ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТА

Экспериментальная установка представлена на рис. 15. Она состоит из электромагнита ЭМ, выполненного в виде тороида с малым зазором. Обмотка электромагнита содержит = 3100 витков толстой медной проволоки. Сердечник стальной. В зазор электромагнита помещен проводник длиной , укрепленный так, что он может вращаться вокруг оси . Ту же ось вращения имеет и чашка , предназначенная для грузов. На противоположном конце рычага расположен противовес для приведения системы в равновесие перед выполнением эксперимента.

Найдем силу тока , который нужно пропустить через обмотку ЭМ для того, чтобы получить в зазоре магнитное поле с индукцией .

При протекании тока в обмотке сердечника в нём возникает магнитное поле, картина которого показана на рис. 16. Так как силовые линии этого поля непрерывны, то значения магнитного потока внутри сердечника и в зазоре одинаковы. Вследствие малости зазора по отношению к диаметру сердечника ЭМ линии идут в зазоре практически параллельно, т.е. плотность линий остается такой же, как и в сердечнике, поэтому величина в сердечнике и зазоре одинакова .

В качестве контура возьмем осевую линию тороида и применим к нему закон полного тока. Тогда

, (21)

здесь - напряжённость поля внутри сердечника, - напряжённость поля
в зазоре, - длина осевой линии сердечника, - ширина зазора.

Значение можно определить, воспользовавшись соотношением (16) в котором для воздуха. Тогда

. (22)

Из формулы (21) следует

.

Или с учетом выражения (22):

. (23)

Для ферромагнетиков является сложной функцией напряжённости
внешнего поля. Поэтому зависимость тоже сложна и обычно определяется экспериментально для каждого типа магнитного материала. Для того вещества, из которого изготовлен сердечник нашего ЭМ, кривая зависимости приведена на рис. 17.

Пользуясь этой кривой по известному значению можно найти соответствующее ему значение напряжённости , и по формуле (23) рассчитать силу тока в обмотке электромагнита, который обеспечивает в зазоре индукцию .

По закону Ампера (10) на проводник с током в магнитном поле действует сила, равная

, (24)

здесь - сила тока в проводнике, - длина проводника, - угол между направлением тока и вектором .

Направление тока в проводнике подбирается так, чтобы поле выталкивало проводник вверх. Сила тока в проводнике берётся равной 1 A. Используя равенство моментов сил относительно оси индукции магнитного поля в зазоре ЭМ:

или , (25)

где - масса гирь, и - расстояние от точек приложения сил и до оси вращения .

Так как в нашем случае , то из формулы (24) получаем

. (26)

Решая (25) и (26) совместно, получаем

, (27)

здесь , , , - постоянные величины, поэтому можно ввести :

- постоянная прибора. (28)

Тогда формула (27) примет вид:

. (29)

V. ИЗМЕРЕНИЯ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

Техника безопасности

1. К проведению работ допускаются лица, прошедшие инструктаж по технике безопасности.

2. При выполнении работы необходимо соблюдать меры предосторожности, не касаться проводников и контактов без изоляции.

Помните! Высокое напряжение опасно для жизни!

3. При возникновении аварийной ситуации необходимо выключить электропитание установки.

4. После окончания измерений выключить и обесточить установку.

ЗАДАНИЕ 1. Расчёт токов в обмотке электромагнита

1. Для указанных преподавателем 3-5 значений индукции рассчитать по формуле (23) токи в обмотке электромагнита.

2. Данные расчёта показать преподавателю.

ЗАДАНИЕ 2. Определение индукции в зазоре электромагнита

1. Собрать цепь по схеме рис. 15 и установить при помощи противовеса подвижную систему в равновесном положении.

2. Пригласить лаборанта для проверки собранной цепи.

3. При помощи реостата установить в подвижном проводнике силу тока = 1 A.

4. Установить в обмотке электромагнита рассчитанную силу тока .

5. Нагружая чашку весов разновесами, добиться возвращения системы в исходное состояние.

6. Повторить измерения для всех значений токов в электромагните, результаты занести в таблицу

Таблица

№ п/п	, А в	, мг	, кг	Измеренное , Тл	Заданное , Тл
…

7. Рассчитать постоянную прибора по формуле (28).

8. По формуле (29) для каждого измерения рассчитать .

9. Для одного из измерений определить относительную и абсолютную погрешности по формулам:

,

.

10. Записать результат в виде:

.

11. Сделать выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое магнитное поле?

2. Что является силовой характеристикой магнитного поля? Каковы единицы её измерения?

3. Запишите, сформулируйте и поясните закон полного тока для магнитного поля в веществе.

4. Как рассчитать ток в обмотке ЭМ?

5. Какие вещества называются ферромагнетиками? Каковы их свойства?

6. Напишите закон Ампера в векторной и скалярной формах. Как он используется в данной работе?

7. Как определяется направление силы Ампера?

8. Какие поля называются вихревыми?

9. В чём заключается сущность проверки закона полного тока в данной работе?

10. Как определить погрешность ?

11. Запишите и поясните закон Био-Савара-Лапласа.

12. Как и для чего он используется?

13. Выведите формулу индукции магнитного поля, создаваемого:

а) отрезком прямолинейного проводника с током;

б) бесконечно длинным прямолинейным проводом с током;

в) круговым током.

Библиографический список

1 Детлаф А.А. Курс физики: Учебное пособие /А.А. Детлаф, Б.М. Яворский.- 6-е изд., стер. –М.: Академия, 2007.- 720с. ISBN 978-5-7695-3801-8.

2 Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов /Т.И. Трофимова – 7-е изд., стер. – М.: Высш. шк., 2003.-542с. ISBN 5-06-003634-0

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: