Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Муромский институт (филиал)
федерального государственного бюджетного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
«Владимирский государственный университет
имени Александра Григорьевича и
Николая Григорьевича Столетовых»
Кафедра: «ФПМ»
Дисциплина: Физика
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N 5.12
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ВЕКТОРА МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ ПОЛЯ ЗЕМЛИ И ИНДУКТИВНОСТИ КАТУШКИ.
Утверждена на методическом
семинаре кафедры ФПМ
Зав.кафедрой _____________
Лабораторная работа № 5.12
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ВЕКТОРА МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ ПОЛЯ ЗЕМЛИ И ИНДУКТИВНОСТИ КАТУШКИ.
Цель работы: определить горизонтальную составляющую вектора магнитной индукции поля земли и индуктивности катушки
Приборы и принадлежности: тангенс-гальванометр, миллиамперметр, реостат, источник постоянного тока.
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
1. Сборку и разборку схемы производить только при отключенном источнике питания.
2. Не включать собранную схему пока не изучена инструкция по данной работе и не получено на это разрешение преподавателя.
3. Схема должна находиться под напряжением только во время регулировки и снятия показаний с приборов.
4. Строго соблюдать порядок выполнения работы, описанный в инструкции.
5. Не допускать механических повреждений приборов и оборудования. Относиться к ним бережно и аккуратно. Без разрешения лаборанта или преподавателя перестановка и переноска приборов запрещена.
6. При работе аккумулятора не следует наклонять и перевертывать их во избежании ожогов щелочью.
7. Не допускать короткого замыкания клемм аккумулятора.
8. После окончания работы отключить источник питания, а затем разобрать схему и привести рабочее место в порядок.
Земля в целом представляет собой огромный шаровой магнит. В любой точке пространства, окружающего землю, и на ее поверхности обнаруживается действие магнитного поля. Иными словами, в пространстве, окружающем землю, существует магнитное поле, силовые линии которого изображены на рис.1. Видно, что Земное магнитное поле имеет такой вид, как будто земной шар представляет собой магнит с осью, направленной с севера на юг. В северном полушарии все магнитные силовые линии сходятся к точке лежащей 700 50/ северной широты и 96 западной долготы. Эта точка называется южным магнитным полюсом Земли. В Южном полушарии схождение силовых линий лежит на 700 10/ южной широты и 1500 45/ восточной долготы, она называется северным полюсом.
Нужно отметить, что точки схождения силовых линий земного магнитного поля лежат не на самой поверхности, а под ней. Расстояние между ними равно 2300 км., тогда как поперечник земли свыше 12000 км. Магнитные полюсы Земли, как мы видим не совпадают с ее географическими полюсами. Следовательно, магнитная стрелка указывает направление север-юг только приблизительно. Угол между направлениями магнитного и географического меридианов называют магнитным склонением, обозначается буквой φ. Силовые линии магнитного поля, вообще говоря, не параллельны поверхности земли. Это означает, что вектор магнитной индукции поля Земли не лежит в плоскости горизонта данного места, а образует с этой плоскостью некоторый угол. Этот угол называется магнитным наклонением b (рис. 2).
Величина магнитного наклонения в различных местах Земли различна.
Вектор магнитной индукции Земли можно разложить на две составляющие горизонтальную и вертикальную (рис. 3)
рис.3
В- плоскость магнитного меридиана. Значения углов склонения и наклонения, а также горизонтальной составляющей дает возможность определить величину и направление вектора магнитной индукции Земли в данной точке.
Если магнитная стрелка может свободно вращаться лишь вокруг вертикальной оси, то она будет устанавливаться под действием горизонтальной составляющей магнитного поля Земли в плоскости магнитного меридиана. Горизонтальная составляющая , углы b и φ называются элементами земного магнетизма. Все они меняются с течением времени. Свойства магнитной стрелки вращаться только около вертикальной оси под действием вертикальной составляющей используется в тангенс-гальванометре для определения . В дальнейшем зная величину , можно использовать тангенс-гальванометр в качестве прибора, измеряющего ток. В работе требуется определить горизонтальную составляющую магнитного поля Земли , а затем переводной множитель тангенс-гальванометра.
2. ОПИСАНИЕ АППАРАТУРЫ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ.
Тангенс-гальванометр представляет собой плоскую вертикальную катушку радиуса R с некоторым числом витков N, в центре катушки в горизонтальной плоскости расположена короткая стрелка SN (рис. 4) магнитная стрелка при отсутствии тока в катушке будет расположена по магнитному меридиану Земли.
Поворотом катушки около вертикальной оси добиваются совмещения плоскости катушки с плоскостью магнитного меридиана; в этом случае один конец стрелки стоит на 00, а другой на 1800.
После такой установки катушки пропускается полный ток, в результате чего магнитная стрелка повернется на некоторый угол α. Объясняется это тем, что на магнитную стрелку действуют два поля: горизонтальная составляющая магнитного поля В0 и поле В1 , созданное током ( рис.4). Под действием этих полей магнитная стрелка займет такое положение равновесия, при котором равнодействующая двух полей будет совпадать с линией, соединяющей полюсы стрелки ML. На рис.4 даны такие обозначения:
NS - направление магнитного меридиана Земли
A и B - сечение витка катушки горизонтальной плоскостью
ME - магнитная стрелка, помешенная в центре катушки
В0 - горизонтальная составляющая вектора магнитной индукции поля
Земли
В1 - вектор магнитной индукции магнитного поля, созданного током.
На рис.4 видно, что ;
Следовательно:
Магнитная индукция поля в центре витка равна:
где I- сила тока, R- радиус витка, m0 – магнитная постоянная, равная проницаемости вакуума: ; m-магнитная проницаемость среды;
Тогда
-магнитная индукция, созданная катушкой с числом витков N
Подставляя значение в формулу (1), получим:
(2)
Этой формулой пользуются для опырного определения В0. Выражение (2) позволяет определить также ток по формуле (3)
Из формулы (3) вытекает, что ток в катушке пропорционален тангенсу угла отклонения стрелки от направления горизонтальной составляющей вектора магнитной индукции поля Земли. Следовательно, тангенс—гальванометр может быть использован для измерения тока. В последней формуле множи тель является постоянным для данного прибора, его называют переводным множителем тангенс-гальванометра.
Тогда формулу ( 3 ) можно записать:
(4)
В работе пользуются схемой, представленной на рис.5 , где введены следующие обозначения:
Е —клеммы источника,
G — тангенс—гальванометр,
R — реостат,
K-ключ.
mA- миллиамперметр,
Рис 4
Рис 5 Схема установки
Зная параметры катушки, можно определить ее индуктивность.
Поток вектора магнитной индукции
Ф=IL (5)
С другой стороны, поток вектора магнитной индукции, создаваемой одним виком катушки, будет Ф1=BS;
Где В-вектор магниной индукции.
Общий поток, создаваемый N витками:
Ф=Ф1N=BSN; (6)
но
Напряженность поля катушки выражается формулой:
тогда
Подставляя это значение в (6), получим
но , тогда
(7)
Сравнивая (5), (7) получим:
Откуда (8)
где m — магнитная проницаемость среды
m0 - магнитная постоянная
R - средний радиус ( крутизны ) катушки
N - количество витков в катушке
Упражнение 1. Определение индуктивности.
Как следует из формулы ( 8 ), индуктивность катушки зависит от ее радиуса R , числа витков N и магнитной проницаемости среды m. В данной работе радиус катушки и число витков указаны на подставке тангенс—гальванометра,
По формуле ( 8 ) вычисляют индуктивности L1, L2, L3, L4, при подключении на клеммы N1=20 витков, N2=50 витков, N3=70 витков, N4=120 витков.
Упражнение 2. Определение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли.
Собирают цепь по схеме рис.5. Миллиамперметр включают на предел 150 мА, поворачивая подставку тангенс-гальванометра, устанавливают витки его катушки в плоскости магнитного меридиана, т.е. добиваются того, чтобы катушка и магнитная стрелка при отключенном источнике питания находилась против делений 00 и 1800.
Включают катушку на N1=120 витков, включают источник питания, в цепи устанавливают ток I1=40 мА и фиксируют угол поворота стрелки. Затем реостатом устанавливают ток I2=70 мА и I3=100 мА, определяя для данных токов углы поворота, и по формуле (2) вычисляют величины Bi для всех трех случаев. Затем включают катушки на N2=70 витков, N3=50 витков, N4=20 витков и производят аналогичные измерения. По полученным результатам вычисляют значение В0.Результаты заносят в таблицу.
|
Число витков |
N опыта |
I |
α |
tg α |
В0 |
L |
|
N1=20 |
1 2 3 |
40 70 100 |
||||
|
N2=50 |
1 2 3 |
40 70 100 |
||||
|
N3=70 |
1 2 3 |
40 70 100 |
||||
|
N4=120 |
1 2 3 |
40 70 100 |
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
2. Сформулировать закон Био-Савара-Лапласа.
3. Чему равна магнитная индукция в центре кругового витка.
4. Каков физический смысл индуктивности контура,
5. Что такое 1 Генри.
6. Чему равна индуктивность соленоида.
7. От чего зависит индуктивность соленоида.
8. Каков физический смысл B и С .
9. Рассказать устройство прибора и ход работы.
Литература
1. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики – М.: Высшая школа, 1989.
2. Савельев И.В. Курс общей физики, т.1 – М.: Наука, 1989
B0
B0
B2
C
Ю
S
N
b
a
Ю
a
N
З
mA
G
R
E
M
A S
W
B1
B0
E
B
a
N
Рис.1
Рис.2