Измерение индукции магнитного поля электродинамометром (Лабораторная работа № 2-9)

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2-9

ИЗМЕРЕНИЕ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЭЛЕКТРОДИНАМОМЕТРОМ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Определить индукцию магнитного поля в зазоре электромагнита.

ОБОРУДОВАНИЕ: Электромагнит, электродинамометр, источники питания, два амперметра, разновесы.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ: На заряд, движущийся в магнитном поле, действует сила Лоренца.

F = q·[V: B]                                                           (1)

Вследствие этого, на каждый элемент dl проводника с током действует сила Ампера.

dF_D = I·[dl : B]                                                       (2)

Направление вышеупомянутых сил определяется правилом векторного произведения. Если проводник перпендикулярен индукции магнитного поля, то модуль силы определяется выражением

dF_D = I·B·dl                                                         (3)

Действие магнитного поля на проводник с током может быть использовано для измерения индукции магнитного поля

                                                       (4)

Выражение (4) служит также для определения единицы индукции магнитного поля. Единица магнитной индукции в СИ называется  тесла (Тл) – это индукция однородного магнитного поля, которое действует на каждый метр прямолинейного проводника с током в один ампер, расположенного перпендикулярно полю, с силой в один ньютон:

МЕТОДИКА ЭКМПЕРИМЕНТА

В настоящей работе магнитная индукция, созданная током электромагнита между полюсами сердечника измеряется при помощи электродинамометра. Электродинамометр представляет собой коромысло, качающееся вокруг оси ОО’ (рис. 1), на котором укреплена рамка с током, помещенная в магнитном поле. При отсутствии тока в рамке система сбалансирована. Если через рамку пропустить ток, то на проводник ab длиной  l будет действовать сила Ампера (силы, действующие на вертикальные отрезки проводника скомпенсируются).

F = I · B · l                                                           (5)

Восстанавливая равновесие при помощи перегруза Р, можно определить величину силы F.

Рис. 1. Схема электродинамометра.

В состоянии равновесия сумма моментов сил Р и F относительно оси ОО’ равна нулю.

 P · L – F · L₁ = 0                                                     (6)

Из формул (5) и (6) можно получить рабочую формулу

 (7)

Определив заранее постоянную прибора

K = L/(L₁ · l)                                                   (8)

Можно упростить расчет по формуле (7)

B = K · (P/I)                                                 (9)

В данном методе индукция магнитного поля электромагнита определяется по ее силовому воздействию на проводник с током.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1.  Заготовьте таблицу.

Таблица 1

2.  Измерьте величины r, L, L₁.  Вычислить постоянную прибора по формуле (8). Запишите результат в отчет.

3. Соберите схему согласно рис. 2.

Рис. 2. Электрическая схема установки.

1 – рамка с током, 2 – обмотка электромагнита, А₁, А₂ – блоки питания,  РА₁, РА₂ – амперметры.

4. Установить ток магнита I_м » 0,5 А. При выключении тока рамки установите стрелку коромысла против нулевой отметки шкалы.

5. Положите на чашку один из грузов (0,5 г). Изменяя силу тока в рамке,  восстановите нарушенное равновесие. Измерьте силу тока рамки I_р в  делениях шкалы (измерения проводите при максимальной чувствительности прибора). Определите соответствующую цену деления прибора С. Результаты занесите в табл. 1.

6. Проделайте п.5 с другими массами груза (1 и 1,5 г).

7. Рассчитайте магнитную индукцию по формуле (9) для каждого тока рамки. Произведите статистическую обработку результатов. Определите <В> и DВ.

8. Выполните п.п. 5-7 для токов магнита 0,75 и 0,1 А. Результаты занесите в табл. 2 и 3, аналогичные табл. 1.

9. Учитывая, что при I_м = 0, В = 0, постройте график зависимости магнитной индукции (среднего значения) от тока электромагнита I_м.

10. Сформулируйте в отчете вывод:

-  Зависит ли ток рамки в состоянии равновесия от веса перегрузка Р? Почему?

-  Зависит ли результат измерения индукции от тока рамки I_р? Почему? (Проанализируйте формулу (9)).

-  Как зависит измеряемое поле В от тока I_м в обмотке электромагнита?

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Изобразите на схеме движущийся в магнитном поле заряд. Укажите пространственное направление силы Лоренца. Запишите формулу.

2.Изобразите проводник с током в магнитном поле. Определите на чертеже направление силы Ампера. Запишите формулу.

3.  Дайте определение единицы магнитной индукции в СИ.

4.  Как определяется индукция магнитного поля в данном эксперименте? Начертите схему эдектродинамометра. Выберите рабочую формулу?

ЛИТЕРАТУРА: [1]; §44; [2]; §§14.1, 14.2; [3]; §111.