ELECTROMANETISMO ♦ TSTU PUBLISHING HOUSE ♦ Ministri ng Edukasyon ng Russian Federation TAMBOV STATE TECHNICAL UNIVERSITY ELECTROMANETISM Laboratory work Tambov TSTU Publishing House 2002 M. Savelyev, Yu.P. Lyashenko, V. A. I. Barsukov, E. alipin. / A. M. Savelyev, Yu. P. Lyashenko, V. A. Shishin, V. I. Barsukov. Tambov. Publishing House Tamb. estado tech. un-ta, 2002. 28 p. Ang mga patnubay at paglalarawan ng mga pasilidad ng laboratoryo na ginamit sa pagganap ng tatlong mga gawain sa laboratoryo sa seksyon ng kurso ng pangkalahatang pisika na "Electromagnetism" ay ipinakita. Sa bawat gawain, ibinibigay ang isang teoretikal na pagpapatibay ng kaukulang mga pamamaraan para sa pag-eksperimentong paglutas ng mga problemang iniharap, pati na rin ang isang pamamaraan para sa pagproseso ng mga resultang nakuha. Ang gawain sa laboratoryo ay inilaan para sa mga mag-aaral sa ika-1 hanggang ika-2 taon ng lahat ng mga espesyalidad at anyo ng edukasyon sa engineering. UDC 535.338 (076.5) BBK В36Я73-5 © Tambov State Technical University (TSTU), 2002 Educational publication ELECTROMAGNETISM Laboratory work Compiled by: Alexander Mikhailovich Savelyev, Yury Petrovich Lyashenko, Valery Anatolyevich Barsukov. prototyping ni M. A. F ilatova Nilagdaan para sa publikasyon noong 16.09.02. Format 60×84/16. Times NR headset. Papel ng pahayagan. Offset printing. Dami: 1.63 arb. hurno l.; 2.00 ed. l. Sirkulasyon 100 kopya. C 565M Publishing and Printing Center ng Tambov State Technical University 392000, Tambov, st. Sovetskaya, 106, k. 14 CONTROL QUESTIONS 1 Ang pisikal na kahulugan ng mga konsepto ng induction at magnetic field strength. 2 Isulat ang batas ng Biot-Savart-Laplace at ipakita ang aplikasyon nito sa pagkalkula ng direktang kasalukuyang patlang at ang patlang sa axis ng isang pabilog na kasalukuyang-carrying coil. 3 Kumuha ng mga formula ng pagkalkula para sa field ng isang solenoid na may hangganan ang haba. 4 Ipaliwanag ang pisikal na kahulugan ng theorem sa sirkulasyon ng magnetic field induction vector at ang aplikasyon nito upang kalkulahin ang field ng isang infinitely long solenoid. 5 Ipaliwanag ang prinsipyo ng pagpapatakbo, pamamaraan ng pag-install at pamamaraan ng pagsukat. 6 Paano magbabago ang distribusyon ng field sa kahabaan ng axis ng solenoid depende sa ratio sa pagitan ng haba at diameter nito? Listahan ng mga Inirerekomendang Pagbasa 1 Savelyev IV Kurso ng pangkalahatang pisika. T. 2. M., 1982. 2 Detlaf A. A., Yavorsky B. M. Kurso ng pisika. M., 1987. 3 Akhmatov A. S. et al. Laboratory practice sa physics. M., 1980. 4 Irodov IE Mga pangunahing batas ng electromagnetism. M.: Higher school, 1983. Laboratory work DETERMINATION OF THE SPESIFIC CHARGE OF AN ELECTRON "BY THE MAGNETRON METHOD" Ang layunin ng gawain: upang makilala ang paraan ng paglikha ng mutually perpendicular electric at magnetic field, ang paggalaw ng mga electron sa tulad crossed field. Eksperimental na matukoy ang laki ng tiyak na singil ng isang elektron. Mga device at accessories: electronic lamp 6E5S, solenoid, power supply VUP-2M, milliammeter, ammeter, voltmeter, potentiometer, connecting wires. Mga Alituntunin Ang isa sa mga pang-eksperimentong pamamaraan para sa pagtukoy ng tiyak na singil ng isang elektron (ang ratio ng singil ng elektron sa masa nito e / m) ay batay sa mga resulta ng mga pag-aaral ng paggalaw ng mga sisingilin na particle sa magkabilang patayo na magnetic at electric field. Sa kasong ito, ang tilapon ng paggalaw ay nakasalalay sa ratio ng singil ng particle sa masa nito. Ang pangalan ng pamamaraan na ginamit sa trabaho ay dahil sa ang katunayan na ang isang katulad na paggalaw ng mga electron sa magnetic at electric field ng parehong pagsasaayos ay isinasagawa sa magnetrons - mga aparatong ginagamit upang makabuo ng malakas na electromagnetic oscillations ng ultrahigh frequency. Ang mga pangunahing regularidad na nagpapaliwanag sa pamamaraang ito ay maaaring ibunyag sa pamamagitan ng pagsasaalang-alang, para sa pagiging simple, ang paggalaw ng isang elektron na lumilipad sa bilis na v sa isang pare-parehong magnetic field, ang induction vector na kung saan ay patayo sa direksyon ng paggalaw. Tulad ng nalalaman, sa kasong ito, ang pinakamataas na puwersa ng Lorentz Fl = evB ay kumikilos sa elektron kapag gumagalaw ito sa isang magnetic field, na patayo sa bilis ng elektron at, samakatuwid, ay isang puwersang sentripetal. Sa kasong ito, ang paggalaw ng isang electron sa ilalim ng pagkilos ng naturang puwersa ay nangyayari sa isang bilog, ang radius nito ay tinutukoy ng kondisyon: mv 2 evB = , (1) r kung saan ang e, m, v ay ang singil, masa at bilis ng elektron, ayon sa pagkakabanggit; B ay ang halaga ng magnetic field induction; r ay ang radius ng bilog. O mv r= . (2) eB Makikita mula sa kaugnayan (2) na ang radius ng curvature ng electron motion trajectory ay bababa sa pagtaas ng magnetic field induction at tataas sa paglaki ng bilis nito. Ang pagpapahayag ng halaga ng partikular na singil mula sa (1) ay nakukuha natin: e v = . (3) m rB Mula sa (3) sumusunod na upang matukoy ang ratio e / m, kinakailangang malaman ang bilis ng paggalaw ng elektron v, ang halaga ng magnetic field induction В at ang radius ng curvature ng electron trajectory r. Sa pagsasagawa, upang gayahin ang gayong paggalaw ng mga electron at matukoy ang ipinahiwatig na mga parameter, ang isa ay nagpapatuloy tulad ng sumusunod. Ang mga electron na may isang tiyak na direksyon ng bilis ng paggalaw ay nakuha gamit ang isang two-electrode electron tube na may anode na ginawa sa anyo ng isang silindro, kasama ang axis kung saan matatagpuan ang isang filamentous cathode. Kapag ang isang potensyal na pagkakaiba (anode boltahe Ua) ay inilapat sa annular space sa pagitan ng anode at ng cathode, isang radially directed electric field ay nilikha, sa ilalim ng pagkilos kung saan ang mga electron na ibinubuga mula sa cathode dahil sa thermionic emission ay lilipat nang rectilinearly kasama ang anode radii at ang milliammeter na kasama sa anode circuit, ay magpapakita ng isang tiyak na halaga ng anode kasalukuyang Ia. Ang isang pare-parehong magnetic field na patayo sa electric, at samakatuwid ang bilis ng mga electron, ay nakuha sa pamamagitan ng paglalagay ng lampara sa gitnang bahagi ng solenoid upang ang axis ng solenoid ay parallel sa axis ng cylindrical anode. Sa kasong ito, kapag ang kasalukuyang Ic ay dumaan sa solenoid winding, ang magnetic field na lumitaw sa annular space sa pagitan ng anode at cathode ay yumuko sa rectilinear trajectory ng mga electron. Habang tumataas ang solenoid current Ic at, dahil dito, ang magnitude ng magnetic induction B, bababa ang radius ng curvature ng electron motion trajectory. Gayunpaman, sa maliit na halaga ng magnetic induction B, ang lahat ng mga electron na dating umabot sa anode (sa B = 0) ay mahuhulog pa rin sa anode, at ang milliammeter ay magtatala ng pare-parehong halaga ng anode kasalukuyang Ia (Fig. 1). Sa ilang tinatawag na kritikal na halaga ng magnetic induction (Bcr), ang mga electron ay lilipat kasama ang mga trajectory na padaplis sa panloob na ibabaw ng cylindrical anode, i.e. tumigil na sa pag-abot sa anode, na humahantong sa isang matalim na pagbaba sa kasalukuyang anode at ang kumpletong pagtigil nito sa mga halaga B>< Bкр В = Bкр В > Bcr b a C Fig. 1. Ang perpektong (a) at tunay na (b) na mga katangian ng paglabas ng isang electron ay patuloy na nagbabago dahil sa acceleration na ibinibigay dito ng mga puwersa ng electric field. Samakatuwid, ang eksaktong pagkalkula ng tilapon ng elektron ay medyo kumplikado. Gayunpaman, kapag ang anode radius ra ay mas malaki kaysa sa cathode radius (ra >> rk), pinaniniwalaan na ang pangunahing pagtaas sa bilis ng elektron sa ilalim ng pagkilos ng isang electric field ay nangyayari sa rehiyon na malapit sa cathode, kung saan ang Ang lakas ng patlang ng kuryente ay pinakamataas, at samakatuwid ang pinakamalaking acceleration na ibinibigay sa mga electron . Ang karagdagang landas ng elektron ay dadaan halos sa isang pare-pareho ang bilis, at ang tilapon nito ay magiging malapit sa isang bilog. Sa pagsasaalang-alang na ito, sa isang kritikal na halaga ng magnetic induction Bcr, ang radius ng curvature ng electron motion trajectory ay kinuha bilang isang distansya na katumbas ng kalahati ng anode radius ng lamp na ginamit sa pag-install, i.e. ra rkr = . (4) 2 Ang bilis ng isang electron ay natutukoy mula sa kondisyon na ang kinetic energy nito ay katumbas ng trabaho na ginugol ng electric field upang maihatid ang enerhiya na ito dito mv 2 = eU a , (5) 2 kung saan ang Uа ay ang potensyal na pagkakaiba sa pagitan ng anode at katod ng lampara. PAGPAPALIT SA MGA HALAGA NG BILIS MULA SA (5), ANG RADIUS NG TRAJECTORY RKR MULA SA (4) HANGGANG (3) SA KRITIKAL NA HALAGA NG INDUCTION NG MAGNETIC FIELD, NAKUHA NAMIN ANG EXPRESSION PARA SA RATIO e / m SA FORM : e 8U = 2 a2 . (6) m ra Bcr Ang pinahusay na kalkulasyon na isinasaalang-alang ang cathode radius (rc) ay nagbibigay ng kaugnayan para sa pagtukoy ng tiyak na singil ng isang electron e 8U a = . (7) m  r2  ra 2 Bcr 2 1 − k2   r   a  Para sa isang solenoid na may hangganan ang haba, ang halaga ng kritikal na magnetic field induction sa gitnang bahagi nito ay dapat kalkulahin ng formula µ 0 ( I c) cr N Bcr = , (8) 4 R 2 + L2 kung saan ang N ay ang bilang ng mga pagliko ng solenoid; L, R ay ang haba at average na halaga ng radius ng solenoid; (Ic)cr. ay ang solenoid kasalukuyang naaayon sa kritikal na halaga ng magnetic induction. Ang pagpapalit ng Bcr sa (7) ay nakukuha natin ang pinal na expression para sa partikular na singil na 8U a (4 R 2 + L2) e = . (9) 2 2 rk 2  m µ 0 ra (I c) cr N 1 − 2  2  r   a  e. dependence ng anode current sa solenoid current Iа = ƒ(Ic). Dapat pansinin na, sa kaibahan sa perpektong katangian ng kasalanan (Larawan 1, a), ang tunay na katangian ay may hindi gaanong matarik na pagbagsak na bahagi (Larawan 1, b). Ito ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng ang katunayan na ang mga electron ay ibinubuga ng isang pinainit na katod na may iba't ibang mga paunang bilis. Ang velocity distribution ng mga electron sa panahon ng thermal emission ay malapit sa kilalang batas ng Maxwell's velocity distribution ng mga molecule sa isang gas. Kaugnay nito, ang mga kritikal na kondisyon para sa iba't ibang mga electron ay naabot sa iba't ibang mga halaga ng solenoid current, na humahantong sa isang smoothing ng curve Iа = ƒ(Ic). Dahil, ayon sa pamamahagi ng Maxwell, ang karamihan sa buong daloy ng mga electron na ibinubuga ng cathode ay may paunang bilis na malapit sa posibleng isa para sa isang tiyak na temperatura ng cathode, ang pinakamatalim na pagbaba sa katangian ng pag-reset ay sinusunod kapag ang solenoid current ay umabot sa kritikal. halaga (Ic)cr para sa partikular na pangkat ng mga electron . Samakatuwid, upang matukoy ang halaga ng kritikal na kasalukuyang, ang paraan ng graphical na pagkita ng kaibhan ay ginagamit. Para sa layuning ito, ang dependence ∆I a = f (I c) ∆I c ay naka-plot sa graph ng dependence Iа = ƒ(Ic) sa parehong mga halaga ng solenoid current. Ang ∆Ia ay ang pagtaas ng kasalukuyang anode na may kaukulang pagbabago sa kasalukuyang solenoid ∆Ic. ∆I a Isang tinatayang view ng katangian ng paglabas Ia = ƒ(Ic) (a) at ang function = f (I c) (b) ay ipinapakita sa fig. 2. Ang halaga ng kritikal na kasalukuyang ∆I c ∆I a ng solenoid (Ic)cr, na tumutugma sa maximum ng curve = f (I c) , ay kinuha upang kalkulahin ang Bcr ayon sa formula (8). ∆I c Ia Ia Ic a b (Ic)cr Ic 2. I-reset ang (a) at differential (b) na katangian ng lamp DESCRIPTION OF THE INSTALLATION ANG INSTALLATION AY ASSEMBLE SA ISANG 6E5C LAMP NA KARANIWANG GINAGAMIT BILANG ELECTRONIC INDICATOR. ANG PAG-INSTALL NG ELECTRICAL DIAGRAM AY NAKITA SA FIG. 3. ANG LAMPA AY IBINIBIGAY NG DC CURRENT MULA SA VUP-2M RECTIFYER, KUNG SAAN ANG VALUE NG VOLTAGE SA PAGITAN NG ANODE AT CATHODE AY NAKA-REGULATE SA TULONG NG ISANG circular POTENTIOMETER (SA FACE SIDE NG KNOB 0). ... 100 V. ANG LAMP CATHODE AY PINAKAINITAN NG AC VOLTAGE NA MAY VOLTAGE ~ 6.3 V NA INALIS SA MGA RECTIFIER TERMINAL. ANG RECTIFIER AY KONEKTADO SA 220 V MAINS SOCKET NA NAKAKA-INSTALL SA LABORATORY BELT. BIGAS. 3. PAG-INSTALL NG ELECTRICAL DIAGRAM: VUP-2M + R ~ 220V 10 - 100 V - V A ~ 6.3V VUP-2M - RECTIFIER; R - POTENTIOMETER 0 ... 30 OM; A - AMMETER 0 ... 2A; MA - MILLIAMMETER - 0 ... 2 MA; V - VOLTMETER 0 ... 100 V Ang solenoid L sa pamamagitan ng potentiometer R ay pinapagana mula sa isang DC source, konektado sa isang ± 40 V socket, na naka-mount din sa isang laboratory table. Ang kasalukuyang solenoid ay sinusukat sa isang ammeter na may mga limitasyon ng 0 ... 2 A, ang anode kasalukuyang ay naitala na may isang milliammeter na may mga limitasyon ng 0 ... 2 mA, at ang anode boltahe ay naitala sa isang voltmeter na may mga limitasyon ng pagsukat ng 0 ... 150 V. PAMAMARAAN AT PAGPROSESO NG MGA RESULTA diagram ng fig. 3. Sa mga instrumento sa pagsukat, itakda ang naaangkop na mga limitasyon ng mga sinusukat na halaga at tukuyin ang halaga ng paghahati ng bawat isa sa kanila. 2 Ikonekta ang VUP-2M rectifier sa 220 V socket, at ang mga output ng potentiometer R sa +40 V socket. Suriin ang lamp glow output sa rectifier terminals ~6.3 V. ang anode voltage values ​​​​na tinukoy ng guro (U a1). 4 Sa zero current sa solenoid, tandaan ang pinakamataas na halaga ng anode current (Iа)max. Pagkatapos, gamit ang potentiometer R, dagdagan ang kasalukuyang sa solenoid (Ic) pagkatapos ng isang tiyak na agwat (halimbawa, ∆Ic = 0.1 A), sa bawat oras na ayusin ang halaga ng kasalukuyang anode. Kumuha ng hindi bababa sa 15 ... 18 mga sukat. Ipasok ang nakuha na mga halaga ng Ic at Ia sa talahanayan. 1. Mga Talahanayan 1 – 3 anode current, ∆Ia ng solenoid, ∆Ic (A) Current increment Solenoid current, Ic Increment Anode current Ia e (mA) (mA) ∆I a (A) No. (Ic)cr Bcr m p / n ∆I c (A) (T) (C/kg) Anode-cathode voltage U a 1 1: 18 Anode-cathode voltage U a2 1: 18 Anode-cathode voltage U a3 1: 18 5 Magtakda ng isa pang tinukoy na boltahe sa voltmeter (U a 2) at ulitin ang lahat ng mga operasyon sa talata 4. Ipasok ang bagong data sa talahanayan. 2. Magsagawa ng mga katulad na sukat para sa boltahe (U a3), at ilagay ang mga sukat na nakuha sa Talahanayan. 3. 6 Para sa bawat halaga ng boltahe ng anode, i-plot ang mga graphical na dependencies Iа = ƒ(Ic). Sa parehong mga chart ∆I a, i-plot ang mga dependences ng derivative ng anode current (dIa) sa solenoid current, i.e. = f (I c) at mula sa kanila matukoy ang mga kritikal na halaga ng ∆I c ng solenoid current (Ic)cr, tulad ng ipinapakita sa eskematiko sa fig. 2. 7 Palitan ang mga nahanap na halaga (Ic)cr sa formula (8) at suriin ang mga halaga ng kritikal na induction (Bcr) ng magnetic field para sa lahat ng mga halaga ng boltahe ng anode. 8 Gamit ang mga formula (7) at (9), kalkulahin ang tatlong halaga ng tiyak na singil ng isang electron (e / m)1,2,3. Hanapin ang average na halaga nito at ihambing sa halaga ng talahanayan. 9 Kalkulahin ang kamag-anak na error sa pagtukoy ng nais na halaga (e / m) gamit ang formula: (I c) cr 2 ∆ N 2 ∆ rk ∆ RR + ∆ LL + . + 2 2 + R +L N rk Ang mga halaga ng R, L, N, ra, rk ay ibinibigay sa pag-install, at kunin ang kanilang mga error ayon sa kilalang mga panuntunan para sa mga pare-parehong halaga. Ang mga error na ∆µ0 at ∆N ay maaaring mapabayaan. Natutukoy ang mga error (∆Ic)cr at ∆Ua ayon sa klase ng katumpakan ng ammeter at voltmeter. 10 Batay sa kamag-anak na error, hanapin ang ganap na error ∆(e / m), ipasok ang lahat ng mga kinakalkula na halaga sa talahanayan. 1 – 3, at ibigay ang huling resulta bilang e m = (e m) cf ± ∆ (e m) . 11 Suriin ang mga resulta at gumawa ng mga konklusyon. Mga tanong sa pagsusulit 1 Sa ilalim ng anong mga kundisyon ang tilapon ng isang sisingilin na particle sa isang magnetic field ay isang bilog? 2 Sabihin sa amin ang tungkol sa aparato sa pag-install at ang kakanyahan ng "paraan ng magnetron" para sa pagtukoy ng tiyak na singil ng isang elektron. 3 Ano ang kritikal na kasalukuyang ng solenoid, ang kritikal na halaga ng magnetic induction? 4 Ipaliwanag ang mga trajectory ng mga electron mula sa cathode hanggang sa anode sa solenoid current Ic< Iкр, Ic = Iкр, Ic > Icr. 5 Kunin ang formula (6) at (8). 6 Ipaliwanag ang pangunahing pagkakaiba sa pagitan ng perpekto at tunay na mga katangian ng pag-reset ng isang vacuum tube. Listahan ng mga Inirerekomendang Pagbasa 1 Savelyev IV Kurso ng pangkalahatang pisika. T. 2. M.: Nauka, 1982. 2. A. A. Detlaf, B. M. Yavorsky, et al. Kurso ng Physics. Moscow: Mas mataas na paaralan, 1989. 3 Buravikhin V.A. et al. Practicum sa magnetism. M.: Mas mataas na paaralan, 1979. 4 Maysova N.N. Workshop sa kurso ng pangkalahatang pisika. M.: Higher school, 1970. Laboratory work PAG-AARAL NG SARILING ELECTROMAGNETIC OSCILLATIONS SA CONTOUR Ang layunin ng trabaho: pag-aralan ang impluwensya ng mga parameter ng oscillatory circuit sa likas na katangian ng electromagnetic oscillations na nangyayari dito, pati na rin ang ang pagkuha ng mga kasanayan sa pagproseso ng graphic na impormasyon. Mga aparato at accessories: isang elektronikong generator ng mga panandaliang hugis-parihaba na pulso, pana-panahong singilin ang circuit capacitor, isang sistema ng mga capacitor ng iba't ibang mga kapasidad, isang baterya ng mga series-connected inductors, isang hanay ng mga resistors, isang electronic oscilloscope, isang Wheatstone bridge, mga switch , mga susi. Mga Alituntunin Sa isang electric oscillatory circuit, nangyayari ang mga panaka-nakang pagbabago sa ilang pisikal na dami (kasalukuyan, boltahe ng singil, atbp.). Ang isang tunay na oscillatory circuit sa isang pinasimple na anyo ay binubuo ng isang kapasitor C, isang inductor L at aktibong paglaban R na konektado sa serye (Larawan 1). Kung ang kapasitor ay sisingilin at pagkatapos ay ang key K ay sarado, pagkatapos ay ang mga electromagnetic oscillations ay magaganap sa circuit. Ang kapasitor ay magsisimulang mag-discharge at ang pagtaas ng kasalukuyang at isang magnetic field na proporsyonal dito ay lilitaw sa circuit. Ang pagtaas sa magnetic field ay humahantong sa hitsura ng self-induction sa EMF circuit: CONTROL QUESTIONS 1 Ang pisikal na kahulugan ng mga konsepto ng induction at magnetic field strength. 2 Isulat ang batas ng Biot-Savart-Laplace at ipakita ang aplikasyon nito sa pagkalkula ng direktang kasalukuyang patlang at ang patlang sa axis ng isang pabilog na kasalukuyang-carrying coil. 3 Kumuha ng mga formula ng pagkalkula para sa field ng isang solenoid na may hangganan ang haba. 4 Ipaliwanag ang pisikal na kahulugan ng theorem sa sirkulasyon ng magnetic field induction vector at ang aplikasyon nito upang kalkulahin ang field ng isang infinitely long solenoid. 5 Ipaliwanag ang prinsipyo ng pagpapatakbo, pamamaraan ng pag-install at pamamaraan ng pagsukat. 6 Paano magbabago ang distribusyon ng field sa kahabaan ng axis ng solenoid depende sa ratio sa pagitan ng haba at diameter nito? Listahan ng mga Inirerekomendang Pagbasa 1 Savelyev IV Kurso ng pangkalahatang pisika. T. 2. M., 1982. 2 Detlaf A. A., Yavorsky B. M. Kurso ng pisika. M., 1987. 3 Akhmatov AS et al. Practice sa laboratoryo sa pisika. M., 1980. 4 Irodov IE Mga pangunahing batas ng electromagnetism. M.: Higher school, 1983. Laboratory work DETERMINATION OF THE SPESIFIC CHARGE OF AN ELECTRON "BY THE MAGNETRON METHOD" Ang layunin ng gawain: upang makilala ang paraan ng paglikha ng mutually perpendicular electric at magnetic field, ang paggalaw ng mga electron sa tulad crossed field. Eksperimental na matukoy ang laki ng tiyak na singil ng isang elektron. Mga device at accessories: electronic lamp 6E5S, solenoid, power supply VUP-2M, milliammeter, ammeter, voltmeter, potentiometer, connecting wires. Mga Alituntunin Ang isa sa mga pang-eksperimentong pamamaraan para sa pagtukoy ng tiyak na singil ng isang elektron (ang ratio ng singil ng elektron sa masa nito e / m) ay batay sa mga resulta ng mga pag-aaral ng paggalaw ng mga sisingilin na particle sa magkabilang patayo na magnetic at electric field. Sa kasong ito, ang tilapon ng paggalaw ay nakasalalay sa ratio ng singil ng particle sa masa nito. Ang pangalan ng pamamaraan na ginamit sa trabaho ay dahil sa ang katunayan na ang isang katulad na paggalaw ng mga electron sa magnetic at electric field ng parehong pagsasaayos ay isinasagawa sa magnetrons - mga aparatong ginagamit upang makabuo ng malakas na electromagnetic oscillations ng ultrahigh frequency. Ang mga pangunahing regularidad na nagpapaliwanag sa pamamaraang ito ay maaaring ibunyag sa pamamagitan ng pagsasaalang-alang, para sa pagiging simple, ang paggalaw ng isang elektron na lumilipad sa bilis na v sa isang pare-parehong magnetic field, ang induction vector na kung saan ay patayo sa direksyon ng paggalaw. Tulad ng nalalaman, sa kasong ito, ang pinakamataas na puwersa ng Lorentz Fl = evB ay kumikilos sa elektron kapag gumagalaw ito sa isang magnetic field, na patayo sa bilis ng elektron at, samakatuwid, ay isang puwersang sentripetal. Sa kasong ito, ang paggalaw ng isang electron sa ilalim ng pagkilos ng naturang puwersa ay nangyayari sa isang bilog, ang radius nito ay tinutukoy ng kondisyon: mv 2 evB = , (1) r kung saan ang e, m, v ay ang singil, masa at bilis ng elektron, ayon sa pagkakabanggit; B ay ang halaga ng magnetic field induction; r ay ang radius ng bilog. O mv r= . (2) eB Makikita mula sa kaugnayan (2) na ang radius ng curvature ng electron motion trajectory ay bababa sa pagtaas ng magnetic field induction at tataas sa paglaki ng bilis nito. Ang pagpapahayag ng halaga ng partikular na singil mula sa (1) ay nakukuha natin: e v = . (3) m rB Mula sa (3) sumusunod na upang matukoy ang ratio e / m, kinakailangang malaman ang bilis ng paggalaw ng elektron v, ang halaga ng magnetic field induction В at ang radius ng curvature ng electron trajectory r. Sa pagsasagawa, upang gayahin ang gayong paggalaw ng mga electron at matukoy ang ipinahiwatig na mga parameter, ang isa ay nagpapatuloy tulad ng sumusunod. Ang mga electron na may isang tiyak na direksyon ng bilis ng paggalaw ay nakuha gamit ang isang two-electrode electron tube na may anode na ginawa sa anyo ng isang silindro, kasama ang axis kung saan matatagpuan ang isang filamentous cathode. Kapag ang isang potensyal na pagkakaiba (anode boltahe Ua) ay inilapat sa annular space sa pagitan ng anode at ng cathode, isang radially directed electric field ay nilikha, sa ilalim ng pagkilos kung saan ang mga electron na ibinubuga mula sa cathode dahil sa thermionic emission ay lilipat nang rectilinearly kasama ang anode radii at ang milliammeter na kasama sa anode circuit, ay magpapakita ng isang tiyak na halaga ng anode kasalukuyang Ia. Ang isang pare-parehong magnetic field na patayo sa electric, at samakatuwid ang bilis ng mga electron, ay nakuha sa pamamagitan ng paglalagay ng lampara sa gitnang bahagi ng solenoid upang ang axis ng solenoid ay parallel sa axis ng cylindrical anode. Sa kasong ito, kapag ang kasalukuyang Ic ay dumaan sa solenoid winding, ang magnetic field na lumitaw sa annular space sa pagitan ng anode at cathode ay yumuko sa rectilinear trajectory ng mga electron. Habang tumataas ang solenoid current Ic at, dahil dito, ang magnitude ng magnetic induction B, bababa ang radius ng curvature ng electron motion trajectory. Gayunpaman, sa maliit na halaga ng magnetic induction B, ang lahat ng mga electron na dating umabot sa anode (sa B = 0) ay mahuhulog pa rin sa anode, at ang milliammeter ay magtatala ng pare-parehong halaga ng anode kasalukuyang Ia (Fig. 1). Sa ilang tinatawag na kritikal na halaga ng magnetic induction (Bcr), ang mga electron ay lilipat kasama ang mga trajectory na padaplis sa panloob na ibabaw ng cylindrical anode, i.e. tumigil na sa pag-abot sa anode, na humahantong sa isang matalim na pagbaba sa kasalukuyang anode at ang kumpletong pagtigil nito sa B > Bcr. Ang anyo ng perpektong pag-asa Iа = ƒ(B), o ang tinatawag na katangian ng pag-reset, ay ipinapakita sa fig. 1 gitling-tuldok na linya (a). Ang parehong figure ay eskematiko na nagpapakita ng mga tilapon ng mga electron sa espasyo sa pagitan ng anode at cathode para sa iba't ibang mga halaga ng magnetic field induction B. Dapat tandaan na sa kasong ito, ang mga tilapon ng mga electron sa magnetic field ay hindi na mga bilog. , ngunit mga linya na may variable na radius ng curvature. Ito ay dahil ang bilis Ia A K B=0 V< Bкр В = Bкр В > Bcr b a C Fig. 1. Ang perpektong (a) at tunay na (b) na mga katangian ng paglabas ng isang electron ay patuloy na nagbabago dahil sa acceleration na ibinibigay dito ng mga puwersa ng electric field. Samakatuwid, ang eksaktong pagkalkula ng tilapon ng elektron ay medyo kumplikado. Gayunpaman, kapag ang anode radius ra ay mas malaki kaysa sa cathode radius (ra >> rk), pinaniniwalaan na ang pangunahing pagtaas sa bilis ng elektron sa ilalim ng pagkilos ng isang electric field ay nangyayari sa rehiyon na malapit sa cathode, kung saan ang Ang lakas ng patlang ng kuryente ay pinakamataas, at samakatuwid ang pinakamalaking acceleration na ibinibigay sa mga electron . Ang karagdagang landas ng elektron ay dadaan halos sa isang pare-pareho ang bilis, at ang tilapon nito ay magiging malapit sa isang bilog. Sa pagsasaalang-alang na ito, sa isang kritikal na halaga ng magnetic induction Bcr, ang radius ng curvature ng electron motion trajectory ay kinuha bilang isang distansya na katumbas ng kalahati ng anode radius ng lamp na ginamit sa pag-install, i.e. ra rkr = . (4) 2 Ang bilis ng isang electron ay natutukoy mula sa kondisyon na ang kinetic energy nito ay katumbas ng trabaho na ginugol ng electric field upang maihatid ang enerhiya na ito dito mv 2 = eU a , (5) 2 kung saan ang Uа ay ang potensyal na pagkakaiba sa pagitan ng anode at katod ng lampara. PAGPAPALIT SA MGA HALAGA NG BILIS MULA SA (5), ANG RADIUS NG TRAJECTORY RKR MULA SA (4) HANGGANG (3) SA KRITIKAL NA HALAGA NG INDUCTION NG MAGNETIC FIELD, NAKUHA NAMIN ANG EXPRESSION PARA SA RATIO e / m SA FORM : e 8U = 2 a2 . (6) m ra Bcr Ang pinahusay na kalkulasyon na isinasaalang-alang ang cathode radius (rc) ay nagbibigay ng kaugnayan para sa pagtukoy ng tiyak na singil ng isang electron e 8U a = . (7) m  r2  ra 2 Bcr 2 1 − k2   r   a  Para sa isang solenoid na may hangganan ang haba, ang halaga ng kritikal na magnetic field induction sa gitnang bahagi nito ay dapat kalkulahin ng formula µ 0 ( I c) cr N Bcr = , (8) 4 R 2 + L2 kung saan ang N ay ang bilang ng mga pagliko ng solenoid; L, R ay ang haba at average na halaga ng radius ng solenoid; (Ic)cr. ay ang solenoid kasalukuyang naaayon sa kritikal na halaga ng magnetic induction. Ang pagpapalit ng Bcr sa (7) ay nakukuha natin ang pinal na expression para sa partikular na singil e 8U a (4 R 2 + L2) = . (9) 2 2 m 2  2 µ 0 ra (I c) cr N 1 − rk   r2  a  . dependence ng anode current sa solenoid current Iа = ƒ(Ic). Dapat pansinin na, sa kaibahan sa perpektong katangian ng kasalanan (Larawan 1, a), ang tunay na katangian ay may hindi gaanong matarik na pagbagsak na bahagi (Larawan 1, b). Ito ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng ang katunayan na ang mga electron ay ibinubuga ng isang pinainit na katod na may iba't ibang mga paunang bilis. Ang velocity distribution ng mga electron sa panahon ng thermal emission ay malapit sa kilalang batas ng Maxwell's velocity distribution ng mga molecule sa isang gas. Kaugnay nito, ang mga kritikal na kondisyon para sa iba't ibang mga electron ay naabot sa iba't ibang mga halaga ng solenoid current, na humahantong sa isang smoothing ng curve Iа = ƒ(Ic). Dahil, ayon sa pamamahagi ng Maxwell, ang karamihan sa buong daloy ng mga electron na ibinubuga ng cathode ay may paunang bilis na malapit sa posibleng isa para sa isang tiyak na temperatura ng cathode, ang pinakamatalim na pagbaba sa katangian ng pag-reset ay sinusunod kapag ang solenoid current ay umabot sa kritikal. halaga (Ic)cr para sa partikular na pangkat ng mga electron . Samakatuwid, upang matukoy ang halaga ng kritikal na kasalukuyang, ang paraan ng graphical na pagkita ng kaibhan ay ginagamit. Para sa layuning ito, ang dependence ∆I a = f (I c) ∆I c ay naka-plot sa graph ng dependence Iа = ƒ(Ic) sa parehong mga halaga ng solenoid current. Ang ∆Ia ay ang pagtaas ng kasalukuyang anode na may kaukulang pagbabago sa kasalukuyang solenoid ∆Ic. ∆I a Isang tinatayang view ng katangian ng paglabas Ia = ƒ(Ic) (a) at ang function = f (I c) (b) ay ipinapakita sa fig. 2. Ang halaga ng kritikal na kasalukuyang ∆I c ∆I a ng solenoid (Ic)cr, na tumutugma sa maximum ng curve = f (I c) , ay kinuha upang kalkulahin ang Bcr ayon sa formula (8). ∆I c Ia Ia Ic a b (Ic)cr Ic 2. I-reset ang (a) at differential (b) na mga katangian ng lamp

Ministri ng Edukasyon at Agham ng Russian Federation Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Professional Education "Voronezh State Forest Engineering Academy" PHYSICS LABORATORY PRACTICE MAGNETISM VORONEZH 2014 2 UDC 537 F-50 Nai-publish sa pamamagitan ng desisyon ng educational at methodological council ng FGBOU VPO "VGLTA" Biryukova I.P. Physics [Text]: lab. pagawaan. Magnetismo: I.P. Biryukova, V.N. Borodin, N.S. Kamalova, N.Yu. Evsikova, N.N. Matveev, V.V. Saushkin; Ministri ng Edukasyon at Agham ng Russian Federation, FGBOU VPO "VGLTA". - Voronezh, 2014. - 40 p. Pamamahala ng editor na si Saushkin V.V. Reviewer: Cand. Phys.-Math. Sciences, Assoc. Department of Physics VGAU V.A. Beloglazov Ang kinakailangang teoretikal na impormasyon, paglalarawan at pamamaraan para sa pagsasagawa ng gawaing laboratoryo sa pag-aaral ng terrestrial magnetism, ang Lorentz force at ang Ampère force, at ang pagpapasiya ng tiyak na singil ng electron ay ibinigay. Ang aparato at prinsipyo ng pagpapatakbo ng isang elektronikong oscilloscope ay isinasaalang-alang. Ang aklat-aralin ay inilaan para sa full-time at part-time na mga mag-aaral sa mga lugar at specialty, ang kurikulum na nagbibigay ng laboratory workshop sa physics. 3 TALAAN NG NILALAMAN Gawain sa laboratoryo Blg. 5.1 (25) Pagpapasiya ng pahalang na bahagi ng induction ng magnetic field ng Earth ………………………………………………………………… …… 4 Laboratory work No. 5.2 (26) Pagpapasiya ng magnetic induction ……………………………………………. 12 Laboratory work No. 5.3 (27) Pagpapasiya ng tiyak na singil ng isang electron gamit ang isang cathode ray tube …………………………………………………………………. 17 Laboratory work No. 5.4 (28) Pagtukoy sa tiyak na singil ng isang electron gamit ang indicator lamp …………………………………………………………………. ... 25 Laboratory work № 5.5 (29) Pag-aaral ng magnetic properties ng isang ferromagnet ………………………. 32 APENDIKS 1. Ilang mga pisikal na pare-pareho ............................................. ................... ................ 38 2. Decimal prefix sa mga pangalan ng unit ..... ………………………………. 38 3. Mga simbolo sa sukat ng mga instrumento sa pagsukat ng elektrikal ..................... 38 Listahan ng bibliograpiya ............... ................... ................................ .............. 39 Lab #5.1 (25) PAGPAPAHALAGA NG HORIZONTAL COMPONENT NG MAGNETIC FIELD INDUCTION NG LUPA Layunin ng gawain: pag-aaral ng mga batas ng magnetic field sa vacuum; pagsukat ng pahalang na bahagi ng induction ng magnetic field ng Earth. THEORETICAL MINIMUM Magnetic field Ang magnetic field ay nalilikha sa pamamagitan ng paggalaw ng mga electric charges (electric current), magnetized body (permanent magnets), o isang time-varying electric field. Ang pagkakaroon ng isang magnetic field ay ipinahayag sa pamamagitan ng pagkilos ng puwersa nito sa isang gumagalaw na electric charge (conductor na may kasalukuyang), pati na rin sa pamamagitan ng orienting effect ng field sa isang magnetic needle o isang closed conductor (frame) na may kasalukuyang. Magnetic induction Ang magnetic induction B ay isang vector, ang module na kung saan ay tinutukoy ng ratio ng maximum na sandali ng pwersa Mmax na kumikilos sa loop na may kasalukuyang sa isang magnetic field sa magnetic moment pm ng loop na ito na may kasalukuyang M B = max . (1) pm Ang direksyon ng vector B ay tumutugma sa direksyon ng normal sa loop kasama ang kasalukuyang, na itinatag sa magnetic field. Ang magnetic moment pm ng frame na may kasalukuyang modulo ay katumbas ng produkto ng kasalukuyang lakas I at ang lugar na S, na nakatali sa frame pm = IS. Ang direksyon ng vector p m ay tumutugma sa direksyon ng normal sa frame. Ang direksyon ng normal sa frame na may kasalukuyang ay tinutukoy ng panuntunan ng kanang tornilyo: kung ang tornilyo na may tamang thread ay pinaikot sa direksyon ng kasalukuyang nasa frame, kung gayon ang pagsasalin ng paggalaw ng tornilyo ay magkakasabay sa direksyon ng normal sa eroplano ng frame (Larawan 1). Ang direksyon ng magnetic induction B ay nagpapakita rin ng hilagang dulo ng magnetic needle, na itinatag sa magnetic field. Ang yunit ng SI para sa magnetic induction ay ang tesla (T). 2 Batas ng Biot-Savart-Laplace Ang bawat elemento dl ng isang konduktor na may kasalukuyang I ay lumilikha sa ilang punto A isang magnetic field na may induction dB, ang magnitude nito ay proporsyonal sa vector product ng mga vectors dl at ang radius vector r na nakuha mula sa elemento dl sa isang naibigay na punto A (Larawan 2) μ μI dB = 0 3 , (2) 4π r kung saan ang dl ay isang infinitesimal na elemento ng konduktor, ang direksyon kung saan tumutugma sa direksyon ng kasalukuyang nasa konduktor; r ay ang modulus ng vector r ; μ0 ay ang magnetic constant; Ang μ ay ang magnetic permeability ng medium kung saan matatagpuan ang elemento at point A (para sa vacuum μ = 1, para sa hangin μ ≅ 1). Ang dB ay patayo na Vector ng eroplano kung saan matatagpuan ang mga vectors dl at r (Fig. 2). Ang direksyon ng vector dB ay tinutukoy ng panuntunan ng kanang tornilyo: kung ang tornilyo na may kanang kamay na sinulid ay pinaikot mula dl hanggang r sa direksyon ng isang mas maliit na anggulo, kung gayon ang pagsasalin ng paggalaw ng tornilyo ay magkakasabay sa direksyon dB. Ang vector equation (2) sa scalar form ay tumutukoy sa modulus ng magnetic induction μ μ I dl sinα dB = 0 , (3) 4π r 2 kung saan ang α ay ang anggulo sa pagitan ng mga vectors dl at r . Ang prinsipyo ng superposisyon ng mga magnetic field Kung ang isang magnetic field ay nilikha ng ilang mga conductor na may kasalukuyang (gumagalaw na mga singil, magnet, atbp.), Kung gayon ang induction ng nagresultang magnetic field ay katumbas ng kabuuan ng mga induction ng mga magnetic field na nilikha ng hiwalay ang bawat konduktor: B res = ∑ B i . i Ang pagbubuo ay isinasagawa ayon sa mga tuntunin ng pagdaragdag ng vector. Magnetic induction sa axis ng isang circular conductor na may kasalukuyang Gamit ang batas ng Biot-Savart-Laplace at ang prinsipyo ng superposition, maaaring kalkulahin ng isa ang induction ng magnetic field na nilikha ng isang arbitrary conductor na may kasalukuyang. Upang gawin ito, ang konduktor ay nahahati sa mga elemento dl at sa pamamagitan ng formula (2) ang induction dB ng field na nilikha ng bawat elemento sa itinuturing na punto sa espasyo ay kinakalkula. Ang induction B ng magnetic field na nilikha ng lahat ng 3 conductor ay magiging katumbas ng kabuuan ng mga induction ng mga field na nilikha ng bawat elemento (dahil ang mga elemento ay infinitesimal, ang summation ay binabawasan sa pagkalkula ng integral sa haba ng conductor l ) B = ∫ dB. (4) l Bilang halimbawa, tukuyin natin ang magnetic induction sa gitna ng isang pabilog na konduktor na may kasalukuyang I (Larawan 3a). Hayaang R ang radius ng konduktor. Sa gitna ng coil, ang mga vectors dB ng lahat ng mga elemento dl ng conductor ay nakadirekta sa parehong paraan - patayo sa eroplano ng coil alinsunod sa panuntunan ng tamang turnilyo. Ang vector B ng resultang field ng buong pabilog na konduktor ay nakadirekta din sa puntong ito. Dahil ang lahat ng mga elemento dl ay patayo sa radius vector r, kung gayon sinα = 1, at ang distansya mula sa bawat elemento dl hanggang sa gitna ng bilog ay pareho at katumbas ng radius R ng coil. Sa kasong ito, ang equation (3) ay nasa anyong μ μ I dl . dB = 0 4 π R2 Ang pagsasama ng expression na ito sa haba ng conductor l sa hanay mula 0 hanggang 2πR, nakuha namin ang magnetic field induction sa gitna ng circular conductor na may kasalukuyang I . (5) B = μ0 μ 2R Katulad nito, ang isa ay makakakuha ng isang expression para sa magnetic induction sa axis ng isang pabilog na konduktor sa layo h mula sa gitna ng coil na may kasalukuyang (Larawan 3,b) B = μ0 μ I R 2 2 (R 2 + h 2) 3/2. EXPERIMENTAL TECHNIQUE (6) 4 Ang daigdig ay isang natural na magnet, ang mga poste nito ay matatagpuan malapit sa geographic na mga poste. Ang magnetic field ng Earth ay katulad ng field ng isang direktang magnet. Ang magnetic induction vector na malapit sa ibabaw ng lupa ay maaaring mabulok sa pahalang na B Г at patayong B B na bahagi: B Earth = В Г + В В. Kung ang isang magnetic needle (halimbawa, isang compass needle) ay maaaring malayang umiikot sa paligid ng isang vertical axis, pagkatapos ay sa ilalim ng impluwensya ng pahalang na bahagi ng magnetic field ng Earth, ito ay mai-install sa eroplano ng magnetic meridian, kasama ang direksyon B G. Kung lumikha ka ng isa pang magnetic field malapit sa arrow, ang induction B na kung saan ay matatagpuan sa pahalang na eroplano, pagkatapos ay ang arrow ay liliko sa isang tiyak na anggulo α at itatakda sa direksyon ng resultang induction ng parehong mga field. Ang pag-alam sa B at pagsukat ng anggulo α, matutukoy natin ang BG. Ang pangkalahatang view ng pag-install, na tinatawag na tangent galvanometer, ay ipinapakita sa fig. 4, ang electrical circuit ay ipinapakita sa fig. 5. Sa gitna ng mga pabilog na conductor (mga liko) 1 ay isang compass 2, na maaaring ilipat sa kahabaan ng axis ng mga liko. Ang kasalukuyang pinagmulan ε ay matatagpuan sa pabahay 3, sa front panel kung saan matatagpuan ang: key K (network); potentiometer knob R, na nagbibigay-daan sa iyo upang ayusin ang kasalukuyang sa pabilog na konduktor; milliammeter mA, na sumusukat sa kasalukuyang lakas sa konduktor; switch P, kung saan maaari mong baguhin ang direksyon ng kasalukuyang sa pabilog na konduktor ng tangent galvanometer. Bago simulan ang mga sukat, ang magnetic needle ng compass ay naka-install sa eroplano ng mga circular turn sa gitna (Larawan 6). Sa kasong ito, sa kawalan ng kasalukuyang sa mga coils, ang magnetic needle ay magpapakita ng direksyon ng pahalang na bahagi B G ng induction ng magnetic field ng Earth. Kung i-on mo ang kasalukuyang sa isang pabilog na konduktor, ang induction vector B ng field na nilikha nito ay magiging patayo sa B G. Ang magnetic needle ng tangent galvanometer ay liliko sa isang tiyak na anggulo α at itatakda sa direksyon ng resultang field induction (Fig. 6 at Fig. 7). Ang padaplis ng anggulo α ng pagpapalihis ng magnetic needle ay tinutukoy ng formula 5 tgα = Mula sa mga equation (5) at (7) nakukuha natin ang BГ = B . BG (7) μo μ Ako . 2 R tgα Sa isang pag-install ng laboratoryo para sa pagtaas ng magnetic induction, ang isang pabilog na konduktor ay binubuo ng N pagliko, na, ayon sa magnetic action, ay katumbas ng pagtaas ng kasalukuyang lakas ng N beses. Samakatuwid, ang formula ng pagkalkula para sa pagtukoy ng pahalang na bahagi ng SH ng induction ng magnetic field ng Earth ay may anyo na μ μIN BG = o . (8) 2 R tgα Mga instrumento at accessories: laboratory stand. ORDER OF PERFORMANCE OF WORK Ang saklaw ng trabaho at ang mga kondisyon para sa pagsasagawa ng eksperimento ay itinakda ng guro o isang variant ng isang indibidwal na gawain. Pagsukat ng pahalang na bahagi ng SH ng magnetic field ng Earth 1. Sa pamamagitan ng pagpihit sa katawan ng aparato, siguraduhin na ang magnetic needle ay matatagpuan sa eroplano ng mga coils. Sa kasong ito, ang eroplano ng mga pagliko ng tangent galvanometer ay magkakasabay sa eroplano ng magnetic meridian ng Earth. 2. Lumiko ang potentiometer R sa pinakakaliwang posisyon. Itakda ang K (network) key sa posisyong On. Ilagay ang Switch P sa isa sa mga matinding posisyon (sa gitnang posisyon ng switch P, bukas ang circuit ng mga liko). 3. I-on ang potentiometer R upang itakda ang unang set na halaga ng kasalukuyang I (halimbawa, 0.05 A) at tukuyin ang anggulo α1 ng paglihis ng pointer mula sa unang posisyon. 6 4. Baguhin ang direksyon ng kasalukuyang sa pamamagitan ng paglipat ng switch P sa iba pang matinding posisyon. Tukuyin ang anggulo α 2 ng bagong pagpapalihis ng arrow. Ang pagbabago ng direksyon ng kasalukuyang ay nagbibigay-daan sa iyo upang mapupuksa ang error na dulot ng hindi tumpak na pagkakaisa ng eroplano ng mga pagliko sa eroplano ng magnetic meridian. Ilagay ang mga resulta ng pagsukat sa talahanayan. 1. Talahanayan 1 Blg. ng pagsukat I, A α1 , deg. α 2 , deg. α , deg B G, T 1 2 3 4 5 Kalkulahin ang average na halaga ng α gamit ang formula na α + α2 α = 1 . 2 5. Ang mga sukat na ipinahiwatig sa mga talata 3 at 4, ay isinasagawa sa apat na magkakaibang mga halaga ng kasalukuyang sa saklaw mula 0.1 hanggang 0.5 A. 6. Para sa bawat halaga ng kasalukuyang ayon sa formula (8), kalkulahin ang pahalang na bahagi B G ng induction ang magnetic field ng earth. Palitan ang average na halaga α sa formula. Ang radius ng circular conductor R = 0.14 m; ang bilang ng mga pagliko N ay ipinahiwatig sa pag-install. Ang magnetic permeability μ ng hangin ay maaaring ituring na katumbas ng pagkakaisa. 7. Kalkulahin ang average na halaga ng pahalang na bahagi B G ng induction ng magnetic field ng Earth. Ihambing ito sa halaga ng talahanayan B Gtabl = 2 ⋅ 10 −5 T. 8. Para sa isa sa mga value ng kasalukuyang lakas, kalkulahin ang error Δ B G = ε ⋅ B G at isulat ang resultang confidence interval B G = (B G ± ΔB G) Tl. Relatibong error sa pagsukat ng dami B Г ε = ε I 2 + ε R 2 + εα 2 . Kalkulahin ang relatibong bahagyang mga error gamit ang mga formula 2Δ α ΔI ΔR ; εR = ; εα = εI = , I R sin 2 α kung saan ang Δ α ay ang ganap na error ng anggulo α, na ipinahayag sa radians (upang i-convert ang anggulo α sa radians, i-multiply ang halaga nito sa mga degree sa π at hatiin sa 180). 9. Sumulat ng konklusyon kung saan - ihambing ang sinusukat na halaga B G sa halaga ng talahanayan; – isulat ang nagresultang agwat ng kumpiyansa para sa halaga B G; 7 - ipahiwatig kung aling pagsukat ng mga dami ang naging pangunahing kontribusyon sa pagkakamali sa halaga ng B G. Pag-aaral ng pag-asa ng magnetic induction sa kasalukuyang lakas sa konduktor 10. Upang makumpleto ang gawaing ito, sundin ang mga hakbang 1 hanggang 5. Itala ang mga resulta ng pagsukat sa Talahanayan. 2. Talahanayan 2 Blg. ng pagsukat I, A α1 , deg. α 2 , deg. α , deg Vexp, T Vtheor, T 1 2 3 4 5 11. Gamit ang tabular value ng value B Гtabl = 2 ⋅ 10 −5 T, para sa bawat value ng kasalukuyang lakas, gamit ang formula (7), kalkulahin ang eksperimental halaga ng induction Vexp ng magnetic field na nilikha ng mga coils. Palitan ang average na halaga α sa formula. Ilagay ang mga resulta sa talahanayan. 2. 12. Para sa bawat kasalukuyang halaga, gamitin ang formula μ μI N (9) Btheor = o 2R upang kalkulahin ang teoretikal na halaga ng magnetic field induction na nilikha ng mga pagliko. Ang radius ng circular conductor R = 0.14 m; ang bilang ng mga pagliko N ay ipinahiwatig sa pag-install. Ang magnetic permeability μ ng hangin ay maaaring ituring na katumbas ng pagkakaisa. Ilagay ang mga resulta sa talahanayan. 2. 13. Gumuhit ng isang coordinate system: ang abscissa axis ay ang kasalukuyang lakas I sa mga pagliko, ang ordinate axis ay ang magnetic induction B, kung saan bumuo ng pagtitiwala ng Vexp sa kasalukuyang lakas I sa mga liko. Huwag ikonekta ang nakuha na mga pang-eksperimentong punto sa isang linya. 14. Sa parehong graph, ilarawan ang dependence ng Vtheor sa I sa pamamagitan ng pagguhit ng isang tuwid na linya sa pamamagitan ng mga punto ng Vtheor. 15. Tantyahin ang antas ng kasunduan sa pagitan ng nakuhang eksperimental at teoretikal na mga dependence B(I). Pangalanan ang mga posibleng dahilan ng kanilang pagkakaiba. 16. Sumulat ng konklusyon kung saan ipinapahiwatig kung kinukumpirma ng eksperimento ang linear dependence B(I); - kung ang mga pang-eksperimentong halaga ng induction ng magnetic field na nilikha ng mga coils ay nag-tutugma sa mga teoretikal; ipahiwatig ang mga posibleng dahilan para sa pagkakaiba. 17. Ang compass ng tangent galvanometer ay maaaring lumipat patayo sa eroplano ng mga pagliko. Sa pamamagitan ng pagsukat ng mga anggulo ng pagpapalihis α ng magnetic needle para sa iba't ibang mga distansya h mula sa gitna ng mga pagliko sa isang pare-pareho ang kasalukuyang lakas I sa mga pagliko at pag-alam sa halaga ng B G, maaaring mapatunayan ng isa ang bisa ng theoretical formula (6). 8 CONTROL QUESTIONS 1. Palawakin ang mga konsepto ng magnetic field, magnetic induction. 2. Ano ang batas ng Biot-Savart-Laplace? 3. Paano ang direksyon at sa anong mga halaga nakasalalay ang magnetic induction sa gitna ng isang circular current-carrying conductor? 4. Ano ang prinsipyo ng superposisyon ng mga magnetic field? Paano ito ginagamit sa gawaing ito? 5. Paano naka-install ang magnetic needle a) sa kawalan ng kasalukuyang sa mga liko ng tangent galvanometer; b) kapag ang kasalukuyang dumadaloy sa mga liko? 6. Bakit nagbabago ang posisyon ng magnetic needle kapag nagbabago ang direksyon ng kasalukuyang sa mga pagliko? 7. Paano mai-install ang magnetic needle ng tangent galvanometer kung ang pag-install ay protektado mula sa magnetic field ng Earth? 8. Para sa anong layunin ay hindi isa, ngunit ilang sampu-sampung liko ang ginagamit sa isang tangent galvanometer? 9. Bakit, kapag nagsasagawa ng mga eksperimento, ang eroplano ng mga pagliko ng tangent galvanometer ay dapat na tumutugma sa eroplano ng magnetic meridian ng Earth? 10. Bakit dapat mas maliit ang magnetic needle kaysa sa radius ng mga pagliko? 11. Bakit ang pagsasagawa ng mga eksperimento na may dalawang magkasalungat na direksyon ng kasalukuyang sa mga pagliko ay nagpapataas ng katumpakan ng pagsukat ng B G? Anong pang-eksperimentong error ang inalis sa kasong ito? Mga Sanggunian 1. Trofimova, T.I. Kurso sa pisika. 2000. §§ 109, 110. 12 Trabaho sa laboratoryo Blg. 5.2 (26) PAGPAPAHALAGA NG MAGNETIC INDUCTION Layunin ng gawain: pag-aaral at pagpapatunay ng batas ni Ampère; pag-aaral ng pag-asa ng induction ng magnetic field ng isang electromagnet sa lakas ng kasalukuyang sa paikot-ikot nito. THEORETICAL MINIMUM Magnetic field (tingnan ang p. 4) Magnetic induction (tingnan ang p. 4) Ampère's law Ang bawat elemento dl ng isang conductor na may kasalukuyang I, na matatagpuan sa isang magnetic field na may induction B, ay apektado ng puwersa dF = I dl × B. (1) Ang direksyon ng vector dF ay tinutukoy ng cross product rule: ang mga vectors dl , B at dF ay bumubuo ng tamang triple ng mga vectors (Fig. 1). Ang vector dF ay patayo sa eroplanong naglalaman ng mga vectors dl at B . Ang direksyon ng puwersa ng Ampere dF ay maaaring matukoy sa pamamagitan ng panuntunan ng kaliwang kamay: kung ang magnetic induction vector ay pumasok sa palad, at ang nakaunat na apat na daliri ay matatagpuan sa direksyon ng kasalukuyang sa konduktor, pagkatapos ay ang hinlalaki ay baluktot 90 ° ay magpapakita ng direksyon ng puwersa ng Ampere na kumikilos sa elementong ito ng konduktor. Ang Ampère force modulus ay kinakalkula ng formula dF = I B sin α ⋅ dl , kung saan ang α ay ang anggulo sa pagitan ng mga vectors B at dl . (2) 13 EXPERIMENTAL TECHNIQUE Ang puwersa ng Ampère sa trabaho ay tinutukoy gamit ang mga timbang (Larawan 2). Ang isang konduktor ay nasuspinde sa balance beam, kung saan dumadaloy ang kasalukuyang I. Upang madagdagan ang sinusukat na puwersa, ang konduktor ay ginawa sa anyo ng isang hugis-parihaba na frame 1, na naglalaman ng mga N liko. Ang ibabang bahagi ng frame ay matatagpuan sa pagitan ng mga pole ng electromagnet 2, na lumilikha ng magnetic field. Ang electromagnet ay konektado sa isang DC source na may boltahe na 12 V. Ang kasalukuyang I EM sa electromagnet circuit ay kinokontrol ng isang rheostat R 1 at sinusukat ng isang ammeter A1. Ang boltahe mula sa pinagmulan ay konektado sa electromagnet sa pamamagitan ng mga terminal 4 na matatagpuan sa case ng balanse. Ang kasalukuyang I sa frame ay nilikha ng isang 12 V DC na pinagmulan, na sinusukat ng isang ammeter A2 at kinokontrol ng isang rheostat R2. Ang boltahe ay ibinibigay sa frame sa pamamagitan ng mga terminal 5 sa case ng balanse. Sa pamamagitan ng mga conductor ng frame, na matatagpuan sa pagitan ng mga pole ng electromagnet, ang kasalukuyang dumadaloy sa isang direksyon. Samakatuwid, ang puwersa ng Ampère ay kumikilos sa ibabang bahagi ng frame F = I lBN , (3) kung saan ang l ay ang haba ng ibabang bahagi ng frame; B - magnetic field induction sa pagitan ng mga pole ng electromagnet. Kung ang direksyon ng kasalukuyang sa frame ay pinili upang ang puwersa ng Ampere ay nakadirekta nang patayo pababa, pagkatapos ay maaari itong balansehin ng gravity ng mga timbang na inilagay sa pan 3 ng balanse. Kung ang masa ng mga timbang ay m, kung gayon ang kanilang puwersa ng grabidad ay mg at, ayon sa formula (4), magnetic induction mg . (4) B= IlN Mga instrumento at accessories: kagamitan para sa pagsukat ng puwersa ng Ampere at magnetic field induction; itinakda ang mga timbang. 14 ORDER OF PERFORMANCE OF WORK Ang saklaw ng trabaho at ang mga kondisyon para sa pagsasagawa ng eksperimento ay itinakda ng guro o isang variant ng isang indibidwal na gawain. 1. Siguraduhin na ang electrical circuit ng pag-install ay na-assemble nang tama. Sa rheostats R 1 at R 2 dapat ilagay ang maximum resistance. 2. Bago simulan ang mga sukat, ang balanse ay dapat na balanse. Ang access sa weighing pan ay sa gilid lamang ng pinto. Ang balanse ay inilabas (inaalis mula sa hawla) sa pamamagitan ng pagpihit ng hawakan 6 sa OPEN na posisyon (Larawan 1). Ang mga kaliskis ay dapat hawakan nang may pag-iingat; pagkatapos ng pagtatapos ng mga sukat, i-on ang knob 6 sa SARADO na posisyon. 3. Ang pagsasama ng pag-install sa isang network ay ginawa ng guro. 4. Punan ang talahanayan. 1 katangian ng mga instrumento sa pagsukat ng elektrikal. Talahanayan 1 Pangalan ng instrumento Sistema ng instrumento Limitasyon sa pagsukat Ammeter para sa pagsukat ng kasalukuyang lakas sa isang frame Ammeter para sa pagsukat ng kasalukuyang lakas sa isang electromagnet = 0.5 g). Gamit ang rheostat R 1, itakda ang kasalukuyang sa electromagnet circuit ng nais na halaga (halimbawa, I EM \u003d 0.2 A). 6. Bitawan ang balanse at, gamit ang rheostat R 2, piliin ang tulad ng kasalukuyang I sa frame upang ang balanse ay balanse. Ang mga resultang nakuha ay naitala sa Talahanayan 2. Talahanayan 2 Blg. ng pagsukat I EM, A t, g I, A F, N 1 2 3 4 5 7. Sa parehong halaga ng I EM, magsagawa ng apat pang sukat na ipinahiwatig sa talata 5, sa bawat oras na pagtaas ng mass ng mga timbang sa humigit-kumulang 0.2 15 8. Para sa bawat eksperimento, kalkulahin ang puwersa ng Ampere na katumbas ng gravity ng mga timbang F = mg. 9. Plot F laban sa kasalukuyang I sa konduktor, na inilalagay ang mga halaga sa kahabaan ng I abscissa axis. Ang pag-asa na ito ay nakuha sa isang tiyak na pare-pareho ang halaga ng electromagnet kasalukuyang I EM, samakatuwid, ang magnitude ng magnetic induction ay pare-pareho din. Samakatuwid, ang resulta na nakuha ay nagbibigay-daan sa amin upang tapusin na ang batas ng Ampere ay magagawa sa mga tuntunin ng proporsyonalidad ng puwersa ng Ampère sa kasalukuyang lakas sa konduktor: F ~ I . Pagpapasiya ng pag-asa ng magnetic induction sa kasalukuyang ng electromagnet 10. Maglagay ng load ng isang naibigay na masa sa balance pan (halimbawa, m = 1 g). Sa limang magkakaibang mga halaga ng kasalukuyang electromagnet I EM (halimbawa, mula 0.2 hanggang 0.5 A), piliin ang naturang mga alon I sa frame circuit na nagbabalanse sa balanse. Itala ang mga resulta sa talahanayan. 3. Talahanayan 3 Bilang ng pagsukat m, g I EM, A I, A B, T 1 2 3 4 5 11. Gamit ang formula (5), kalkulahin ang mga halaga ng magnetic induction B sa bawat eksperimento. Ang mga halaga ng l at N ay ipinahiwatig sa pag-install. I-plot ang pag-asa ng V sa kasalukuyang electromagnet, na inilalagay ang mga halaga ng I EM kasama ang x-axis. 12. Para sa isa sa mga eksperimento, tukuyin ang error Δ B. Kalkulahin ang relatibong bahagyang error gamit ang mga formula Δl ΔI εl = ; ε ako = ; ε m = 10 −3 . l I Itala ang nakuhang confidence interval sa ulat. Talakayin sa mga konklusyon: – ano ang ipinakita ng pagsubok sa batas ni Ampère, kung ito ay natupad; sa anong batayan ginawa ang konklusyon; - paano nakadepende ang magnetic induction ng isang electromagnet sa current sa winding nito; - kung ang naturang pag-asa ay mapapanatili na may karagdagang pagtaas sa I EM (isaalang-alang na ang magnetic field ay dahil sa magnetization ng iron core). 16 CONTROL QUESTIONS 1. Ano ang batas ni Ampère? Ano ang direksyon ng puwersa ni Ampere? Paano ito nakadepende sa lokasyon ng konduktor sa isang magnetic field? 2. Paano nilikha ang isang pare-parehong magnetic field sa trabaho? Ano ang direksyon ng magnetic induction vector? 3. Bakit dapat dumaloy ang direktang kasalukuyang daloy sa frame sa gawaing ito? Ano ang hahantong sa paggamit ng alternating current? 4. Bakit ginagamit sa gawain ang isang frame na binubuo ng ilang dosenang pagliko? 5. Bakit kailangang pumili ng isang tiyak na direksyon ng kasalukuyang sa loop para sa normal na operasyon ng pag-install? Ano ang magbabago sa direksyon ng agos? Paano mo mababago ang direksyon ng kasalukuyang sa loop? 6. Ano ang magbabago sa direksyon ng kasalukuyang sa electromagnet winding? 7. Sa ilalim ng anong kondisyon ang balanse ng mga timbang ay nakamit sa trabaho? 8. Aling resulta ng batas ni Ampère ang sinusuri sa gawaing ito? Mga Sanggunian 1. Trofimova T.I. Kurso sa pisika. 2000. §§ 109, 111, 112. 17 Laboratory work No. 5.3 (27) DETERMINATION OF THE SPESIFIC CHARGE NG ISANG ELECTRON SA TULONG NG CATHONY-BEAM TUBE Layunin ng gawain: pag-aaral ng mga batas na namamahala sa motion of charged mga particle sa electric at magnetic field; pagtukoy ng bilis at tiyak na singil ng isang elektron. THEORETICAL MINIMUM Lorentz force Ang isang charge q na gumagalaw sa bilis na v sa isang electromagnetic field ay apektado ng Lorentz force F l = qE + q v B , (1) kung saan ang E ay ang electric field strength; B - magnetic field induction. Ang puwersa ng Lorentz ay maaaring katawanin bilang kabuuan ng mga de-koryenteng at magnetic na bahagi: F l \u003d Fe + F m Ang de-koryenteng bahagi ng puwersa ng Lorentz F e \u003d qE (2) ay hindi nakasalalay sa bilis ng singil. Ang direksyon ng electric component ay tinutukoy ng sign ng charge: para sa q > 0, ang mga vectors E at Fe ay nakadirekta sa parehong paraan; sa q< 0 – противоположно. Магнитная составляющая силы Лоренца Fм = q v B (3) зависит от скорости движения заряда. Модуль магнитной составляющей определяется по формуле (4) F м = qvB sin α , где α - угол между векторами v и B . Направление магнитной составляющей определяется правилом векторного произведения и знаком заряда: для положительного заряда (q >0) ang tamang triplet ng mga vector ay nabuo ng mga vectors v , B at Fm (Larawan 1), para sa isang negatibong singil (q< 0) – векторы v , B и − F м. Направление магнитной составляющей силы Лоренца можно определить и с помощью правила левой руки. Правило левой руки: расположите ладонь левой руки так, чтобы в нее входил вектор B , а четыре пальца направьте вдоль вектора v , тогда отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Fм, действующей на положительный заряд. В случае отрицательного заряда направление вектора Fм противоположно. В любом случае вектор Fм перпендикулярен плоскости, в которой лежат векторы v и B . Движение заряженных частиц в магнитном поле Если частица движется вдоль линии магнитной индукции (α = 0 или α = π), то sin α = 0 . Тогда согласно выражению (4) F м = 0 . В этом случае магнитное поле не влияет на движение заряженной частицы (рис. 2). Если заряженная частица движется перпендикулярно линиям магнитной индукции (α = π 2) , то sin α = 1 . Тогда согласно (4) Fм = qvB . Так как вектор этой силы всегда перпендикулярен вектору скорости v частицы, то сила Fм создает только нормальное (центростремительное) ускорение v2 an = , при этом скорость заряженной частицы изменяется только по наr правлению, не изменяясь по модулю. Частица в этом случае равномерно движется по дуге окружности, плоскость которой перпендикулярна линиям индукции (рис. 3). Если вектор скорости v заряженной частицы составляет с вектором B угол α , то магнитная составляющая силы Лоренца будет определяться согласно (3), а модуль согласно выражению (4). В этом случае частица участвует одновременно в двух движениях: поступательном с постоянной скоростью v || и равномерном вращении по окружности со скоростью v ⊥ . В результате траектория заряженной частицы имеет форму винтовой линии (рис. 4). 19 Удельный заряд частицы Удельный заряд частицы – это отношение заряда q частицы к ее массе q m. Величина – важная характеристика заряженной частицы. Для электрона m q e Кл = = 1,78 ⋅ 1011 . m me кг МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА В работе изучается движение электронов в однородных электрическом и магнитном полях. Источником электронов является электронная пушка 1 электроннолучевой трубки осциллографа (рис. 5). Электрическое поле создается между парой вертикально отклоняющих пластин 2 электроннолучевой трубки при подаче на них напряжения U. (Горизонтально отклоняющие пластины 3 в работе не используются.) Напряженность E электрического поля направлена вертикально. Магнитное поле создается двумя катушками 4, симметрично расположенными вне электроннолучевой трубки, при пропускании по ним электрического тока. Вектор магнитной индукции B направлен горизонтально и перпендикулярно оси трубки. В отсутствии электрического и магнитного полей электроны движутся вдоль оси трубки с начальной скоростью v o , при этом светящееся пятно на- 20 ходится в центре экрана. При подаче напряжения U на пластины 2 между ними создается электрическое поле, напряженность которого E перпендикулярно вектору начальной скорости электронов. В результате пятно смещается. Величину y этого смещения можно измерить, воспользовавшись шкалой на экране осциллографа. Однако в электрическом поле на электрон действует согласно (2) электрическая составляющая силы Лоренца FЭ = eE , (5) где е – заряд электрона. Заряд электрона отрицательный (е < 0), поэтому сила FЭ направлена противоположно полю. Эта сила сообщает электрону ускорение a y в направлении оси Y, не влияя на величину скорости электрона вдоль оси X: v x = v 0 . Из основного закона динамики поступательного движения eE FЭ = ma y и (5) a y = , где m – масса электрона. В результате, пролетая m l область электрического поля за время t = 1 , где l1 – длина пластин, электрон vo смещается по оси Y на расстояние a y t 2 eE l12 y1 = = . 2 2mvo2 После вылета из поля электрон летит прямолинейно под некоторым v y a y t eE l1 = = . углом α к оси Х, причем согласно рисунку tgα = v x v o mvo2 21 Окончательно смещение пятна от центра экрана (рис. 2) в электрическом поле равно y = y1 + y 2 , где eE l 1 ⎛ l 1 ⎞ ⎜⎜ + l 2 ⎟⎟ . (6) y = y1 + l 2tgα = mvo2 ⎝ 2 ⎠ Если по катушкам 4 (рис. 5) пропустить электрический ток, то на пути электронов возникнет магнитное поле. Изменяя силу тока I в катушках, можно подобрать такую величину и направление магнитной индукции B , что магнитная составляющая силы Лоренца FМ скомпенсирует электрическую составляющую FЭ. В этом случае пятно снова окажется в центре экрана. Это будет при условии равенства нулю силы Лоренца eE + e v o B = 0 или E + v o B = 0 . Как видно из рис. 7, это условие выполняется, если вектор магнитной индукции B перпендикулярен векторам E и v o , что реализовано в установке. Из этого условия можно определить скорость электронов E (7) vo = . B Поскольку практически измеряется напряжение U, приложенное к пластинам, и расстояние d между ними, то пренебрегая краевыми эффектами можно считать, что E = [ U d ] , тогда U . (8) Bd Измеряя смещение у электронного пучка, вызванное электрическим полем Е, а затем подбирая такое магнитное поле В, чтобы смещение стало равным нулю, можно из уравнений (6) и (8) определить удельный заряд электрона yU e . (9) = m ⎛ l1 ⎞ 2 B dl 1 ⎜ + l 2 ⎟ ⎝2 ⎠ Схема установки показана на рис. 8. Электроннолучевая трубка расположена в корпусе осциллографа 1, на передней панели которого находится экран трубки 2 и две пары клемм. Клеммы ПЛАСТИНЫ соединены с вертикально отклоняющими пластинами трубки. Клеммы КАТУШКИ соединены с катушками 4 электромагнита, создающего магнитное поле. (Расположение катушек видно через прозрачную боковую стенку осциллографа.) Выпрямитель 5 и блок 6 служат для создания, регулировки и измерения постоянного напряжения на управляющих пластинах трубки и постоянного тока через катушки электромагнита. Переключатель K1 позволяет изменить полярность vo = 22 напряжения на пластинах, а переключатель K 2 – направление тока через катушки электромагнита. Параметры установки: d = 7,0 мм; l1 = 25,0 мм; l 2 = 250 мм. Приборы и принадлежности: осциллограф с электроннолучевой трубкой; выпрямитель; блок коммутации с электроизмерительными приборами. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1. Заполните табл. 1 характеристик электроизмерительных приборов. Таблица 1 Наименование прибора Вольтметр Миллиамперметр Система прибора Предел измерения Цена Класс Приборная деления точности погрешность ΔU пр ΔI пр 2. Тумблером 3 (рис. 8) включите осциллограф. Ручками ЯРКОСТЬ и ФОКУС, расположенными на верхней панели осциллографа, добейтесь четкости пятна на экране. Ручкой ↔ установите пятно в центр экрана. 3. Тумблером К включите выпрямитель. Ручками П 1 и П 2 установите нулевые показания вольтметра и миллиамперметра. 4. Условия проведения эксперимента (значения напряжения U на пластинах) задаются преподавателем или вариант индивидуального занятия. 23 5. Ручкой П 1 установите нужное напряжение на пластинах и измерьте смещение у луча от центра экрана. Результат измерения в зависимости от направления смещения («вверх» или «вниз») запишите в табл.2. Таблица 2 U, В y y вверх, вниз, мм мм у, мм I1, А I2, А I , А В, Тл vo , м/с e/m, Кл/кг 6. С помощью ручки П 2 и переключателя K 2 подберите такой ток I1 в катушках, чтобы пятно вернулось в центр экрана. Значение силы тока запишите в табл. 2. 7. Измерения, указанные в пункте 5 и 6, проведите при двух других значениях напряжения U . 8. Тумблером K 1 измените полярность напряжения на пластинах и повторите измерения, указанные в пунктах 5, 6 и 7. 9. По приложенному к установке градуировочному графику электромагнита и по среднему значению силы тока I в каждом испытании определите значения магнитной индукции В и занесите их в табл. 2. 10. По формуле (8) рассчитайте скорость электронов в каждом опыте и среднее значение v o по всем испытаниям. 11. Используя формулу eU a = m vo 2 2 , рассчитайте анодное напряжение в электронной пушке. 12. По формуле (9) рассчитайте значение удельного заряда электрона в e по всем испытаниям. каждом опыте и среднее значение m 13. По результатам одного из опытов рассчитайте абсолютную погрешность удельного заряда электрона Δ me = ε e me . Здесь ε = ε y2 + εU2 + ε B2 + ε d2 + ε l21 + ε l22 . Относительные частные погрешности рассчитайте по формулам Δy ΔU 2ΔB Δd Δ l (l +l) Δl εy = ; εU = ; εB = ; εd = ; ε l1 = 1l 1 2 ; ε l 2 = l 2 . ⎞ ⎛ 1 +l y U B d l1 ⎜ 1 +l 2 ⎟ 2 ⎝2 ⎠ 2 В качестве Δу используйте приборную погрешность шкалы на экране осциллографа, в качестве ΔU – приборную погрешность вольтметра. Погрешность ΔВ определяется по градуировочному графику по величине ΔI пр. Запишите в отчет полученный доверительный интервал величины e m . 24 15. В выводах – укажите, что наблюдалось в работе; e ; согласие считается хоро– сравнить полученное и табличное значения m шим, если табличное значение попадает в найденный доверительный интервал; – указать, измерение какой величины внесло основной вклад в погрешe . ность величины m КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Сила Лоренца. Направление ее составляющих. 2. Зависит ли от знака заряда сила, действующая на него со стороны: а) электрического поля; б) магнитного поля? 3. Зависит ли от скорости и направления движения заряда сила, действующая на него: а) в электрическом поле; б) в магнитном поле? 4. Как движется электрон: а) в поле между пластинами; б) слева от пластин; в) справа от пластин? 5. Отличается ли скорость электрона до и после пластин? 6. Как изменится смещение пятна на экране, если а) скорость электронов увеличить вдвое; б) анодное напряжение увеличить вдвое? 7. Изменяется ли при движении заряда в однородном магнитном поле: а) направление скорости; б) величина скорости? 8. Каким должно быть взаимное расположение однородных электрического и магнитного полей, чтобы электрон мог двигаться в них с постоянной скоростью? При каком условии возможно такое движение? 9. Какую роль в электронной пушке играют катод, модулятор, аноды? 10. Какую роль в электроннолучевой трубке играют: а) электронная пушка; б) отклоняющие пластины; в) экран? 11. Как в установке создаются однородные поля: а) электрическое; б) магнитное? 12. Как изменяется смешение пятна на экране при изменении направления тока в катушках? Библиографический список 1. Трофимова Т.И. Курс физики. 2000. §§ 114, 115. 25 Лабораторная работа № 4 (28) ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА С ПОМОЩЬЮ ИНДИКАТОРНОЙ ЛАМПЫ Цель работы: изучение закономерностей движения заряженных частиц в электрическом и магнитном полях; определение удельного заряда электрона. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МИНИМУМ Магнитная индукция (смотрите с. 4) Сила Лоренца (смотрите с. 17) Движение заряженных частиц в магнитном поле (смотрите с. 18) Удельный заряд электрона (смотрите с. 19) МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА В работе удельный заряд me электрона определяется путем наблюдения движения электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях. Электрическое поле создается в пространстве между анодом и катодом вакуумной электронной лампы. Катод К расположен по оси цилиндрического анода А (рис.1), между ними приложено анодное напряжение U a . На рис. 2 показано сечение лампы плоскостью XOY . Как видим, напряженность электричеr ского поля E имеет радиальное направление. Лампа расположена в центре соленоида (катушки), создающего однородное магнитное поле, вектор индукции r B которого параллелен оси лампы. На электроны, выходящие из катода благодаря термоэлектронной эмиссии, со стороны электрического поля действует электрическая составляющая r r силы Лоренца FЭ = eE , которая ускоряет электроны к аноду. Со стороны магr r r нитного поля действует магнитная составляющая силы Лоренца FM = e , r которая направлена перпендикулярно скорости v электрона (рис. 2), поэтому его траектория искривляется. 26 На рис. 3 показаны траектории электронов в лампе при различных значениях индукции В магнитного поля. В отсутствии магнитного поля (В = 0) траектория электрона прямолинейна и направлена вдоль радиуса. При слабом поле траектория несколько искривляется. При некотором значении индукции B = B 0 траектория искривляется настолько, что касается анода. При достаточно сильном поле (B > B 0), ang electron ay hindi tumama sa anode at bumalik sa katod. Sa kaso ng B = B 0, maaari nating ipagpalagay na ang elektron ay gumagalaw sa isang bilog na may radius r = ra / 2, kung saan ang ra ay ang radius ng anode. Ang puwersa FM = evB ay lumilikha ng isang normal (centripetal) acceleration, samakatuwid, ayon sa pangunahing batas ng dynamics ng translational motion, mv 2 (1) = evB . r Ang bilis ng electron ay matatagpuan mula sa kondisyon na ang kinetic energy ng electron ay katumbas ng gawain ng mga puwersa ng electric field sa landas ng electron mula sa cathode hanggang sa anode mv 2 = eU a , kung saan 2 v = 2eU a . m (2) 27 Ang pagpapalit ng halagang ito para sa bilis v sa equation (1) at isinasaalang-alang na r = ra / 2 , nakakakuha tayo ng expression para sa tiyak na singil ng isang electron 8U e = 2 a2 . Binibigyang-daan tayo ng m B o ra Formula (3) na kalkulahin ang halaga (3) e m kung, sa isang ibinigay na halaga ng boltahe ng anode U a, nakita natin ang ganoong halaga ng magnetic induction Bo kung saan ang electron trajectory ay humipo sa anode surface . Ang indicator lamp ay ginagamit upang obserbahan ang electron trajectory (Fig. 4). Ang cathode K ay matatagpuan sa kahabaan ng axis ng cylindrical anode A. Ang cathode ay pinainit ng isang filament. Sa pagitan ng katod at anode mayroong isang screen E, na may hugis ng isang korteng kono na ibabaw. Ang screen ay natatakpan ng isang layer ng phosphor, na kumikinang kapag tinamaan ito ng mga electron. Parallel sa axis ng lampara, malapit sa katod, mayroong isang manipis na kawad - ang antennae Y, na konektado sa anode. Ang mga electron na dumadaan malapit sa whisker ay nakukuha nito, kaya isang anino ang nabuo sa screen (Larawan 5). Ang hangganan ng anino ay tumutugma sa tilapon ng mga electron sa lampara. Ang lampara ay inilalagay sa gitna ng solenoid, na lumilikha ng isang magnetic field, ang induction vector r B na kung saan ay nakadirekta sa kahabaan ng axis ng lampara. Ang solenoid 1 at lamp 2 ay naka-mount sa isang stand (Larawan 6). Ang mga terminal na matatagpuan sa panel ay konektado sa solenoid winding, sa cathode filament, sa cathode at anode ng lamp. Ang solenoid ay pinapagana ng rectifier 3. Ang pinagmulan ng anode boltahe at ang cathode heating boltahe ay rectifier 4. Ang kasalukuyang sa solenoid ay sinusukat gamit ang isang ammeter A, ang anode boltahe U a ay sinusukat ng isang voltmeter V. Ang switch P nagpapahintulot sa iyo na baguhin ang direksyon ng kasalukuyang sa solenoid winding. 28 Magnetic induction sa gitna ng solenoid, at samakatuwid, sa loob ng indicator lamp ay tinutukoy ng ratio μo I N , (4) B= 2 2 4R + l kung saan ang μ0 = 1.26·10 – 6 H/m ay ang magnetic constant ; I - kasalukuyang lakas sa solenoid; Ang N ay ang bilang ng mga pagliko, R ang radius, l ang haba ng solenoid. Ang pagpapalit ng value na ito B sa expression (3), nakakakuha tayo ng formula para sa pagtukoy ng tiyak na singil ng isang electron e 8U a (4R 2 + l 2), = m μo2 I o2 N 2ra2 (5) kung saan ang I o ay ang halaga ng ang kasalukuyang sa solenoid, kung saan ang electron trajectory ay humipo sa panlabas na gilid ng screen. Isinasaalang-alang na ang Ua at I0 ay praktikal na sinusukat, at ang mga halaga N, R, l, ra ay ang mga parameter ng pag-install, mula sa formula (5) nakakakuha kami ng formula ng pagkalkula para sa pagtukoy ng tiyak na singil ng isang electron U e (6). ) = A ⋅ 2a , m Io kung saan A - pare-pareho ang pag-install A= (8 4R 2 + l 2 μo2 N 2ra2). (7) 29 Mga instrumento at accessories: laboratory stand na may indicator lamp, solenoid, ammeter at voltmeter; dalawang rectifier. ORDER OF PERFORMANCE OF WORK 1. Punan ang tab. 1 katangian ng ammeter at voltmeter. Talahanayan 1 Pangalan Sistema ng instrumento ng aparato Voltmeter Limitasyon sa pagsukat Halaga ng dibisyon Klase ng katumpakan ΔI pr Ammeter 2. 3. 4. Error sa instrumento ΔU pr Suriin ang tamang koneksyon ng mga wire ayon sa fig. 6. Ilipat ang adjusting knobs ng mga rectifier sa matinding kaliwang posisyon. Isulat sa ulat ang mga parameter na ipinahiwatig sa pag-install: ang bilang ng mga pagliko N, ang haba l at ang radius R ng solenoid. Anode radius ra = 1.2 cm. Itala sa talahanayan. 2 ang mga resulta ng mga sukat ng halaga ng U a na ibinigay ng guro o isang variant ng isang indibidwal na gawain. Talahanayan 2 Bilang ng pagsukat Ua , V I o1 , А I o2 , А Io , А em , C/kg 1 2 3 5. rectifier adjusting knob 4 kinakailangang halaga ng boltahe U a . Kasabay nito, ang screen ng lampara ay nagsisimulang kumikinang. Unti-unting taasan ang kasalukuyang I sa solenoid gamit ang rectifier adjustment knob 3 at obserbahan ang curvature ng electron trajectory. Piliin at isulat sa talahanayan. Ang 2 ay ang halaga ng kasalukuyang I o1 kung saan ang electron trajectory ay dumampi sa panlabas na gilid ng screen. 30 7. 8. 9. Bawasan ang solenoid current sa zero. Ilipat ang switch P sa isa pang posisyon, sa gayon ay binabago ang direksyon ng kasalukuyang sa solenoid sa kabaligtaran. Piliin at isulat sa talahanayan. Ang 2 ay ang halaga ng kasalukuyang I o 2 kung saan ang electron trajectory ay muling dumampi sa panlabas na gilid ng screen. Ang mga sukat na ipinahiwatig sa mga talata 5-7, ay isinasagawa sa dalawa pang mga halaga ng anode boltahe U a. Para sa bawat halaga ng boltahe ng anode, kalkulahin at itala sa talahanayan. 2 average na kasalukuyang mga halaga I o = (I o1 + I o 2) / 2. 10. Ayon sa formula (7), kalkulahin ang pare-parehong A ng pag-install at isulat ang resulta sa ulat. 11. Gamit ang halaga ng A at ang average na halaga ng I o , kalkulahin ayon sa formula (6) e para sa bawat halaga ng U a . Mga resulta ng pagkalkula para sa pagsulat sa talahanayan. 2. i. + ε 2ra + ε l2 + ε 2R , ΔU a 2ΔI o 2Δra 2lΔl 8RΔR , ε ra = , ε Io = , εl = , . ε = R Io Ua ra 4R 2 + l 2 4R 2 + l 2 Narito ang ΔU a ay ang instrumental na error ng voltmeter. Bilang error ng kasalukuyang lakas ΔI o, piliin ang pinakamalaki sa dalawang error: random sa εU a \u003d error ΔI 0sl \u003d I o1 - I o 2 2 at ang instrumental error ng ammeter ΔI pr (tingnan ang talahanayan ng instrumento katangian). Ang mga error Δra , Δl , ΔR ay tinukoy bilang ang mga error ng mga halaga na ibinigay ayon sa numero. 14. Ang huling resulta ng pagtukoy sa tiyak na singil ng isang electron, isulat ang e e sew sa anyo ng isang confidence interval: = ±Δ. m m m 31 15. Sa mga konklusyon sa gawain, isulat: - kung ano ang pinag-aralan sa gawain; - paano nakadepende ang radius ng curvature ng electron trajectory (qualitatively) sa magnitude ng magnetic field; - paano at bakit ang direksyon ng kasalukuyang sa solenoid ay nakakaapekto sa electron trajectory; - anong resulta ang nakuha; - kung ang halaga ng talahanayan ng tiyak na singil ng isang electron ay nasa loob ng nakuha na agwat ng kumpiyansa; - ang error sa pagsukat kung anong halaga ang naging pangunahing kontribusyon sa error sa pagsukat ng partikular na singil ng electron. MGA TANONG SA KONTROL Ano ang tumutukoy at kung paano sila itinuro: a) ang electric component ng Lorentz force; b) ang magnetic component ng Lorentz force? 2. Paano sila itinuro at paano sila nagbabago sa magnitude sa isang indicator lamp: a) electric field; b) magnetic field? 3. Paano nagbabago ang bilis ng mga electron sa lampara sa magnitude sa layo mula sa katod? Nakakaapekto ba ang isang magnetic field sa bilis? 4. Ano ang trajectory ng mga electron sa isang lampara na may magnetic induction: a) B = 0; b) B = Bo; c) B< Bo ; г) B >Bo? 5. Ano ang acceleration ng mga electron malapit sa anode at paano ito nakadirekta sa magnetic induction B = Bo ? 6. Ano ang papel na ginagampanan nila sa indicator lamp: a) screen; b) isang wire-whisker? 7. Bakit tumataas ang liwanag ng screen ng lampara sa pagtaas ng boltahe ng anode U a? 8. Paano nilikha sa lampara: a) electric field; b) magnetic field? 9. Ano ang papel na ginagampanan ng solenoid sa gawaing ito? Bakit dapat magkaroon ng sapat na malaking bilang ng mga pagliko ang solenoid (ilang daan)? 10. Gumagawa ba ng: a) elektrikal; b) ang magnetic component ng Lorentz force? 1. Listahan ng bibliograpiya 1. Trofimova T.I. Course of Physics, 2000, § 114, 115. 32 Laboratory work No. 5.5 (29) IMBESTIGASYON NG MAGNETIC PROPERTY NG ISANG FERROMAGNET Ang layunin ng gawain: ang pag-aaral ng magnetic properties ng matter; pagpapasiya ng magnetic hysteresis loop ng isang ferromagnet. THEORETICAL MINIMUM Magnetic properties ng substance Lahat ng substance, kapag ipinasok sa magnetic field, ay nagpapakita ng magnetic properties sa ilang lawak, at ayon sa mga katangiang ito ay nahahati sila sa diamagnets, paramagnets, at ferromagnets. Ang magnetic properties ng matter ay dahil sa magnetic moments ng atoms. Ang anumang sangkap na inilagay sa isang panlabas na magnetic field ay lumilikha ng sarili nitong magnetic field, na nakapatong sa panlabas na field. Ang quantitative na katangian ng naturang estado ng matter ay ang magnetization J, katumbas ng kabuuan ng magnetic moments ng mga atoms sa isang unit volume ng substance. Ang magnetization ay proporsyonal sa intensity H ng panlabas na magnetic field J = χH , (1) kung saan ang χ ay isang walang sukat na dami, na tinatawag na magnetic susceptibility. Ang magnetic properties ng matter, bilang karagdagan sa halaga ng χ, ay nailalarawan din ng magnetic permeability μ = χ +1. (2) Ang magnetic permeability μ ay kasama sa kaugnayan na nag-uugnay sa lakas H at ang magnetic field induction B sa substance B = μo μ H , (3) kung saan ang μo = 1.26 ⋅10 −6 H/m ay ang magnetic constant . Ang magnetic moment ng diamagnetic atoms sa kawalan ng panlabas na magnetic field ay katumbas ng zero. Sa isang panlabas na magnetic field, ang sapilitan na magnetic moment ng mga atom, ayon sa panuntunan ng Lenz, ay nakadirekta laban sa panlabas na field. Ang magnetization J ay nakadirekta sa parehong paraan, samakatuwid, para sa diamagnets χ< 0 и μ < 1 . После удаления диамагнетика из поля его намагниченность вследствие теплового движения атомов исчезает. Магнитные моменты атомов парамагнетиков в отсутствии внешнего магнитного поля не равны нулю, но без внешнего поля они ориентированы хаотично. Внешнее магнитное поле приводит к частичной ориентации магнитных моментов по направлению внешнего поля в той степени, насколько это позволяет тепловое движение атомов. Для парамагнетиков 0 < χ << 1 ; величина μ чуть превосходит единицу. При выключении внешнего магнитного поля намагниченность парамагнетиков исчезает под действием теплового движения. Магнитные моменты атомов ферромагнетиков в пределах малых областей (доменов) самопроизвольно (спонтанно) ориентированы одинаково. В 33 отсутствии внешнего магнитного поля в размагниченном ферромагнетике магнитные моменты доменов ориентированы хаотично. При включении внешнего магнитного поля результирующие магнитные моменты доменов ориентируются по полю, значительно усиливая его. Магнитная восприимчивость χ ферромагнетиков может достигать нескольких тысяч. Магнитный гистерезис Величина намагниченности J ферромагнетика зависит от напряженности Н внешнего поля и от предыстории образца. На рис. 1 приведена зависимость J(H), которая характеризует процесс намагничивания ферромагнетика. В точке 0 ферромагнетик полностью размагничен. По мере увеличения напряженности Н намагниченность J образца увеличивается нелинейно. Участок 0-1 называется основной кривой намагничивания. Уже при сравнительно небольших значениях Н намагниченность стремится к насыщению Jнас, что соответствует ориентации всех магнитных моментов доменов по направлению индукции внешнего поля. Если после достижения Jнас уменьшать напряженность внешнего магнитного поля, то намагниченность будет изменяться по кривой 1-2, расположенной выше основной кривой намагниченности. Когда внешнее поле станет равным нулю, в ферромагнетике сохранится остаточная намагниченность Jост. При противоположном направлении напряженности внешнего поля намагниченность, следуя по кривой 2-3, вначале обратится в ноль, а затем, также изменив направление на противоположное, будет стремиться к насыщению. Значение напряженности Нк, при котором J обращается в ноль, называется коэрцитивной силой. Если продолжить процесс перемагничивания вещества, то получится замкнутая кривая 1-2-3-4-1, которая называется петлей магнитного гистерезиса. По форме петли гистерезиса ферромагнетики разделяются на жесткие и мягкие. Жестким ферромагнетикам соответствует широкая петля и большая коэрцитивная сила (Н К ≥ 10 3 А/м). Такие вещества используются для изготовления постоянных магнитов. Мягким ферромагнетикам присуща узкая петля и небольшое значение коэрцитивной силы (Н К = 1K10 2 А/м). Они используются для изготовления сердечников трансформаторов, электромагнитов, реле. Ферромагнетики в отличие от диамагнетиков и парамагнетиков обладают существенной особенностью: для каждого из таких материалов имеется присущая только им температура, при которой исчезают ферромагнитные свойства. Эта температура называется точкой Кюри. При нагревании материала выше точки Кюри ферромагнетик превращается в парамагнетик. Это 34 объясняется тем, что при высоких температурах доменные образования в ферромагнетике исчезают. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА Намагниченность ферромагнитного образца в данной работе измеряется с помощью магнитометрической установки, схема которой показана на рис. 2. Между одинаковыми соленоидами (катушками) 1 на их оси расположен компас 2. По соленоидам протекают одинаковые токи силой I , но в про- тивоположных направлениях. Поэтому вблизи магнитной стрелки компаса соленоиды создают равные, но противоположные по направлению магнитные поля, которые взаимно компенсируются и не вызывают отклонения стрелки. В этом случае стрелка устанавливается в направлении горизонтальной составляющей B Г индукции магнитного поля Земли. Ось соленоидов предварительно ориентируется перпендикулярно вектору B Г. При помещении в один из соленоидов ферромагнитного образца 3 образец намагничивается и создает вблизи стрелки компаса некоторое магнитное поле с индукцией B ⊥ B Г. Стрелка повернется на угол ϕ и установится вдоль результирующего поля B рез = B + B Г. Как следует из рис. 2, (1) B = B Г ⋅ tgϕ . Величина индукции В магнитного поля, создаваемого образцом вблизи стрелки, пропорциональна намагниченности J образца B = kJ , (2) где коэффициент k зависит от формы и размеров образца и его расположения относительно компаса, то есть является постоянной установки. Таким образом, расчетная формула для определения намагниченности B tgϕ . (3) J= Г k 35 Напряженность H магнитного поля соленоида может быть рассчитана по формуле H = nI , (4) где I - сила тока в соленоиде; n - число витков, приходящихся на единицу длины соленоида. Значения k и n указаны на установке. Общий вид установки показан на рис.3. Соленоиды 1, компас 2 и амперметр 3 размещены на подставке 4. С помощью переключателя 5 изменяется направление тока в соленоидах. Соленоиды питаются от выпрямителя 6. Переключателем 9 соленоиды подключаются к постоянному или к переменному напряжению. Приборы и принадлежности: магнитометрическая установка; выпрямитель; ферромагнитный образец. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Объем работы, и условия проведения опыта устанавливаются преподавателем или вариантом индивидуального задания. 1. Заполните табл. 1 характеристик миллиамперметра. Таблица 1 Наименование прибора Миллиамперметр Система прибора Предел измерения Цена Класс Приборная деления точности погрешность ΔI пр 2. Расположите подставку с соленоидами так, чтобы ось соленоидов была перпендикулярна горизонтальной составляющей B Г магнитного поля Земли. Компас закреплен так, что при этом его стрелка установится на нуле- 36 вое деление. Подайте на соленоиды постоянное напряжение, для этого переключатель 9 (рис.3) поставьте в положение (=). При этом соленоиды подключаются к клеммам 7. Не вставляя ферромагнитный образец в соленоид, включите выпрямитель и убедитесь, что магнитные поля соленоидов вблизи стрелки компаса компенсируются: стрелка не должна заметно отклоняться при увеличении силы тока в соленоидах с помощью ручки 10 выпрямителя. 3. Выключите выпрямитель, вставьте образец в один из соленоидов. Далее необходимо размагнитить образец. Для этого подключите соленоиды к клеммам 8 переменного напряжения, то есть, поставьте переключатель 9 в положение (~) . Включите выпрямитель и ручкой 10 доведите силу переменного тока в соленоидах до 2 А (измеряется амперметром выпрямителя) и постепенно уменьшайте его до нуля. Магнитная стрела должна находиться попрежнему на нулевом делении. 4. При нулевом значении силы тока в соленоидах (ручка 10 находится в крайнем левом положении) поставьте переключатель 9 в положение (=), подключив тем самым соленоиды к источнику постоянного напряжения. Установка и образец готовы к проведению изучения магнитных свойств образца. 5. Ступенчато увеличивая силу тока I от 0 до 500 мА, измерьте угол ϕ отклонения стрелки компаса, соответствующий каждому значению силы тока I . В интервале значений от 0 до 100 мА измерения надо делать через каждые 20 мА, а при больших значениях – через каждые 100 мА. Силу тока можно изменять только в сторону возрастания, уменьшение силы тока при его регулировке недопустимо. Измеренные значения I и ϕ запишите в две первые колонки (Ток +) табл. 2. Таблица 2 Ток + I , мА ϕ , град. Ток – I , мА ϕ , град. Ток + I , мА ϕ , град. (Еще 17 строк) В результате выполнения этого пункта строится основная кривая намагничивания (участок 0–1 на рис. 1). 6. Уменьшая ток в соленоидах до нуля так же, как указано в пункте 4, измерьте необходимые величины на участке 1–2 петли гистерезиса (рис.1). При этом ток можно регулировать только в сторону уменьшения. Результаты измерений I и ϕ запишите по-прежнему в две первые колонки табл. 2. 7. При нулевом значении силы тока в соленоидах переключите тумблер 5 (рис.3) в другое крайнее положение, изменив при этом направление тока в соленоидах на противоположное. Измерьте необходимые величины на участке 2–3 кривой гистерезиса (рис. 1). При этом силу тока следует регулировать только в направлении увеличения такими же ступенями, как в пункте 4. Результаты измерений I и ϕ запишите в две средние колонки «Ток–». Обратите внимание, что на этом участке кривой намагничивания происходит изме- 37 нение знака величины J и, следовательно, знака угла ϕ . Это надо отметить в таблице, указывая знак ϕ . 8. Постепенно уменьшая ток до нуля, измерьте величины I и ϕ на участке 3–4 кривой намагничивания. Результаты запишите в колонки «Ток–». 9. Тумблером 5 (рис. 3) измените, направление тока и, увеличивая силу тока, измерьте необходимые величины на последнем участке 4–1 кривой гистерезиса. Результаты измерений I и ϕ запишите в две правые колонки (Ток +) с указанием знака угла ϕ . 10. Постройте кривую магнитного гистерезиса, откладывая по осям координат (в зависимости от задания) или I и ϕ , или J и H , или B и H . 11. На основании полученной кривой гистерезиса рассчитайте по формулам (3) и (4) остаточную намагниченность J ост образца и коэрцитивную силу Н к. Величины k и n указаны на установке. 12. Для одной из точек на основной кривой намагничивания рассчитайте по формулам (3), (4), (1) и (2) значения магнитной восприимчивости χ и магнитной проницаемости μ ферромагнетика. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Чем обусловлены магнитные свойства: а) парамагнетиков; б) ферромагнетиков; в) диамагнетиков? 2. Дайте определение намагниченности. 3. Что характеризуют: а) магнитная восприимчивость; б) магнитная проницаемость? 4. Что такое основная кривая намагничивания? 5. Что такое: а) остаточная намагниченность; б) коэрцитивная сила; в) намагниченность насыщения? 6. В чем различие между жесткими и мягкими ферромагнетиками? Где они применяются? 7. Какая температура для ферромагнетиков называется точкой Кюри? 8. Как располагается магнитная стрелка, если ток в соленоидах отсутствует? Почему включение тока в соленоидах не влияет на положение стрелки? 9. Как надо ориентировать установку перед началом измерений? 10. Как устанавливается магнитная стрелка при намагничивании образца? 11. Почему перед получением петли гистерезиса образец должен быть размагничен? Как осуществляется размагничивание? ЛИТЕРАТУРА 1. Трофимова Т.И. Курс физики. 2000. § 132, 133, 135, 136. 2. Матвеев Н.Н., Постников В.В., Саушкин В.В. Физика. 2002.- С. 79-82. 38 ПРИЛОЖЕНИЕ 1. НЕКОТОРЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПОСТОЯННЫЕ Универсальная газовая постоянная Магнитная постоянная Электрическая постоянная Заряд электрона Масса электрона Удельный заряд электрона Горизонтальная составляющая индукции магнитного поля Земли (на широте Воронежа) R = 8,31 Дж/(моль⋅К) μ o = 1,26⋅10 – 6 Гн/м ε o = 8,85⋅10 – 12 Ф/м е = 1,6⋅10 – 19 Кл m = 0,91⋅10 – 30 кг e/m = 1,76⋅10 11 Кл/кг B Г = 2,0⋅10 – 5 Тл 2. ДЕСЯТИЧНЫЕ ПРИСТАВКИ К НАЗВАНИЯМ ЕДИНИЦ Г – гига (10 9) М – мега (10 6) к – кило (10 3) д – деци (10 – 1) с – санти (10 – 2) м – милли (10 – 3) Например: 1 кОм = 10 3 Ом; мк – микро (10 – 6) н – нано (10 – 9) п – пико (10 – 12) 1мА = 10 – 3 А; 1 мкФ = 10 – 6 Ф. 3. УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ НА ШКАЛЕ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ Обозначение единицы измерения Ампер Вольт Миллиампер, милливольт Микроампер, микровольт А V mA, mV μ А, μ V Обозначение принципа действия (системы) прибора Магнитоэлектрический прибор с подвижной рамкой Электромагнитный прибор с подвижным ферромагнитным сердечником Положение шкалы прибора Горизонтальное Вертикальное Обозначение рода тока Прибор для измерения постоянного тока (напряжения) Прибор для измерения переменного тока (напряжения) Другие обозначения Класс точности Изоляция между электрической цепью прибора и корпусом испытана напряжением (кВ) ⊥ –– ~ 0,5 1,0 и др. 39 Пределом измерения прибора называется то значение измеряемой величины, при котором стрелка прибора отклоняется до конца шкалы. На многопредельных приборах пределы измерений указаны около клемм или около переключателей диапазонов. Цена деления шкалы равна значению измеряемой величины, которое вызывает отклонение стрелки прибора на одно деление шкалы. Если предел измерения xm и шкала имеет N делений, то цена деления c = x m / N . Δ x np Класс точности прибора γ = ⋅ 100% , где Δ x np - максимальная xm погрешность прибора; x m - предел измерения. Значение γ приведено на шкале прибора. Зная класс точности γ , можно определить приборную погрешность x Δ x np = γ m ., 100 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Основная литература 1 Трофимова, Т.И. Курс физики [Текст]: Учебное пособие.– 6-е изд. – М.: Высш. шк., 2000.– 542 с. Дополнительная литература 1 Курс физики [Текст] / под ред. В.Н. Лозовского.– 2-е изд., испр.– СПб.: Лань, 2001.–Т.1.– 576 с. 2 Курс физики [Текст] / под ред. В.Н. Лозовского.– 2-е изд., испр.– СПб.: Лань.– 2001.Т.2.– 592 с. 3 Дмитриева, В.Ф. Основы физики [Текст]: учеб. пособие / В.Ф. Дмитриева, В.Л. Прокофьев – М.: Высш. шк., 2001.– 527 с. 4 Грибов, Л.А. Основы физики [Текст] / Л.А. Грибов, Н.И. Прокофьва.– М.: Гароарика, 1998.– 456 с. 40 Учебное издание Бирюкова Ирина Петровна Бородин Василий Николаевич Камалова Нина Сергеевна Евсикова Наталья Юрьевна Матвеев Николай Николаевич Саушкин Виктор Васильевич Физика Лабораторный практикум Магнетизм ЭЛЕКТРОННАЯ ВЕРСИЯ

Ministri ng Edukasyon at Agham ng Russian Federation

Baltic State Technical University "Voenmeh"

ELECTROMAGNETISMO

Laboratory workshop sa pisika

Bahagi 2

Na-edit ni L.I. Vasilyeva at V.A. Zhivulina

St. Petersburg

Compiled by: D.L. Fedorov, Phys.-math ni Dr. agham, prof.; L.I. Vasiliev, prof.; SA. Ivanova, Assoc.; E.P. Denisov, Assoc.; V.A. Zhivulin, Assoc.; A.N. Starukhin, ang prof.

UDC 537.8(076)

E

Elektromagnetismo: laboratory workshop sa physics / comp.: D.L. Fedorov [at iba pa]; Balt. estado tech. un-t. - St. Petersburg, 2009. - 90 p.

Ang workshop ay naglalaman ng isang paglalarawan ng mga gawa sa laboratoryo Blg. 14-22 sa mga paksang "Elektrisidad at Magnetismo" bilang karagdagan sa paglalarawan ng mga gawa Blg. 1-13 na ipinakita sa workshop ng parehong pangalan, na inilathala noong 2006.

Idinisenyo para sa mga mag-aaral ng lahat ng mga specialty.

45

UDC 537.8(076)

Tagasuri: Dr. Tech. sciences, prof., head. cafe Impormasyon at Teknolohiya ng Enerhiya BSTU S.P. Prisyazhnyuk

Naaprubahan

editoryal at paglalathala

© BSTU, 2009

Laboratory work No. 14 Pag-aaral ng mga electrical properties ng ferroelectrics

Layunin – upang pag-aralan ang polarization ng ferroelectrics depende sa lakas ng electric field E, kumuha ng kurba E=f(E), pag-aralan ang dielectric hysteresis, matukoy ang mga pagkalugi ng dielectric sa ferroelectrics.

Maikling impormasyon mula sa teorya

Tulad ng nalalaman, ang mga dielectric molecule ay katumbas sa kanilang mga electrical properties sa electric dipoles at maaaring magkaroon ng electric moment.

saan q ay ang ganap na halaga ng kabuuang singil ng parehong tanda sa molekula (i.e., ang singil ng lahat ng nuclei o lahat ng mga electron); l ay isang vector na iginuhit mula sa "center of gravity" ng mga negatibong singil ng mga electron hanggang sa "center of gravity" ng mga positibong singil ng nuclei (dipole arm).

Ang polariseysyon ng dielectrics ay karaniwang inilalarawan sa mga tuntunin ng matibay at sapilitan na mga dipoles. Ang isang panlabas na electric field ay maaaring mag-utos ng oryentasyon ng mga matitigas na dipoles (orientational polarization sa dielectrics na may mga polar molecule) o humahantong sa paglitaw ng ganap na ordered induced dipoles (polarization ng electron at ion displacements sa dielectrics na may nonpolar molecules). Sa lahat ng mga kasong ito, ang mga dielectric ay polarized.

Ang polariseysyon ng isang dielectric ay nakasalalay sa katotohanan na, sa ilalim ng pagkilos ng isang panlabas na electric field, ang kabuuang electric moment ng mga molekula ng dielectric ay nagiging nonzero.

Ang isang quantitative na katangian ng polarization ng isang dielectric ay ang polarization vector (o polarization vector), na katumbas ng electric moment bawat unit volume ng dielectric:

, (14.2)

ay ang vector sum ng electric dipole moments ng lahat ng dielectric molecule sa isang pisikal na infinitesimal na dami
.

Para sa isotropic dielectrics, ang polariseysyon nauugnay sa lakas ng electric field sa parehong punto sa pamamagitan ng ratio

æ
, (14.3)

kung saan ang æ ay isang koepisyent na, sa unang pagtataya, ay hindi nakadepende sa at tinatawag na dielectric suceptibility ng matter; =
Ang F/m ay ang electric constant.

Upang ilarawan ang electric field sa dielectrics, bilang karagdagan sa intensity at polariseysyon , gamitin ang electric displacement vector , tinukoy ng pagkakapantay-pantay

. (14.4)

Isinasaalang-alang ang (14.3), ang displacement vector ay maaaring katawanin bilang

, (14.5)

saan
Ang æ ay isang walang sukat na dami na tinatawag na permittivity ng medium. Para sa lahat ng dielectrics, æ > 0 at ε > 1.

Ang ferroelectrics ay isang espesyal na grupo ng mga crystalline dielectrics na, sa kawalan ng isang panlabas na electric field, ay may kusang (kusang) polariseysyon sa isang tiyak na hanay ng mga temperatura at presyon, ang direksyon kung saan maaaring baguhin ng isang electric field at, sa ilang mga kaso , sa pamamagitan ng mga mekanikal na stress.

Hindi tulad ng maginoo na dielectrics, ang ferroelectrics ay may ilang mga katangian ng katangian na pinag-aralan ng mga physicist ng Sobyet na si I.V. Kurchatov at P.P. Kobeko. Isaalang-alang natin ang mga pangunahing katangian ng ferroelectrics.

Ang mga ferroelectric ay nailalarawan sa pamamagitan ng napakataas na dielectric constants , na maaaring umabot sa mga halaga ng order
. Halimbawa, ang dielectric constant ng Rochelle salt NaKC 4 H 4 O 6 ∙4H 2 O sa room temperature (~20°C) ay malapit sa 10000.

Ang isang tampok ng ferroelectrics ay ang nonlinear na katangian ng polarization dependence R, at samakatuwid ay ang electric displacement D mula sa lakas ng larangan E(Larawan 14.1). Sa kasong ito, ang permittivity ng ferroelectrics ε ay lumalabas na nakasalalay sa E. Sa fig. Ipinapakita ng 14.2 ang pag-asa na ito para sa asin ng Rochelle sa temperatura na 20°C.

Ang lahat ng ferroelectrics ay nailalarawan sa pamamagitan ng hindi pangkaraniwang bagay ng dielectric hysteresis, na binubuo sa isang pagkaantala sa pagbabago sa polariseysyon R(o displacement D) kapag binabago ang lakas ng field E. Ang pagkaantala na ito ay dahil sa katotohanan na R(o D) ay hindi lamang tinutukoy ng halaga ng field E, ngunit depende rin sa nakaraang estado ng polariseysyon ng sample. Sa mga paikot na pagbabago sa lakas ng field E pagkagumon R at mga offset D mula sa E ipinahayag ng isang kurba na tinatawag na hysteresis loop.

Sa fig. Ipinapakita ng 14.3 ang hysteresis loop sa mga coordinate D, E.

Sa pagtaas ng larangan E pagkiling D sa isang sample na sa una ay hindi polarized na mga pagbabago sa kahabaan ng curve OAB. Ang kurba na ito ay tinatawag na inisyal o pangunahing kurba ng polarisasyon.

Habang bumababa ang field, ang ferroelectric sa simula ay kumikilos tulad ng isang maginoo na dielectric (sa seksyon VA walang hysteresis), at pagkatapos (mula sa punto PERO) ang pagbabago sa displacement ay nahuhuli sa pagbabago ng tensyon. Kapag ang lakas ng field E= 0, ang ferroelectric ay nananatiling polarized at ang magnitude ng electric displacement ay katumbas ng
, ay tinatawag na residual displacement.

Upang alisin ang natitirang pag-aalis, kinakailangan na mag-aplay ng isang electric field ng kabaligtaran na direksyon sa ferroelectric na may lakas na - . ang halaga tinatawag na mapilit na larangan.

Kung ang pinakamataas na halaga ng lakas ng patlang ay tulad na ang kusang polariseysyon ay umabot sa saturation, pagkatapos ay isang hysteresis loop ay nakuha, na tinatawag na limit cycle loop (solid curve sa Fig. 14.3).

Kung, gayunpaman, ang saturation ay hindi naabot sa pinakamataas na lakas ng field, kung gayon ang isang tinatawag na partial cycle loop ay nakuha, na nakahiga sa loob ng limit cycle (dashed curve sa Fig. 14.3). Maaaring magkaroon ng isang walang katapusang bilang ng mga pribadong siklo ng repolarization, ngunit sa parehong oras, ang pinakamataas na halaga ng pag-aalis D Ang mga partial cycle ay palaging nasa pangunahing polarization curve ng OA.

Ang mga katangian ng ferroelectric ay lubos na nakasalalay sa temperatura. Para sa bawat ferroelectric mayroong temperatura , sa itaas kung saan nawawala ang mga katangian ng ferroelectric nito at nagiging isang ordinaryong dielectric. Temperatura tinatawag na Curie point. Para sa barium titanate BaTi0 3 ang Curie point ay 120°C. Ang ilang ferroelectrics ay may dalawang Curie point (itaas at ibaba) at kumikilos tulad ng ferroelectrics lamang sa hanay ng temperatura sa pagitan ng mga puntong ito. Kabilang dito ang asin ng Rochelle, kung saan ang mga punto ng Curie ay +24°C at –18°C.

Sa fig. Ang 14.4 ay nagpapakita ng isang graph ng pagdepende sa temperatura ng permittivity ng isang BaTi0 3 solong kristal (Ang BaTi0 3 na kristal sa estado ng ferroelectric ay anisotropic. Sa Fig. 14.4, ang kaliwang sangay ng graph ay tumutukoy sa direksyon sa kristal na patayo sa axis ng spontaneous polarization.) Sa isang sapat na malaking hanay ng temperatura, ang mga halaga Ang ВаTi0 3 ay makabuluhang lumampas sa mga halaga ordinaryong dielectrics, kung saan
. Malapit sa Curie point, mayroong isang makabuluhang pagtaas (anomalya).

Ang lahat ng mga katangian ng ferroelectrics ay nauugnay sa pagkakaroon ng kusang polariseysyon sa kanila. Ang kusang polariseysyon ay bunga ng intrinsic asymmetry ng unit cell ng kristal, na humahantong sa paglitaw ng isang dipole electric moment sa loob nito. Bilang isang resulta ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga indibidwal na polarized na mga cell, sila ay nakaayos upang ang kanilang mga electric moments ay nakatuon parallel sa bawat isa. Ang oryentasyon ng mga electric moment ng maraming mga cell sa isang direksyon ay humahantong sa pagbuo ng mga rehiyon ng kusang polariseysyon, na tinatawag na mga domain. Malinaw, ang bawat domain ay polarized sa saturation. Ang mga linear na sukat ng mga domain ay hindi lalampas sa 10 -6 m.

Sa kawalan ng isang panlabas na patlang ng kuryente, ang polariseysyon ng lahat ng mga domain ay naiiba sa direksyon; samakatuwid, ang kristal sa kabuuan ay lumalabas na hindi polarized. Ito ay inilalarawan sa Fig. 14.5, a, kung saan ang mga domain ng sample ay inilalarawan ng eskematiko, ipinapakita ng mga arrow ang mga direksyon ng kusang polariseysyon ng iba't ibang mga domain. Sa ilalim ng impluwensya ng isang panlabas na electric field, ang isang reorientation ng kusang polariseysyon ay nangyayari sa isang multidomain na kristal. Ang prosesong ito ay isinasagawa: a) sa pamamagitan ng pag-aalis ng mga pader ng domain (mga domain na ang polarisasyon ay gumagawa ng matinding anggulo na may panlabas na larangan, lumago sa gastos ng mga domain kung saan
); b) pag-ikot ng mga de-koryenteng sandali - mga domain - sa direksyon ng field; c) ang pagbuo at pagtubo ng nuclei ng mga bagong domain, ang mga electric moment na kung saan ay nakadirekta sa kahabaan ng field.

Ang muling pagsasaayos ng istraktura ng domain, na nangyayari kapag ang isang panlabas na electric field ay inilapat at tumaas, ay humahantong sa hitsura at paglaki ng kabuuang polariseysyon R kristal (nonlinear na seksyon OA sa fig. 14.1 at 14.3). Sa kasong ito, ang kontribusyon sa kabuuang polariseysyon R, bilang karagdagan sa kusang polariseysyon, ang sapilitan na polariseysyon ng mga displacement ng elektron at ion ay nag-aambag din, i.e.
.

Sa isang tiyak na lakas ng field (sa punto PERO) ang isang solong direksyon ng kusang polariseysyon ay itinatag sa buong kristal, na kasabay ng direksyon ng patlang (Larawan 14.5, b). Ang kristal ay sinasabing naging single-domain na may direksyon ng kusang polariseysyon na kahanay sa field. Ang estado na ito ay tinatawag na saturation. Pagtaas ng field E sa pag-abot sa saturation, ito ay sinamahan ng karagdagang pagtaas sa kabuuang polariseysyon R kristal, ngunit ngayon ay dahil lamang sa sapilitan na polariseysyon (seksyon AB sa fig. 14.1 at 14.3). Kasabay nito, ang polariseysyon R at offset D halos linearly umaasa sa E. Extrapolation ng Linear Plot AB sa y-axis, maaaring tantiyahin ng isa ang kusang polarisasyon ng saturation
, na tinatayang katumbas ng halaga
pinutol ng extrapolated na seksyon sa y-axis:
. Ang tinatayang pagkakapantay-pantay na ito ay sumusunod sa katotohanan na para sa karamihan ng ferroelectrics
at
.

Tulad ng nabanggit sa itaas, sa Curie point, kapag ang isang ferroelectric ay pinainit, ang mga espesyal na katangian nito ay nawawala at ito ay nagiging isang ordinaryong dielectric. Ito ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng katotohanan na sa temperatura ng Curie isang ferroelectric phase transition ay nangyayari mula sa polar phase, na nailalarawan sa pagkakaroon ng spontaneous polarization, hanggang sa nonpolar phase, kung saan ang spontaneous polarization ay wala. Binabago nito ang simetrya ng kristal na sala-sala. Ang polar phase ay madalas na tinatawag na ferroelectric phase, habang ang non-polar phase ay tinatawag na paraelectric phase.

Sa konklusyon, tinatalakay namin ang problema ng pagkalugi ng dielectric sa ferroelectrics dahil sa hysteresis.

Ang pagkawala ng enerhiya sa mga dielectric sa isang alternating electric field, na tinatawag na dielectric, ay maaaring iugnay sa mga sumusunod na phenomena: a) polarization time lag R mula sa lakas ng larangan E dahil sa molecular thermal motion; b) ang pagkakaroon ng maliliit na conduction currents; c) ang kababalaghan ng dielectric hysteresis. Sa lahat ng mga kasong ito, ang isang hindi maibabalik na conversion ng elektrikal na enerhiya sa init ay nangyayari.

Ang mga pagkalugi ng dielectric ay sanhi na sa seksyon ng AC circuit na naglalaman ng kapasitor, ang phase shift sa pagitan ng mga pagbabago sa kasalukuyang at boltahe ay hindi kailanman eksaktong pantay.
, ngunit laging lumalabas na mas mababa kaysa sa
, sa kanto tinatawag na anggulo ng pagkawala. Ang mga pagkawala ng dielectric sa mga capacitor ay tinatantya ng pagkawala ng tangent:

, (14.6)

saan ay ang reactance ng kapasitor; R- pagkawala ng resistensya sa kapasitor, na tinutukoy mula sa kondisyon: ang kapangyarihan na inilabas sa paglaban na ito kapag ang isang alternating current ay dumaan dito ay katumbas ng mga pagkawala ng kapangyarihan sa kapasitor.

Ang loss tangent ay ang kapalit ng quality factor Q:
, at upang matukoy ito, kasama ng (14.6), maaaring gamitin ang expression

, (14.7)

saan
– pagkawala ng enerhiya para sa panahon ng oscillation (sa elemento ng circuit o sa buong circuit); W– oscillation energy (maximum para sa elemento ng circuit at kabuuan para sa buong circuit).

Gumagamit kami ng formula (14.7) upang tantyahin ang mga pagkawala ng enerhiya na dulot ng dielectric hysteresis. Ang mga pagkalugi na ito, tulad ng mismong hysteresis, ay bunga ng hindi maibabalik na kalikasan ng mga prosesong responsable para sa reorientation ng kusang polariseysyon.

Isulat muli natin ang (14.7) bilang

, (14.8)

saan ay ang pagkawala ng enerhiya ng alternating electric field dahil sa dielectric hysteresis bawat unit volume ng ferroelectric sa isang panahon; ay ang pinakamataas na density ng enerhiya ng electric field sa ferroelectric crystal.

Dahil ang volumetric energy density ng electric field

(14.9)

pagkatapos ay may pagtaas sa lakas ng field sa pamamagitan ng
nagbabago ito nang naaayon sa . Ang enerhiya na ito ay ginugol sa repolarization ng isang unit volume ng ferroelectric at ginagamit upang madagdagan ang panloob na enerhiya nito, i.e. para mapainit ito. Malinaw, para sa isang kumpletong panahon, ang halaga ng mga pagkalugi ng dielectric sa bawat dami ng yunit ng isang ferroelectric ay tinutukoy bilang

(14.10)

at ayon sa numero ay katumbas ng lugar ng hysteresis loop sa mga coordinate D, E. Ang pinakamataas na density ng enerhiya ng electric field sa kristal ay:

, (14.11)

saan at
ay ang mga amplitude ng lakas at displacement ng electric field.

Ang pagpapalit ng (14.10) at (14.11) sa (14.8), nakuha namin ang sumusunod na expression para sa tangent ng dielectric loss angle sa ferroelectrics:

(14.12)

Ang mga ferroelectric ay ginagamit upang gumawa ng mga capacitor na may malaking kapasidad, ngunit maliit na sukat, upang lumikha ng iba't ibang mga elementong hindi linear. Maraming mga radio engineering device ang gumagamit ng variconds - ferroelectric capacitors na may binibigkas na nonlinear properties: ang capacitance ng naturang capacitors ay lubos na nakasalalay sa magnitude ng boltahe na inilapat sa kanila. Ang mga varicond ay nailalarawan sa pamamagitan ng mataas na lakas ng makina, paglaban sa panginginig ng boses, pag-alog, kahalumigmigan. Ang mga disadvantages ng variconds ay isang limitadong hanay ng mga operating frequency at temperatura, mataas na halaga ng mga pagkalugi ng dielectric.

9. Ipasok ang nakuhang data sa itaas na kalahati ng talahanayan 2, na ipinapakita ang mga resulta sa form.

10. Pindutin ang switch 10, na magpapahintulot sa iyo na gumawa ng mga sukat ayon sa scheme ng fig. 2 (tumpak na pagsukat ng boltahe). Isagawa ang mga operasyong ipinahiwatig sa mga talata. 3-8, pinapalitan sa talata 6 ang pagkalkula ayon sa formula (9) ng pagkalkula ayon sa formula (10).

11. Ipasok ang data na nakuha sa panahon ng mga kalkulasyon at mga sukat na may pinindot na switch 10 (tingnan ang item 10) sa ibabang kalahati ng Talahanayan 2, na nagpapakita ng mga resulta ng pagsukat sa anyo Mode ng operasyon Tumpak na pagsukat ng mga alon Tumpak na pagsukat ng boltahe 1. Ano ang layunin ng gawain?

2. Anong mga paraan ng pagsukat ng aktibong paglaban ang ginagamit sa gawaing ito?

3. Ilarawan ang working setup at ang kurso ng eksperimento.

4. Isulat ang mga working formula at ipaliwanag ang pisikal na kahulugan ng mga dami na kasama sa mga ito.

1. Bumuo ng mga panuntunan ni Kirchhoff para sa pagkalkula ng mga branched electrical circuit.

2. Kumuha ng mga gumaganang formula (9) at (10).

3. Sa anong mga ratio ng R, RA at RV ginamit ang unang pamamaraan ng pagsukat? Pangalawa? Ipaliwanag.

4. Ihambing ang mga resultang nakuha sa gawaing ito sa pamamagitan ng una at ikalawang pamamaraan. Anong mga konklusyon ang maaaring makuha tungkol sa katumpakan ng mga sukat ng mga pamamaraang ito? Bakit?

5. Bakit sa hakbang 4 ay nakatakda ang regulator sa ganoong posisyon na ang karayom ​​ng voltmeter ay lumihis ng hindi bababa sa 2/3 ng sukat?

6. Bumuo ng batas ng Ohm para sa isang homogenous na seksyon ng chain.

7. Bumuo ng pisikal na kahulugan ng resistivity. Sa anong mga kadahilanan nakasalalay ang halagang ito (tingnan ang gawain Blg. 32)?

8. Sa anong mga kadahilanan nakasalalay ang paglaban ng R ng isang homogenous na isotropic metallic conductor?

SOLENOID INDUCTANCE DETERMINATION

Ang layunin ng trabaho ay upang matukoy ang inductance ng solenoid sa pamamagitan ng paglaban nito sa alternating current.

Mga instrumento at accessories: solenoid na sinusubok, sound generator, electronic oscilloscope, AC milliammeter, connecting wires.

Ang kababalaghan ng self-induction. Inductance Ang phenomenon ng electromagnetic induction ay sinusunod sa lahat ng kaso kapag ang magnetic flux na tumatagos sa conducting circuit ay nagbabago. Sa partikular, kung ang isang electric current ay dumadaloy sa isang conducting circuit, pagkatapos ay lumilikha ito ng magnetic flux F na tumatagos sa circuit na ito.

Kapag ang kasalukuyang lakas I ay nagbabago sa anumang circuit, nagbabago rin ang magnetic flux F, bilang isang resulta kung saan ang isang electromotive force (EMF) ng induction ay lumitaw sa circuit, na nagiging sanhi ng isang karagdagang kasalukuyang (Fig. 1, kung saan ang 1 ay isang conducting. closed circuit, 2 ay ang mga linya ng puwersa ng magnetic field na nilikha loop kasalukuyang). Ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay tinatawag na self-induction, at ang karagdagang kasalukuyang sanhi ng self-induction EMF ay ang self-induction extra current.

Ang kababalaghan ng self-induction ay sinusunod sa anumang closed electrical circuit kung saan ang isang electric current ay dumadaloy, kapag ang circuit na ito ay sarado o binuksan.

Isaalang-alang kung ano ang nakasalalay sa halaga ng EMF ng self-induction.

Ang magnetic flux F, na tumatagos sa isang closed conducting circuit, ay proporsyonal sa magnetic induction B ng magnetic field na nilikha ng kasalukuyang dumadaloy sa circuit, at ang induction B ay proporsyonal sa lakas ng kasalukuyang.

Pagkatapos ang magnetic flux Ф ay proporsyonal sa kasalukuyang lakas, i.e.

kung saan ang L ay ang inductance ng circuit, H (Henry).

Mula sa (1) nakuha namin Ang inductance ng circuit L ay isang scalar physical quantity na katumbas ng ratio ng magnetic flux Ф penetrating this circuit sa magnitude ng kasalukuyang dumadaloy sa circuit.

Si Henry ay ang inductance ng naturang circuit kung saan, sa kasalukuyang lakas ng 1A, nangyayari ang isang magnetic flux ng 1Wb, i.e. 1 Hn = 1.

Ayon sa batas ng electromagnetic induction Pagpapalit (1) sa (3), nakuha namin ang EMF ng self-induction:

Ang formula (4) ay may bisa para sa L=const.

Ipinapakita ng karanasan na sa pagtaas ng inductance L sa isang de-koryenteng circuit, ang kasalukuyang sa circuit ay unti-unting tumataas (tingnan ang Fig. 2), at sa pagbaba sa L, ang kasalukuyang bumababa nang dahan-dahan (Larawan 3).

Ang lakas ng kasalukuyang sa electrical circuit sa panahon ng isang maikling circuit ay nagbabago sa pamamagitan ng Curves ng mga pagbabago sa lakas ng kasalukuyang ay ipinapakita sa fig. 2 at 3.

Ang inductance ng circuit ay nakasalalay sa hugis, sukat at pagpapapangit ng circuit, sa magnetic state ng medium kung saan matatagpuan ang circuit, pati na rin sa iba pang mga kadahilanan.

Hanapin ang inductance ng solenoid. Ang solenoid ay isang cylindrical tube na gawa sa isang non-magnetic, non-conductive na materyal, kung saan ang isang manipis na metal conductive wire ay nasugatan nang mahigpit, likid sa likid. Sa fig. Ang 4 ay nagpapakita ng isang seksyon ng solenoid kasama ang isang cylindrical tube sa diameter (1 - magnetic field lines).

Ang haba l ng solenoid ay mas malaki kaysa sa diameter d, i.e.

ld. Kung l d, kung gayon ang solenoid ay maaaring ituring bilang isang maikling likid.

Ang diameter ng manipis na wire ay mas maliit kaysa sa diameter ng solenoid. Upang madagdagan ang inductance, isang ferromagnetic core na may magnetic permeability ay inilalagay sa loob ng solenoid. Kung ld, pagkatapos ay kapag ang kasalukuyang daloy sa loob ng solenoid, ang isang pare-parehong magnetic field ay nasasabik, ang induction na kung saan ay tinutukoy ng formula kung saan ang o = 4 10-7 H/m ay ang magnetic constant; n = N/l ay ang bilang ng mga pagliko sa bawat yunit ng haba ng solenoid; Ang N ay ang bilang ng mga pagliko ng solenoid.

Sa labas ng solenoid, ang magnetic field ay halos zero. Dahil ang solenoid ay may N turn, ang kabuuang magnetic flux (flux linkage) na tumatagos sa cross section S ng solenoid ay kung saan ang Ф = BS ay ang flux na tumatagos sa isang coil ng solenoid.

Ang pagpapalit ng (5) sa (6) at isinasaalang-alang ang katotohanan na N = nl, nakukuha natin Sa kabilang banda, Paghahambing ng (7) at (8), nakukuha natin Ang cross-sectional area ng solenoid ay Katumbas ng Kung isasaalang-alang ang (10), ang formula (9) ay isusulat bilang Tukuyin ang inductance ng solenoid ay posible sa pamamagitan ng pagkonekta sa solenoid sa isang AC electrical circuit na may frequency. Pagkatapos ang kabuuang paglaban (impedance) ay tinutukoy ng formula kung saan ang R ay ang aktibong paglaban, Ohm; L = xL - inductive resistance; \u003d xs - kapasidad ng isang kapasitor na may kapasidad C.

Kung walang kapasitor sa electrical circuit, i.e.

ang capacitance ng circuit ay maliit, kung gayon ang xc xL at formula (12) ay magmumukhang Pagkatapos ang batas ng Ohm para sa alternating current ay isusulat kung saan ang Im, Um ay ang mga amplitude na halaga ng kasalukuyang at boltahe.

Dahil = 2, kung saan ang dalas ng alternating current oscillations, kung gayon (14) ay kukuha ng form Mula sa (15) nakakakuha tayo ng gumaganang formula para sa pagtukoy ng inductance:

Upang maisagawa ang gawain, tipunin ang circuit ayon sa scheme ng Fig. 5.

1. Itakda ang dalas ng oscillation sa sound generator gaya ng ipinahiwatig ng guro.

2. Gamit ang isang oscilloscope, sukatin ang boltahe amplitude Um at ang dalas.

3. Gamit ang isang milliammeter, tukuyin ang epektibong halaga ng kasalukuyang sa circuit I e; gamit ang ratio I e I m / 2 at paglutas nito na may paggalang sa I m 2 Ie, matukoy ang amplitude ng kasalukuyang sa circuit.

4. Ipasok ang data sa talahanayan.

Reference data: aktibong paglaban ng solenoid R = 56 Ohm; haba ng solenoid l = 40 cm; solenoid diameter d = 2 cm; ang bilang ng mga pagliko ng solenoid N = 2000.

1. Bumuo ng layunin ng gawain.

2. Tukuyin ang inductance?

3. Ano ang yunit ng inductance?

4. Isulat ang gumaganang formula para sa pagtukoy ng inductance ng solenoid.

1. Kumuha ng formula para sa pagtukoy ng inductance ng isang solenoid batay sa mga geometric na sukat nito at ang bilang ng mga pagliko.

2. Ano ang tinatawag na impedance?

3. Paano nauugnay ang maximum at epektibong mga halaga ng kasalukuyang at boltahe sa isang alternating current circuit?

4. Kunin ang gumaganang formula para sa inductance ng solenoid.

5. Ilarawan ang phenomenon ng self-induction.

6. Ano ang pisikal na kahulugan ng inductance?

BIBLIOGRAPIYA

1. Saveliev I.G. Kurso ng pangkalahatang pisika. T.2, T. 4. - M .: Vyssh.

paaralan, 2002. - 325 p.

Mas mataas paaralan, 1970. - 448 p.

3. Kalashnikov S.G. Kuryente. - M .: Mas mataas. paaralan, 1977. - 378 p.

4. Trofimova T.I. Kurso sa pisika. - M .: "Academy"., 2006. - 560s.

5. Purcell E. Elektrisidad at magnetismo - M.: Nauka, 1971.p.

6. Detlaf A.A. Kurso ng pisika: Teksbuk para sa mga mag-aaral ng mas mataas na institusyong pang-edukasyon. - M .: "Academy", 2008. - 720 p.

7. Kortnev A.V. Workshop sa physics.- M.: Mas mataas. paaralan, 1968. p.

8. Iveronova V.I. Pisikal na pagawaan - M .: Fizmatgiz, 1962. - 956 p.

Mga pangunahing pisikal na pare-pareho Atomic unit a.mu. ) 10-15m 1, Compton waves K,p=h/ 1.3214099(22) 10-15m 1, Compton waves K,e=h/ 2.4263089(40) 10-12m 1, electron waves K ,e/(2) 3.8615905(64) 10-13m 1, Bohr magneton B=e/ 9.274078(36) 10-24J/T ) 10-27 J/T 3, neutron mass Electron mass 0.9109533 -30 kg ng ideal gas po sa ilalim ng normal na kondisyon (T0=273.15 K, p0=101323 Pa) Constant Avo- 6.022045(31 ) 1023 mol- Boltzmann gas constant 8.31441(26) J/(mol K) universal gravity constant G, 6.6720 (41) 10-11 N m2/kg2 5663706144 10-7H/m filament Quantum magnetic-F o = 2.0678506(54) 10-15Wb 2, radiation unang radiation pangalawang radiation electric (0c2) classical (4me) standard neutron proton electron- kumikilos 1 a.m.u.

N o t e. Ang mga numero sa panaklong ay nagpapahiwatig ng karaniwang error sa mga huling digit ng ibinigay na halaga.

Panimula

Mga pangunahing kinakailangan sa kaligtasan para sa gawaing laboratoryo sa pang-edukasyon na laboratoryo ng kuryente at electromagnetism

Mga pangunahing kaalaman sa mga pagsukat ng elektrikal

Laboratory work No. 31. Pagsukat ng halaga ng electrical resistance gamit ang Whitson R-bridge .................. Laboratory work No. 32. Pag-aaral ng dependence ng resistance ng mga metal sa temperatura

Lab #33 Pagtukoy sa capacitance ng capacitor gamit ang Wheatstone C-bridge

Laboratory work No. 34. Pag-aaral sa pagpapatakbo ng isang electronic oscilloscope

Laboratory work No. 35. Pag-aaral sa pagpapatakbo ng isang vacuum triode at pagtukoy ng mga static na parameter nito

Laboratory work No. 36. Electrical conductivity ng mga likido.

Pagpapasiya ng numero ng Faraday at singil ng elektron

Laboratory work No. 37. Pag-aaral sa mode ng operasyon ng RC generator gamit ang electronic oscilloscope

Laboratory work No. 38. Ang pag-aaral ng electrostatic field

Laboratory work No. 40. Pagpapasiya ng pahalang na bahagi ng lakas ng magnetic field ng lupa

Laboratory work No. 41. Ang pag-aaral ng zener diode at ang pag-alis ng mga katangian nito

Laboratory work No. 42. Pag-aaral ng vacuum diode at pagtukoy sa tiyak na singil ng isang electron

Laboratory work No. 43. Pag-aaral ng operasyon ng semiconductor diodes

Laboratory work No. 45. Pag-alis ng magnetization curve at hysteresis loop gamit ang electronic oscilloscope

Laboratory work No. 46. Damped electrical oscillations

Laboratory work No. 47. Ang pag-aaral ng sapilitang electrical oscillations at ang pag-alis ng isang pamilya ng resonant curves...... Laboratory work No. 48. Pagsukat ng resistivity

Lab #49 Pagtukoy sa Inductance ng isang Solenoid

Bibliograpiya

Aplikasyon …………………………………………… Dmitry Borisovich Kim Alexander Alekseevich Kropotov Lyudmila Andreevna Gerashchenko Elektrisidad at electromagnetism Laboratory workshop Uch.-ed. l. 9.0. Conv. hurno l. 9.0.

Inilimbag ng publishing house BrGU 665709, Bratsk, st. Makarenko,

Mga katulad na gawa:

“A.L. Gelgor E.A. POPOV SYSTEM NG DIGITAL TELEVISION BROADCASTING DVB-T STANDARD Inirerekomenda ng Educational and Methodological Association para sa University Polytechnic Education bilang isang tulong sa pagtuturo para sa mga mag-aaral ng mas mataas na institusyong pang-edukasyon na nag-aaral sa direksyon ng pagsasanay Technical Physics St. Petersburg Polytechnic University Publishing House 2011 Ministry of Education at Agham ng Russian Federation ST. PETERSBURG STATE POLYTECHNICAL UNIVERSITY Priyoridad...»

"physics nila. LV Kirensky noong 1996 Krasnoyarsk 1996 -2 PANGKALAHATANG IMPORMASYON Sa panahon ng 1996 ang Institute ay lumahok sa pagpapatupad ng apat na proyekto sa ilalim ng pang-agham at teknikal na programa ng estado; ang halaga ng pondo para sa kanila ay umabot sa 23,200 libong rubles (inaasahan na makatanggap ng isa pang 5,000 libong rubles sa pagtatapos ng ikaapat na quarter). Gumagana sa...»

“PROGRAM OF BASIC RESEARCH OF THE PRESIDIUM OF THE RAS No. 13 EXTREME LIGHT FIELDS AND THEIR APPLICATIONS REPORT for 2013 Moscow 2013 Inaprubahan ng Pangulo ng Russian Academy of Sciences Academician V.E. Fortov 2013 Comprehensive Program for Fundamental Research of the Presidium of the Russian Academy of Sciences No. 13 EXTREME LIGHT FIELDS AND THEIR APPLICATIONS REPORT for 2013 Program coordinators: Director of ILP SB RAS Academician _ S.N. Bagaev Scientific supervisor ng IAP RAS Academician A.V. Gaponov-Grekhov ULAT NG PAGGANAP NG PROYEKTO PARA...»

«MATHEMATICAL MODELS OF THE SPECTRAL THEORY OF DIELECTRIC WAVEGUIDES Textbook Kazan Kazan State University na pinangalanang V.I. Ulyanov-Lenin 2007 Nai-publish sa pamamagitan ng desisyon ng Department of Applied Mathematics ng Kazan State University Scientific editor Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Propesor N.B. Pleshchinsky Karchevsky E.M. Mga modelo ng matematika ng teorya ng parang multo ng mga dielectric waveguides. Teksbuk / E.M. Karchevsky. Kazan: Kazan State University...»

"Ang programa sa trabaho ng asignaturang Physics Ang antas ng programa ay pangunahing 7-11 na marka Binuo ng isang guro ng pisika ng pinakamataas na kategorya ng kwalipikasyon Shirokova G.A. 2013-2014 Ang mga programa sa trabaho sa physics Grade 7 Physics bilang isang agham ng pinaka-pangkalahatang mga batas ng kalikasan, na kumikilos bilang isang paksa sa paaralan, ay gumagawa ng isang makabuluhang kontribusyon sa sistema ng kaalaman tungkol sa nakapaligid na mundo. Inihayag nito ang papel ng agham sa pag-unlad ng ekonomiya at kultura ng lipunan, nag-aambag sa pagbuo ng modernong siyentipiko ... "

"Pedagogy at Ps at Chol tungkol sa g at I Series Moscow 2008 editorial board: Ryabov V.V. Doctor of Historical Sciences, Propesor, Tagapangulo, Rektor ng Moscow State Pedagogical University Atanasyan S.L. Kandidato ng Physical and Mathematical Sciences, Propesor, Bise-Rektor para sa Academic Affairs ng Moscow State Pedagogical University Pishchulin N.P. Doktor ng Philosophical Sciences, Propesor, Bise-Rektor para sa Pananaliksik sa Moscow State Pedagogical University Rusetskaya M.N. Kandidato ng Pedagogical Sciences, Associate Professor, Vice-Rector para sa Innovation Activities ng Moscow State Pedagogical University Editorial Board: Andriadi I.P. doktor ng pedagogical science, propesor,...»

«WINGS OF THE PHOENIX INTRODUCTION TO QUANTUM MYTHOPHYSICS Yekaterinburg Ural University Press 2003 LBC 86.3+87 I 84 Consultant - I. A. Pronin Editor - E. K. Sozina Teknikal na pag-edit at layout - A. V. Zarubin Irkhin V. Yu.. Andtnnelson84 M I. Phoenix. Panimula sa quantum mythophysics. - Yekaterinburg: Ural Publishing House. unta, 2003. - 263 p. Malawakang ginagamit ang mga awtorisadong teksto ng iba't ibang relihiyon, ngunit hindi nalilimutan ang kanilang pangunahing espesyalidad - teoretikal na pisika, sinusubukan ng mga may-akda ... "

“To EDMUND HUSERL sa karangalan at pagkakaibigan ay nakatuon kay Todtnauberg sa Bad. Schwarzwalde, Abril 8, 1926 Paunang salita sa ikapitong edisyon 1953 Treatise Being and Time ay lumitaw sa unang pagkakataon noong tagsibol ng 1927 sa Husserl's Yearbook on Phenomenology and Phenomenological Research vol. Ang kasalukuyang muling pag-print, na lumalabas sa ikasiyam na edisyon, ay hindi binago sa teksto, ngunit binago para sa mga pagsipi at bantas. Ang mga numero ng pahina ng muling pag-print ay pare-pareho hanggang sa ... "

Textbook sa PHYSICS para sa mga kurso sa paghahanda Ministry of Education ng Russian Federation Yaroslavl State University. P.G. Demidov Center para sa Karagdagang Edukasyon M.V. Kirikov, V.P. Alekseev Physics Textbook para sa mga kurso sa paghahanda Yaroslavl 1999 BBK Vya73 K43 Physics: Textbook para sa mga kurso sa paghahanda / Comp. M.V. Kirikov, V.P. Alekseev; estado ng Yaroslavl un-t. Yaroslavl, 1999. 50 p. Ang layunin ng manwal ng pagsasanay ay upang i-systematize at ulitin ang materyal na sakop ... "