ВВЕДЕНИЕ

ЕН.Ф. 03 ФИЗИКА

ЕН.Ф. 03 ФИЗИКА И БИОФИЗИКА

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ

по курсу физики с использованием лабораторного комплекса

«Электричество и магнетизм»

Часть 3 Лабораторные работы по разделу «Магнитное поле»

Уфа 2010

УДК 539

ББК 22.38

Л 12

Рекомендовано к изданию методической комиссией факультета электрификации и автоматизации сельского хозяйства (протокол № ____ от «____» ______________2010 г.)

Уральский филиал ФГУП РНПО « Росучприбор»

Ответственный за выпуск: зав. кафедрой физики, доцент Юмагужин Р.Ю.

Методические рекомендации для использования лабораторного комплекса «Электричество и магнетизм» предназначен для студентов обучающихся по инженерным специальностям.

Уфа-2010 г, БашГАУ, кафедра физики.

ОГЛАВЛЕНИЕ

	Лабораторная работа № 7 ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ СОЛЕНОИДА С ПОМОЩЬЮ ДАТЧИКА ХОЛЛА
	Лабораторная работа № 8 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА МЕТОДОМ МАГНЕТРОНА
	Лабораторная работа № 9 ИЗУЧЕНИЕ ЭФФЕКТА ХОЛЛА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
	Лабораторная работа № 10 ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ФЕРРОМАГНЕТИКА ОТ НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Лабораторная работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ СОЛЕНОИДА

С ПОМОЩЬЮ ДАТЧИКА ХОЛЛА

ЦЕЛЬ: экспериментально исследовать магнитное поле на оси короткого и длинного соленоида и сравнить его с расчетным.

ОБОРУДОВАНИЕ: регулируемый источник постоянного напряжения, миниблок «Соленоиды», миниблок «Ключ», два мультиметра, линейка.

ВВЕДЕНИЕ

Любой проводник с током создает вокруг себя магнитное поле, величина и конфигурация которого зависит от тока, протекающего по проводнику, и формы проводника. В общем случае значение вектора индукции магнитного поля описывается законом Био- Савара-Лапласа. Элемент тока создает в точке А, отстоящей от на расстоянии поле, вектор индукции которого равен (рисунок 1)

, (1)

Рисунок 1

Полное значение вектора , созданного проводником конкретной формы вычисляется с использованием принципа суперпозиции

. (2)

Рисунок 2

Например в точке А (рисунок 2) на оси соленоида (с однослойной намоткой) вектор индукции магнитного поля:

, (3)

где - число витков на единицу длины соленоида,

- углы, под которыми из точки А видны концы соленоида.

Если известно расстояние точки А от середины соленоида «х», то

Т.о. модуль вектора на оси соленоида в точке, отстоящей на расстоянии х от его середины равен

, (4)

Как следует из полученной формулы для достаточно длинного соленоида в средней его части ( , ),

, (5)

и магнитное поле является практически однородным.

Если соленоид короткий , то магнитное поле его резко неоднородно и рассчитывается по формуле (4).

Метод измерений

В данной работе измерение вектора индукции магнитного поля основано на применении датчика Холла.

Рисунок 3

Явление Холла заключается в возникновении разности потенциалов ( ) при протекании постоянного тока I через проводящую пластину толщиной а, помещенную в магнитное поле, перпендикулярное направлению тока (рисунок 3):

где - постоянная Холла, зависящая от свойств пластины.

Эта разность потенциалов пропорциональна величине индукции магнитного поля В в той точке пространства, куда помещен датчик.

Т.к. датчик имеет малые размеры (~ мм), то с его помощью можно исследовать магнитное поле.

, , (6)

Для перевода показаний датчика Холла в значение вектора магнитной индукции достаточно знать градуировочный коэффициент γ данного датчика.

Описание установки

Установка (миниблок «Соленоиды») состоит из двух соленоидов (рисунок 4), закрепленных на панели. Короткий соленоид закреплен снаружи длинного соленоида . Середины соленоидов совпадают, совпадают и оси соленоидов. Вдоль оси соленоидов может перемещаться шток.

Рисунок 4

Внутри штока помещен датчик Холла (Д.Х.). Расстояние датчика от середины соленоида х совпадает с расстоянием риски на штоке от конца катушки цилиндрического соленоида.

Электрическая схема установки приведена на рисунок 5.

Питание соленоидов осуществляется от регулируемого источника постоянного напряжения «0…+15 В» 1. Ток в соленоидах измеряется миллиамперметром 2. Переключатель 7 позволяет подключать к источнику напряжения 1 либо длинный соленоид 4 (положение переключателя А) либо короткий 5 (положение переключателя В).

Рисунок 5 Электрическая схема:

1 – регулируемый источник постоянного напряжения «0…+15 В»; 2 – мультиметр (режим A 200 mA, входы COM, mA); 3 – миниблок «Соленоиды»; 4 – длинный соленоид с индуктивностью ; 5 – короткий соленоид с индуктивностью ; 6 – датчик Холла; 7 – миниблок «Ключ»; 8 – мультиметр (режим V 2 mВ, входы COM, VW); 9 – источник стабилизированного постоянного напряжения «±15 В»

Измерение индукции магнитного поля соленоида осуществляется с помощью датчика Холла (Д.Х.) 6. Измерение холловой разности потенциалов осуществляется с помощью вольтметра 8. Питание датчика Холла осуществляется от источника стабилизированного постоянного напряжения «±15 В» 9.

Рисунок 6. Монтажная схема установки: 2, 3, 7, 8 – см. на рисунке 5

Порядок выполнения работы

Выполнение измерений

1. Соберите электрическую цепь по монтажной схеме, приведенной на рисунке 6. Установите необходимые режимы измерения мультиметров 2 и 8 (см. рисунок 5).

2. Включите кнопками «Сеть» питание блока генераторов напряжения и блока мультиметров. Нажмите кнопку «Исходная установка» (поз. 19, см. рисунок 1 на стр. 6).

Задание 1. Градуировка датчика Холла.

1 С помощью тумблера на миниблоке «Ключ» подключите питание к длинному соленоиду (положение А).

2 Перемещая шток с датчиком Холла вдоль оси соленоида, установите его в середине соленоида (риски на штоке должна совпадать с концами цилиндрического соленоида).

1 В таблицу 1 запишите параметры соленоида (омическое сопротивление обмотки R, длина l, число витков N).

3 Кнопками установки напряжения «0…15 В» (поз.14, рисунок 1, стр. 6) установите нулевой ток в соленоиде (I=0 мА) и запишите в таблицу 1 напряжение на датчике Холла (показания вольтметра 8).

Значение обусловлено магнитным полем Земли и несимметричным расположением датчика.

Таблица 1

Параметры	R= … Ом, l= … м, N= …
I, мA		…
, мB	=…
, мB
B, Тл
g	-

return false">ссылка скрыта

1 Изменяя ток в соленоиде от 0 до 200 мА ( с интервалом 20мА) зафиксируйте напряжение на датчике Холла и результаты занесите в таблицу 1.

2 Рассчитайте магнитное поле, созданное только током в соленоиде. Для этого из показаний датчика Холла необходимо вычесть . Значение запишите в таблицу 1.

3 По формуле (5) для каждого значения тока рассчитайте и запишите в таблицу значения вектора магнитной индукции .

4 Для каждого значения тока соленоида найдите отношение и рассчитайте его среднее значение .

В последующих упражнениях экспериментальное значение вектора магнитной индукции будете находить по формуле

, (6)

Задание 2. Исследование магнитного поля на оси цилиндрического соленоида.

1 С помощью тумблера на миниблоке «Ключ» подключите питание к длинному соленоиду (положение А) и установите датчик Холла в середину соленоида ( ). В таблицу 2 запишите параметры соленоида.

2 Кнопками установки напряжения «0…15 В» (поз.14, рисунок 1, стр. 6) установите нулевой ток в соленоиде (I=0 мА) и запишите в таблицу 1 напряжение на датчике Холла .

3 Кнопками установки напряжения «0…15 В» (поз.14, рисунок 1, стр. 6) установите (по указанию преподавателя) ток I в соленоиде и его значение запишите в таблицу 2.

1 В течении всей работы ток I должен оставаться строго постоянным!

4 Перемещая шток с датчиком Холла вдоль оси соленоида (с шагом 1 см), зафиксируйте напряжение на датчике Холла U(мВ) и результаты занесите в таблицу 2.

Помните! соответствует положению датчика Холла в середине соленоида.

Таблица 2

Параметры	R= … Ом, l= … м, N= …, I =… мА, =…мВ
x, см		…
U, мВ
, мB
, Тл
, Тл

Примечание.Так как соленоид симметричный достаточно провести измерения, перемещая датчик в одну сторону. Для сомневающихся предлагается перемещать датчик в обе стороны.

5 Рассчитайте (поле, созданное только током) для каждого положения датчика и результаты занесите в таблицу 2.

6 Рассчитайте индукцию магнитного поля соленоида по формуле (6), используя градуировочный коэффициент (см упр.1). Результаты занесите в таблицу 2.

7 Для соответствующих значений x (положений датчика Холла) проведите теоретический расчет индукции магнитного поля по формуле (4). Результаты занесите в таблицу 2.

8 Постройте графики зависимости и от положения датчика Холла x: и . Сравните их и сделайте выводы.

Задание 3. Исследование магнитного поля на оси короткого соленоида.

1 С помощью тумблера на миниблоке «Ключ» подключите питание к короткому соленоиду (положение В).

2 Повторите пункты 2 – 8 упражнения 2, но при шаге перемещения датчика – 2 мм.

3 Выключите кнопками «Сеть» питание блока генераторов напряжения и блока мультиметров.

Контрольные вопросы

1 Что такое вектор индукции магнитного поля?

2 Сформулируйте закон Био-Савара-Лапласа.

3 В чем заключается принцип суперпозиции?

4 Как можно рассчитать магнитное поле соленоида?

5 Как можно получить однородное магнитное поле?

6 В чем отличие магнитных полей короткого и длинного соленоида?

7 В чем заключается явление Холла?

8 Как устроен датчик Холла и как с его помощью можно исследовать магнитное поле?

9 Физический смысл градуировочного коэффициента датчика Холла?

10 Как можно экспериментально определить градуировочный коэффициент для датчика Холла?

11 Как при измерении магнитного поля соленоидаможно исключить влияние магнитного поля Земли и несимметричность расположения датчика?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Высшая школа,2002. – § 22.1, 22.2, 22.3.

2 Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики, т.2. - СПб. Издательство «Лань», 2007. - §§ 33.

3 Трофимова Т.И. Курс физики: учебное пособие для вузов. – М .: Издательский центр «Академия», 2007. - §§110, 118, 119.