МУ-Э-69 (1003816), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Прямой отрезокпроводника ab длиной l может скользить вдоль контура, образуя замкнутую цепь.89IaIBlbFАdxРис.8. Работа при перемещении проводникас током в магнитном поле.На проводник ab действует сила Ампера (см. формулу (6)):FА = I l B.При перемещении проводника ab на величину dx сила совершает элементарнуюработуδA = FА dx = I l B dx.(11)Величина dΦ = lBdx есть приращение магнитного потока через контур при перемещении проводника на величину dx. Следовательно, элементарная работаδA = I dΦ.Если проводник совершает конечное перемещение, то работаA = I (Φ2 – Φ1),(12)где Φ2 – магнитный поток сквозь контур в конце перемещения, а Φ1 – магнитный потоксквозь контур в начале перемещения. Формула (12), выведенная здесь для поступательного движения, справедлива для любого перемещения проводника.7.
Магнитные силы в природе и технических устройствахМагнитные поля и заряженные микрочастицы (ионы, электроны) распространены вкосмосе – около звезд и планет, а также в межзвездном пространстве. Например, магнитное поле Земли отклоняет поток быстрых заряженных частиц, испускаемых Солнцем, защищая тем самым Землю от радиации. Кроме того, земное магнитное поле захватывает идлительное время удерживает испущенные Солнцем электроны и протоны, образуя радиационные пояса вокруг Земли.Сила Ампера (см. формулу (5)) «работает» в электрических моторах, электроизмерительных приборах, излучателях звука (динамиках) и многих других устройствах.910Магнитная сила Лоренца Fм = q [vB] нашла широкое практическое применение вомногих приборах, в которых электроны (или другие заряженные элементарные частицы)движутся в магнитном поле в вакууме.
Примеры таких устройств многочисленны: электронно-лучевые трубки телевизоров с магнитным отклонением луча; приборы для генерации электромагнитных колебаний высокой частоты – магнетроны, используемые в радиолокации и бытовых микроволновых печах; циклические ускорители элементарныхчастиц; приборы для измерения масс атомов (масс спектрографы); электронные микроскопы, в которых магнитные поля особой конфигурации выполняют роль, аналогичнуюстеклянным линзам в оптике.В следующем разделе рассматривается применение силы Лоренца для измерениямагнитной индукции.8. Датчик Холла для измерения магнитного поляРассмотрим пластинку из полупроводника (или металла), через которую пропускают постоянный ток (рис.
9).VBUabIРис. 9. Датчик магнитной индукции на эффекте Холла.К контактам ab, расположенным точно напротив друг друга, подключен вольтметрV. Поскольку точки ab лежат в плоскости равного потенциала, то напряжение между нимиотсутствует. Но если пластинку поместить в магнитное поле индукции B, направленной1011как показано на рис. 9, то между контактами ab появится напряжение Uх. пропорциональное магнитной индукции:Uх = kB.(13)Описанное явление открыто Э.Г. Холлом (1879 г.) и получило название эффектаХолла.
Эффект Холла нашел различные практические применения, в частности, для измерения магнитного поля. При измерении магнитного поля пластинку (датчик Холла) помещают в магнитное поле и измеряют напряжение Холла Uх. По результатам измерениянапряжения Uх вычисляют по формуле (13) магнитную индукцию. Коэффициент пропорциональности k находят по результатам измерений в поле известной магнитной индукции. В специально изготовленных приборах (магнетометры, тесламетры) индикатор прибора проградуирован в единицах магнитной индукции – тесла (Тл).Поясним принцип действия датчика Холла (рис.
10). Предположим, что носителитока имеют положительный заряд q (дырки в полупроводнике p-типа) и дрейфуют со скоростью u вдоль оси x. На заряженные частицы действует сила Лоренца F = q u B, отклоняющая их к верхней грани датчика Холла (см. рис. 10). Накопление положительного заряда на одной стороне датчика и недостаток его на противоположной стороне приводят кобразованию поперечного электрического поля напряженностью Ez. Поле Ez препятствуетнакоплению зарядов, так как возникающая электрическая сила Fэ = q Ez, направлена против силы Лоренца. Разделение зарядов прекратится, когда силы станут равными: q Ez = q uB.
При этом напряженность электрического поля достигнет величины Ez = u B, а напряжение Холла между гранями пластинки толщиной d:Uх = Ez d = u B d.(14)Скорость дрейфа u носителей тока связана с концентрацией носителей n и плотностью тока j через датчик Холла соотношением:j = n q u.Подстановкой выражения u =jв формулу (14) получим:nqUх =jdB = kBnq.(15)Таким образом, формула (13) выведена. Коэффициент пропорциональности kk=jdnqдля данного датчика Холла остается постоянным, если поддерживать неизменными плотность тока j через датчик и температуру, от которой зависит концентрация носителей n вполупроводнике.1112UХa+++++++++++qIE+vzdI- - - - - - - - - - bzyBxРис. 10. Эффект ХоллаIIlBFАРис. 11.
Схема опыта для измерения силы Ампера с помощью весов1213ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ1. Методика опытаМетодика опыта по изучению закона Ампера схематически представлена на рис.11. В горизонтальном магнитном поле индукции B расположена П-образная проволочнаярамка, через которую можно пропускать постоянный ток. Горизонтальная часть рамки направлена перпендикулярно линиям магнитной индукции.
Рамка подвешена к коромыслубалансовых весов для измерения силы Ампера. Рамку взвешивают, когда в рамке ток отсутствует, и находят ее массу m1.Затем через рамку пропускают ток силой I, который вызывает вертикальную силуАмпера FА, действующую на горизонтальную часть рамки длиной l и направленную вниз.Согласно закону Ампера (см. формулу (6)), сила Ампера:FА = I B l n,(16)где n – число витков рамки (n = 1 или 2). Рамку с током взвешивают и получают новоезначение массы m2.Из разности масс находят силу Ампера:FА = (m2 – m1) g,(17)где g – ускорение свободного падения.2.
Описание лабораторной установкиОбщий вид лабораторной установки показан на рис. 12. Установка содержит: электромагнит 1 с железным сердечником и воздушным зазором; П-образную рамку 2, расположенную в воздушном зазоре электромагнита; балансовые весы 3 для измерения силыАмпера; два амперметра 4 для измерения силы тока магнита и рамки: блок питания 5 магнита и рамки; выпрямитель переменного тока 6; выключатель 7 тока магнита; набор рамокразличной длины 8, штатив 9 для закрепления токоподводящих проводников к рамке; набор соединительных проводников с вилками.13149354762184Рис. 12.
Общий вид лабораторной установки:1-электромагнит; 2-рамка; 3-весы; 4-два амперметра; 5- блок питанияэлектромагнита рамки; 6-выпрямитель переменного тока; 7-выключательтока магнита; 8-набор рамок; 9-штатив для проводников к рамке.Электрическая схема установки представлена на рис. 13. Блок питания 2 имеет двавыходных напряжения – постоянное (левая половина блока) для питания рамки и переменное (правая половина блока) для питания магнита после выпрямления тока..Источник постоянного напряжения имеет две ручки регулировки – напряжения(ручка «V») и тока (ручка «А»). Вокруг каждой ручки регулировки имеется шкала длягрубого отсчета, соответственно, напряжения или тока.
Постоянное напряжение можноизменять в пределах 0…18 В, а ток – от нуля до 5 А.141520… 18 B0… 5 A+2… 15 B-A+ -45A153A.Рис. 13. Электрическая схема лабораторной установки:1– рамка; 2 – блок питания рамки и электромагнита; 3 –электромагнит; 4 – выпрямитель переменного тока; 5 –выключатель тока магнитаИсточник постоянного напряжения имеет два режима электронной стабилизации:либо выходного напряжения, либо тока. В данной лабораторной работе используется режим стабилизации тока. Поясним характер работы стабилизатора тока. Установим ручку«V» на достаточно большое для данного опыта напряжение, например, на 10 В. Тогда установка требуемого тока производится только ручкой «А». Причем, установленный токбудет автоматически поддерживаться неизменным, как при сильных колебаниях сетевогонапряжения, так и при изменении сопротивления нагрузки вследствие ее нагрева.
Токрамки (1) измеряют амперметром А на 5 А (см. рис. 13).Переменное напряжение используется после выпрямления (т.е. превращения в постоянное напряжение) для питания электромагнита. С помощью переключателя переменное напряжение можно изменять ступенчато от 2 В до 15 В.Схема питания электромагнита 3 включает в себя выпрямитель переменного тока4, выключатель 5 и амперметр А на 1 А. Электромагнит имеет две обмотки, которыевключают последовательно, как показано на рис.
13.1516IмLUвыпRUРис. 14. Схема выпрямителя переменного тока для питанияэлектромагнита: L – индуктивность электромагнита; R – активное сопротивление обмоток электромагнита.Поясним работу выпрямителя, работающего по двухполупериодной схеме (рис.14). Выпрямитель имеет четыре полупроводниковых диода, которые пропускают токпрактически в одном направлении.
Сопротивление диода для тока, протекающего в направлении острия на условном изображении диода, очень мало, а в обратном направлении– очень большое. На вход выпрямителя подают переменное напряжение U~ от понижающего трансформатора в блоке питания 2 (см. рис. 13). Переменное напряжение изменяетсяпо гармоническому закону с частотой 50 Гц (рис. 15, а). Выпрямленное напряжение Uвыпр,показанное на рис. 15, б, изменяется от нуля до максимального значения, при этом его полярность не изменяется. Выпрямленное напряжение можно представить как сумму постоянного напряжения U= и наложенного на него переменного напряжения с частотой 100 Гц(см. рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
