жесткий контур; при изменениимагнитного потока порожденное индуцированным током магнитное полепротиводействует этому изменению. Например, если поток возрастал, тоиндукционный ток уменьшит этот рост.При движении контура, по которому течет индуцированный ток, действуетсила, препятствующая движению. Это используют на практике для гашенияколебаний платформы, на которой расположены чувствительные к тряске приборы.Для этого на платформе закрепляют массивные медные пластины, а рядом с ними,вне платформы, постоянные магниты.Это явление можно продемонстрировать также с помощью гальванометра (см.задание 4).8Знак минус в формулах (8) и (9) соответствует закону Ленца, что пояснимBnnBαSIб)a)Рис.
6. Магнитный поток:а – определение магнитного потока; б – правило Ленцаследующим примером. Пусть положительное направление нормали n к контурусовпадает с направлением магнитной индукции (рис.6, б). Тогда поток сквозь контурбудет положительным. Положительное направление тока определяется выборомнаправления нормали и правилом правого винта (см. рис.6, б). Если теперьмагнитное поле увеличивается, т.е. dΦ/dt >0, то, согласно (8), ε < 0, а, следовательно,и I < 0. Это означает, что направление индукционного тока противоположновыбранному нами положительному направлению.5.
Измерение магнитной индукцииИзвестно несколько методов измерения магнитной индукции. В данной работемагнитную индукцию измеряют двумя классическими методами - путем измерениясилы Ампера (см. формулу (3)) и с помощью явления электромагнитной индукции(метод баллистического гальванометра).Баллистический гальванометр (БГ) – прибор для измерения прошедшего черезнего заряда в течение короткого времени. В измеряемое поле помещают небольшую9проволочную катушку, соединенную с БГ (рис.7). Плоскость катушки ориентируютBSБГРис.
7. Схема измерения магнитного поля баллистическимгальванометромперпендикулярно к направлению магнитной индукции. Тогда магнитный потокчерез N витков площади S равен Ψ = N B S. Затем поток уменьшают до нуля,выдергивая катушку из области поля. При этом в катушке возникнет ЭДС ε = −dΨ/dt и ток силы I = − (dΨ/dt)/R, где R - полное сопротивление контура, включающеесопротивления катушки и гальванометра.Прошедший через гальванометр заряд равенq = ∫ Idt = - (1 / R) ∫ dΨ = N B S / R.Отсюда получаем формулу для нахождения магнитной индукцииB = q R / (S N).(10)ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬЛабораторная установка состоит из отдельных стендов, которые имеютномера.
Работу выполняют одновременно и независимо две бригады, каждая из двух10человек. Последовательность выполнения заданий следующая. Первая бригада(раньше по списку) выполняет задания в естественном порядке, вторая - впоследовательности: 3 - 6, 1,2. При необходимости порядок можно изменить.Внимание! В работе используются сильные постоянные магниты, от которыхнеобходимо держать подальше часы, дискеты, телефон и т. п.Задание 1.
Изучение линий магнитной индукцииПостоянный магнит, имеющий форму кольца с плоскими полюсами, закрепленна доске (установка №5). Линии индукции изображают на листе бумаги формата А4,который закрепляют на доске зажимами. На листе делают вырез под магнит. Линиистроят с помощью магнитной стрелки компаса, которая располагается покасательной к линии индукции. Перемещая компас по бумаге, отмечают на нейположение концов стрелки.
Затем через эти метки проводят плавную кривую.Стрелкой на кривой указывают направление вектора B, оно совпадает снаправлением северного конца стрелки.Получить компас у дежурного по лаборатории. Построить две-три линии отодного полюса магнита до другого.Задание 2. Изучение закона АмпераСхема опыта по проверке закона Ампера (3) представлена на рис.
8.Прямоугольная рамка 1, содержащая несколько десятков витков медного провода,опирается на платформу электронных весов 2, используемых для измерения силыАмпера. Верхняя часть рамки находится в зазоре между полюсами постоянногомагнита (не показанного на рисунке), а нижняя часть - вне поля магнита. Линиимагнитной индукции 3 перпендикулярны плоскости рамки. От источника питанияИП через рамку пропускают ток, который измеряют амперметром А.113АИП12Рис. 8. Схема лабораторной установки для измерения силы Ампера:1 – рамка; 2 - весы; 3 – магнитное поле; 4 – выключатель; А – амперметр;ИП – источник питанияПорядок выполнения задания.1.
Ознакомиться с установкой №1 (рис. 9). В корпусе 1 находятся магнит, рамка ивесы. Ток рамки включают кнопкой 2. Напряжение источника питания 4 регулируютручками 3 «Грубо» и «Точно». Источник включают в сеть кнопкой 5. Ток измеряют654123Рис. 9. Установка для измерения силы Ампера:1 – корпус с магнитом, рамкой и весами; 2 – кнопка включения тока рамки; 3 –ручки регулировки тока; 4 – источник питания; 5 – кнопка «СЕТЬ»; 6 – амперметр12амперметром 6, в качестве которого используется микроамперметр с шунтом; приэтом току 1 А соответствует цифра 100 на шкале прибора. Основанием приборадолжен быть устойчивый стол.Включить источник питания рамки кнопкой 5 (см. рис.
9).2. Ознакомиться с электронными весами с цифровым индикатором. Онипредназначены для измерения малых масс, поэтому с ними надо обращатьсябережно, не допуская ударов и перегрузок. Младший разряд весов показываетдесятые доли грамма.Включить весы нажатием правой клавиши весов. При этом на индикаторевесов появляются восьмерки.
Через несколько секунд на индикаторе будут нули (илиблизкие к нулю значения). Это означает, что автоматика весов исключиласобственный вес рамки (при обычных взвешиваниях происходит исключение весатары). Если пропустить ток через рамку, появляется сила Ампера, котораядополнительно давит на весы. Сила Ампера выражается в граммах, как будто навесы положили груз массы m. Поэтому сила равна FА = m g.Весы выключают той же правой клавишей. Если с весами некоторое время неработают, они автоматически выключаются, и их снова надо включить.3. На точность измерения силы Ампера влияют силы трения, действующие на рамкув направляющем устройстве.
Более точные результаты можно получить приследующем порядке выполнения опыта.Выключить весы. Установить ток рамки, для этого надо нажать и удерживатькнопку 2 включения тока (см. рис. 9) и ручками 3 «Грубо» и «Точно» источникаустановить ток (рекомендуемые значения тока приведены на установке). Выключитьток и включить весы. При этом весы исключают собственный вес рамки, а наиндикаторе появляются нули. Включить ток и произвести отсчет веса.
Результатыизмерения m и I записать в табл. 1.Примечание: рамка под действием тока нагревается, ее сопротивлениевозрастает, поэтому сила тока немного убывает.134. Всю последовательность действий (см. п. 3) для каждого значения силы токавыполнить три раза и рассчитать среднее <m>.Измерение силы АмпераТаблица 1Рамка содержит N =… витков, ширина рамки l =…I, АРезультаты измеренияmmFА = <m> g, Н<m>mПримечание. В таблице должно быть 10 строк.5. По результатам измерений вычислить силу Ампера FА = <m> g, где масса беретсяв килограммах, g = 9,8 м/с2 .
Результаты записать в табл. 1.Задание 3. Демонстрация электромагнитной индукцииК катушке, содержащей большое число витков провода, подключенчувствительный к току прибор (установка №4). При отсутствии тока стрелкаприбора расположена в середине шкалы и отклоняется в различные стороны взависимости от направления тока. К установке прилагается постоянный магнит.Перемещая магнит около катушки, наблюдайте возникновение индукционного токаи его зависимость от скорости движения магнита, т.е.
скорости изменениямагнитного потока (см. (7)). Направление тока различно для различных знаковпроизводной dΦ/dt. Знак производной различен для случаев приближения иудаления магнита от катушки, а также от расположения полюсов магнита.Результаты опыта привести в отчете.Задание 4. Измерение магнитной индукции методом баллистическогогальванометраБаллистический гальванометр (БГ) – прибор для измерения заряда,прошедшего по цепи в течение короткого импульса тока.
БГ в принципе не14отличается от других приборов магнитоэлектрической системы, но должен иметьповышенную инерционность и малую силу вязкого трения при вращении рамки.Рассмотрим принцип действия БГ.В случае обычных измерений постоянного тока на рамку гальванометрадействует момент силы (см. формулу (5)), который поворачивает рамку, закручиваяспиральную пружину, пока моменты двух сил, упругой и Ампера, не сравняются.Если через гальванометр пропустить короткий импульс тока (заряд), то рамкаполучает начальную угловую скорость (толчок) и вращается по инерции, закручиваяспираль.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
