Лабораторные работы по физики

Изучение движения тела по окружности под действием сил упругости и тяжести
Изучение закона сохранения механической энергии
Наблюдение зависимости скорости диффузии в жидкости от температуры
Проверка изотермического процесса
Определение относительной влажности воздуха
Определение мощности лампочки накаливания
Наблюдение и анализ явления электромагнитной индукции
Определение показателя преломления стекла
Наблюдение и объяснение полного отражения света
Определение световой волны света с помощью дифракционной решетки
 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

определение магнитной индукции В МЕЖПОЛЮСНОМ ЗАЗОРЕ ПРИБОРА магнитоэлектрической системы

Цель работы: ознакомиться с принципом действия измерительного прибора магнитоэлектрической системы, определить величину индукции магнитного поля в межполюсном зазоре прибора, исследовать графически зависимость угла поворота рамки прибора от силы тока в ней.

Приборы: амперметр магнитоэлектрической системы, шкала которого специально для данной работы проградуирована в градусах; два реостата; амперметр или прибор комбинированный типа Ф 4313, Ц 4315, Ц317 для измерения тока, напряжения и сопротивления.

Сведения из теории

Движущиеся заряды (токи) изменяют свойства окружающего их пространства - создают в нем магнитное поле. Наличие магнитного поля проявляется в действии силы на движущиеся в нем заряды (токи).

 Если в магнитное поле поместить небольшую свободно ориентирующуюся (поворачивающуюся до тех пор, пока действует вращающий момент) рамку с током, то она установится определенным образом. Следовательно, магнитное поле имеет направленный характер и должно характеризоваться векторной величиной. Эту величину называют индукцией магнитного поля (магнитной индукцией ) и обозначают буквой .

За направление вектора  принимают направление положительной нормали (положительная нормаль к плоскости рамки образует правый винт с направлением тока в рамке), установившейся и свободно ориентирующейся небольшой рамки с током.

Согласно гипотезе Ампера, в постоянных магнитах, в частности в магнитной стрелке, круговые “молекулярные токи“ расположены в параллельных плоскостях и направлены в одну сторону. Благодаря этому действие магнитного поля на магнитную стрелку аналогично действию на рамку с током. Поэтому за направление вектора   берут также направление, в котором устанавливается северный конец магнитной стрелки, помещенный в данную точку поля.

Сила , действующая на элемент проводника  с током I, находящийся в магнитном поле, определяется по закону Ампера

, (6.1)

или в скалярной форме

dF = B I dl sin ( ), (6.2)

здесь -  вектор с модулем d l, направленный по току, а  и есть индукция магнитного поля в месте, где расположен элемент проводника.

Из формулы (6.2) при sin=1

  (6.3)

Следовательно, вектор магнитной индукции численно равен отношению силы, действующей со стороны магнитного поля на элемент проводника с током, к произведению силы тока на длину элемента, если он расположен перпендикулярно вектору магнитной индукции.

Если индукция  в каждой точке поля одинакова, то такое поле называется однородным. В случае однородного магнитного поля и прямого проводника с током, расположенного перпендикулярно линиям индукции, из формулы (6.2) получим

  F = B I l . (6.4)

Из формулы (6.4) имеем

,

что позволяет простейшим образом установить единицу измерения магнитной индукции B.  В СИ магнитная индукция измеряется в теслах (Тл). Тесла есть индукция такого однородного магнитного поля, в котором на проводник с током в 1 ампер длиной 1 метр, расположенный перпендикулярно линиям индукции, действует сила в 1 ньютон.

Примером практического применения действия магнитного поля на проводник с током служат электроизмерительные приборы магнитоэлектрической системы.

Принцип действия прибора магнитоэлектрической системы

Устройство прибора магнитоэлектрической системы, который может служить для измерения тока, напряжения и т.п. показано на рис. 6.1. Полюсные наконечники постоянного магнита имеют цилиндрическую расточку, в которой по оси установлен стальной сердечник. Между полюсами и сердечником образуется зазор с радиальным магнитным полем, индукция которого одинакова по величине во всех точках зазора (рис. 6.2). Рамка (см. рис. 6.1), укрепленная на оси, может вращаться в межполюсном зазоре. При вращении две ее стороны (на рис. 6.2 они перпендикулярны) постоянно пересекают радиальное магнитное поле в зазоре.

Для уменьшения трения ось рамки оканчивается стальными кернами, опирающимися на подпятники, изготовленные из агата, рубина или корунда. С осью жестко связана стрелка прибора. При включении прибора в электрическую цепь ток проходит по виткам рамки. При этом на каждую сторону рамки, расположенную в магнитном поле зазора, действует сила . С учетом числа витков рамки k согласно

Рис. 6.1

 

закону Ампера (6.4) имеем 

F = k B I l1, (6.5)

Подпись: Рис. 6.2здесь B - величина магнитной индукции в зазоре; I - сила тока в рамке; l1 - длина той стороны рамки, которая расположена в зазоре; направление силы F опре­деляется правилом ”левой руки”. Каждая из сил   создает вращающий момент рамки, равный M1 = k B I l1 l2 / 2, где l2 - длина стороны рамки, не помещенной в зазор.

Направление вектора 1 можно определить по правилу ”правого винта”: если вращать винт так, как вращает рамку приложенная сила, то поступательное движение винта указывает направление вектора . На рис. 6.2  направлен по оси вращения рамки к нам и обозначен точкой.

Момент пары сил, приложенных к рамке

 M = k B I l1 l2 = k B I S , (6.6)

где S – площадь рамки, l2 – длина второй стороны рамки.

Величину k I S обозначают Pm и называют магнитным моментом рамки. Эту величину вводят как вектор и направляют по положительной нормали к рамке с током. Следовательно, , где  - единичный вектор вдоль положительной нормали к рамке.

С введением вектора Pm выражение (6.5) можно записать в векторной форме:

   , (6.7)

здесь - магнитная индукция в тех местах зазора, где расположена рамка.

Используя закон Ампера, нетрудно показать, что формула (6.7) справедлива также в случае, когда рамка с током расположена в однородном магнитном поле с индукцией .

При изменении направления тока в рамке направление каждой из сил  изменится на противоположное, и, следовательно, стрелка будет отклоняться в другую сторону от положения равновесия. Поэтому магнитоэлектрический измерительный механизм пригоден только в цепях постоянного тока.

Для компенсации момента  служат пружины, скрепленные одним концом с осью рамки. При повороте рамки пружины создают момент сил упругости, пропорциональный углу поворота рамки j

 N = C j , (6.8)

здесь C - жесткость пружины. Момент  всегда направлен противоположно вращающему моменту.

Пока угол поворота j мал (||>||), рамка продолжает вращаться под действием результирующего момента M - N. При этом угол j увеличивается и вместе с ним увеличивается и N. Это происходит до тех пор, пока момент сил упругости пружин N не станет равным вращающему моменту M. Следовательно, угол, соответствующий установившемуся положению равновесия рамки, будет удовлетворять, согласно (6.6) и (6.8), равенству

  C j = k B I S . (6.9) 

Из формулы (6.9) следует, что угол поворота рамки пропорционален току в ней. Поэтому шкала прибора магнитоэлектрической системы равномерная.

По формуле (6.9) индукция магнитного поля в зазоре

, (6.10)

что позволяет определить ее опытным путем, если измерить каким-либо образом величины  C, j, k, S .

Порядок выполнения работы

1. Изучить принцип действия прибора магнито­электрической системы.

2. Определить индук­цию магнитного поля в межполюсном зазоре прибора магнитоэлектрической систе­мы.

 

 


 

 


 

 

2.1.Собрать элек­три­ческую схему ( рис. 6.3, где А - амперметр магнито­элект­ри­ческой си­сте­мы, шкала кото­рого програ­дуирована в градусах для измерения магнитной инду­кции в зазоре прибора; А1 – амперметр для измерения силы тока в цепи.

2.2. Изменяя ток с помощью реостатов R1 и R2, снять 7-10 показаний приборов А и А1. При этом показания прибора А должны быть сняты в пределах всей шкалы, т.е. от 0 до 90о.

Результаты измерений занести в табл. 1. По формуле (6.10) для каждой пары I и j определить Bi и < B>. Необходимые данные о приборе А взять из табл. 2.

Таблица 1

n/n

I , А

j , град

Bi , Tл.

|<B> - Bi |

|<B> - Bi |2

1

2

3

×

××

S

< >

Таблица 2

n/n

Инвентарный номер прибора

С,10-8 Н×м/град

S , 10-6 м2

k

1

2

3

4

5

6

7

8

9

078426

007636

096794

411841

085207

214273

016776

074495

093837

33

37

29

29

20

24

24

18

21

418

418

418

418

350

350

350

350

350

15

15

15

15

20

20

20

20

20

2.4. Вычислить полуширину доверительного интервала

и результат записать в виде

B = <B> ± D B, a = . . . , 

3. Построить график зависимости j = f (I). Анализируя график, сделать выводы относительно шкалы прибора и индукции магнитного поля в межполюсном зазоре прибора.

Контрольные вопросы

 

1. Чем создается и как обнаруживается магнитное поле?

2. Как направлен вектор индукции магнитного поля?

3. Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле (закон Ампера).

4. Величина индукции магнитного поля ( физический смысл индукции магнитного поля ), единицы ее измерения в СИ.

5. Принцип действия прибора магнитоэлектрической системы.

Вывод расчетной формулы для определения магнитного поля в воздушном зазоре прибора.