Elektrichestvo_i_magnetizm_Gilev (1)

Лабораторный практикум по физике

располагается в плоскости магнитного меридиана Земли. В этой же плоскости должны быть расположены и витки катушки. Если по катушке пропустить ток, то магнитная стрелка отклонится от плоскости магнитного меридиана на некоторый угол α. Это объясняется тем, что на магнитную стрелку действуют два магнитных поля: магнитное поле Земли и магнитное поле, созданное током катушки. Магнитная стрелка расположится вдоль равнодействующей силы этих двух магнитных полей (рис.3). На рис.3 буквами А и В обозначены сечения витков катушки тангенс-буссоли горизонтальной плоскостью. В сечении А ток в витках катушки направлен «к нам», а в сечении В

– «от нас». Пунктирными окружностями изображены силовые линии магнитного поля катушки с током (стрелками указаны направления магнитных силовых линий). В соответствии с принципом

суперпозиции, вектор H - равнодействующая напряженность суммарного магнитного поля, равен

Рис. 3

Из рис. 3 видно, что горизонтальная составляющая поля может быть вычислена по известным значениям угла α и поля катушки:

закону Био-Савара-Лапласа.

Закон Био-Савара-Лапласа

Элемент тока I dl создает в некоторой точке А магнитное поле, напряженность которого зависит от параметров следующим образом:

Электричество и магнетизм

направление определяется правилом правого винта. Направления силовых линий магнитного

поля и вектора dH совпадают с направлением вращения винта с правой резьбой, движущегося поступательно в направлении тока.

как все элементы тока перпендикулярны радиус-вектору. Кроме того, длина бесконечно малого элемента тока равна dl R d , где R - радиус кругового тока, d - угол, опирающийся на

рассматриваемую дугу. Все элементы тока создают магнитное поле, перпендикулярное плоскости витка, и поэтому напряженность магнитного поля в центре кругового тока равна:

Экспериментальная часть

Электрическая схема установки изображена на рис. 5. Здесь введены обозначения: В – источник постоянного напряжения ВС-24м; R - реостат; П – переключатель; Т – тангенс-буссоль; mAмиллиамперметр.

Рис. 5

Измерения

1.Проверьте правильность собранной схемы. Ручка переключателя должна быть в вертикальном положении, т. е. цепь разомкнута.

Лабораторный практикум по физике

2.Установить катушку и магнитную стрелку в плоскости магнитного меридиана. При этом конец магнитной стрелки должен совпасть с 0 делением лимба.

3.Добиться горизонтального расположения столика тангенс-буссоли по уровню, вращая установочные винты.

4.Установить ручку потенциометра выпрямителя ВС-24м на 0. Этой ручкой регулировать величину силы тока цепи.

5.После проверки электрической схемы преподавателем или лаборантом замкнуть цепь.

6.Установить ток в цепи катушки 10 мА, фиксируя углы поворота концов магнитной стрелки

.

7.Изменить переключателем направление тока в катушке и измерить углы отклонения концов магнитной стрелки .

8.Проделать подобные измерения при увеличении тока в цепи через каждые 10 мА до 50 мА.

9.Результаты измерений записать в табл. 1.

10.Для каждого значения силы тока вычислить горизонтальную составляющую поля Земли

НГ, определить среднее значение <НГ>, вычислить абсолютные ошибки отдельных измерений и найти среднюю абсолютную ошибку < НГ>. Результаты вычислений записать в табл. 1.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что называют магнитным наклонением? Магнитным склонением? Горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли?

2.В какой плоскости устанавливается свободная магнитная стрелка?

3.Каково устройство тангенс-буссоли и в чем состоит ее принцип действия?

4.Чему равна напряженность магнитного поля, созданного током в проводнике, по закону Био-Савара-Лапласа?

5.Чему равна напряженность магнитного поля в центре кругового тока?

6.Какова формула, по которой определяют горизонтальную составляющую напряженности магнитного поля Земли в данной работе?

7.Какова единица измерения напряженности магнитного поля в системе СИ?

БИОГРАФИЧЕСКАЯ СПРАВКА

Никола Тесла (10.07.1856 - 7.01.1943) родился в Смолянах, в Лике (провинция Австро-Венгрии). Семья Тесла не разрешала ему учиться в Политехническом институте, в особенности отец, требовавший, чтобы он стал священником. Когда Никола тяжело заболел и стало ясно, что он может не выжить, отец согласился с желанием сына. Словно неким чудом, Тесла вскоре выздоровел. В 1875-1878 годах Тесла учился в Политехническом институте в Граце (Австро-Венгрия), затем - в Пражском университете. Его первая должность - служащий телеграфного учреждения

Электричество и магнетизм

в Будапеште. В 1883 году Тесла начинает работать в Страсбурге в Континентальной компании Эдисона и строит модель первого индукционного мотора. В 1884 году уезжает в Нью-Йорк для работы в лаборатории Эдисона. Хотя Эдисон взял его в свою команду, отношения у них не сложились. Система Эдисона использовала постоянный ток, для чего приходилось через каждые несколько миль строить мощные станции. Тесла попытался убедить его в том, что переменный ток более эффективен и менее дорог. Но Эдисон упорствовал, не поддержав его планы относительно использования переменного тока. В конце концов они полностью поссорились, когда Тесла заявил Эдисону, что сможет на практике подтвердить простоту создания новых машин и выгоду их использования. Эдисон пообещал ему 50 тысяч долларов за проведение таких работ на одном предприятии. Тесла подготовил двадцать четыре типа устройств и полностью преобразил завод. На Эдисона это произвело огромное впечатление, тем не менее, оплата так и не была произведена. Изобретатель Джордж Вестингхаус (George Westinghouse) считал Тесла гением. Он купил патенты на разработанные Тесла системы передачи и распределения многофазных токов (включая генераторы, электродвигатели и трансформаторы) и применил их в своей гидроэлектростанции на Ниагарском водопаде. Продажа патентов принесла Тесла около 15 миллионов долларов, что по тем временам составляло огромное состояние. Слава гениального безумца, преследовавшая его, в чем-то соответствовала действительности. Странностей у Тесла хватало. Он панически боялся микробов, поселялся в отеле только в том случае, если номер его апартаментов был кратен трѐм. Фобии и навязчивые состояния сочетались у Тесла с поразительной энергией. Никола Тесла получил финансовую независимость и внимание публики к своим разработкам. В 1888 он открыл явление вращающегося магнитного поля, на основе которого построил электрогенераторы высокой и сверхвысокой частот. В 1891 году сконструировал резонансный трансформатор (трансформатор Тесла), позволяющий получать высокочастотные колебания напряжения с амплитудой до миллиона вольт, и первым указал на физиологическое воздействие токов высокой частоты. Изобретения Тесла иногда находили весьма необычное применение. Архив известного английского физика и химика сэра Вильяма Крукса содержит многочисленные записи спиритических сеансов, в которых использовалась аппаратура Тесла. С 1936 по 1942 год Никола Тесла был директором проекта "Радуга", в рамках которого был проведѐн печально известный Филадельфийский эксперимент. Согласно официальным данным, он умер 7 января 1943 года. Все его лабораторные записи, письма, дипломы перешли по наследству к племяннику Саве Косановичу, который основал в Белграде музей Николы Тесла. Секретная документация из его сейфа была изъята и более никогда и нигде не упоминалась.

Жан Батист БИО (21.04.1774 - 3.02.1862) родился в Париже. Учился в Политехнической школе. С 1800 г. - профессор Коллеж де Франс. С 1803 года - член Парижской академии наук, а с 1809 года - профессор Парижского университета. Основные научные работы посвящены оптике, электромагнетизму, акустике и истории науки. В 1815 году обнаружил оптическую активность некоторых жидкостей, установив, что они обладают способностью вращать плоскость поляризации. Открыл закон вращения плоскости поляризации света (закон Био). Исследования Био по вращению плоскости поляризации света в кристаллах и органических веществах положили начало сахарометрии. В 1820 году вместе с Ф.Саваром открыл закон электродинамики, определяющий напряженность магнитного поля прямого тока (закон Био - Савара). Автор широко известного в свое время курса физики. С 1819 года является членом Петербургской академии наук.

Феликс Савар (30.06.1791 - 16.03.1841) родился. в Мезьере. Врач по образованию, он долго работал военным хирургом. С 1816 года занялся физикой. Был профессором Коллеж де Франс, с 1827 года являлся членом Парижской академии наук. Научные работы относятся к акустике, электромагнетизму, оптике, гидромеханике. Проводил исследования границы слышимости, изобрел прибор для определения частоты звука (колесо Савара), изучал акустический резонанс, разрабатывал физические основы конструирования струнных инструментов, предложил конструкцию сирены. В 1820 году вместе с Ж. Б. Био экспериментально открыл закон электродинамики, определяющий величину напряженности магнитного поля, создаваемого

Лабораторный практикум по физике

электрическим током (закон Био - Савара). Изобрел для изучения поляризованного света кварцевую пластинку (пластинка Савара), полярископ.

Лабораторная работа № 8

ИЗМЕРЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА ПРИ ПОМОЩИ МАГНЕТРОНА

Цель работы: экспериментальное определение удельного заряда электрона, изучение движения заряженных частиц в поперечном магнитном поле.

Приборы и оборудование: магнетрон, источник анодного напряжения и накала катода, соленоид, источник питания соленоида, амперметр, вольтметр.

Основы теории

Одним из электрических способов определения удельного заряда электрона e / m является метод магнетрона

Магнетрон представляет собой двухэлектродную электронную лампу с накаливаемым катодом и холодным анодом, помещенную в магнитное поле. Это поле в данной работе создается соленоидом. Катод лампы располагается вдоль оси цилиндрического анода, так что электрическое поле направлено по радиусу. Лампа помещается внутри соленоида, создающего магнитное поле, индукция которого параллельна катоду.

Рассмотрим движение электрона под действием электрического и магн итного полей, перпендикулярных друг другу. На рис.1 изображены траектории электронов в пространстве между катодом и анодом при различных значениях индукции магнитного поля соленоида. При отсутствии магнитного поля ( B ) электроны, испускаемые накаливаемым катодом, под действием электрического поля между катодом и анодом движутся по радиальным траекториям. Если же индукция магнитного поля отлична от нуля ( B ), то на движущиеся электроны будет действовать сила Лоренца, численное значение которой равно:

где е - заряд электрона; В - индукция магнитного поля соленоида; V- скорость электрона; - угол между направлением вектора скорости электрона и вектора индукции магнитного поля.

Так как сила Лоренца всегда перпендикулярна вектору скорости, а следо вательно, и любому элементу траектории электрона, то работу она не совершает, а значит не изменяет кинетическую энергию и значение скорости электрона. Магнитное поле соленоида лишь искривляет траекторию электрона.

Рис.I.

При слабом поле ( B BКР ) траектория электрона несколько искривляется, но электрон все же попадает на анод. При некотором критическом значении индукции магнитного поля

Электричество и магнетизм

( B BКР ) траектория электрона лишь коснется анода. При дальнейшем увеличении индукции магнитного поля ( B BКР ) электрон не попадает на анод и возвращается к катоду.

За критическое значение индукции магнитного поля BКР принимается то его значение,

начиная с которого электроны не будут достигать анода.

Если пренебречь начальными скоростями электронов и считать, что они движутся с постоянной скоростью, то сила Лоренца будет равна произведению массы электрона и его центростремительного ускорения:

mV 2

F . (8.2) r

На основании уравнений (8.1) и (8.2), получим:

где m - масса электрона, V – его скорость, r - радиус кривизны траектории электрона в магнитном поле, e - заряд электрона, B - индукция магнитного поля соленоида.

При критическом значении индукции магнитного поля радиус кривизны траектории электронов равен

где b - радиус цилиндрического анода, rк - радиус нити катода.

Если радиус нити катода rк много меньше радиуса анода лампы, то радиус кривизны траектории электронов будет равен половине радиуса анода:

Из формулы (8.3), с учетом равенства (8.5), можно выразить удельный заряд электрона через критическое значение индукции магнитного поля:

Скорость электрона V можно определить из энергетического равенства работы электрического поля по перемещению электрона от катода к аноду и изменения его кинетической энергии:

Вычислив отсюда скорость электрона и подставив результат в (8.6), получим формулу для определения удельного заряда электрона:

Лабораторный практикум по физике

Рис. 2

На рис. 2 изображена принципиальная схема экспериментальной установки, предназначенной для определения удельного заряда электрона. Магнитное поле, в котором движется электрон, создается соленоидом. Внутри соленоида расположена электронная магнетронная лампа. Силовые линии поля параллельны катоду и перпендикулярны вектору скорости электрона. Индукция магнитного поля соленоида конечной длины зависит от его

Рис.3

Экспериментальнаячасть

Измерения

1. Собирают установку по схеме на рис. 2 . Ключ К разомкнут.

2. После проверки схемы преподавателем включают установку в сеть и потенциометром устанавливают требуемое значение анодного напряжения U a .

3. Спустя 5 минут (время установления значения тока в цепи анода и время прогревания катода) включают ключ К цепи соленоида. Реостатом увеличивают силу тока соленоида IC от нуля, отсчитывая по амперметру. Одновременно следят по миллиамперметру за уменьшением анодного тока до минимального. Значения силы тока Iс и

соответствующие значения тока Iа заносят в табл. I.

тока Ia, соответствующих двум соседним значениям тока соленоида Ic. Величина характеризует крутизну спадания анодного тока под действием магнитного поля,

КОНТРОЛЬНЫЕВОПРОСЫ

1.Что такое магнетрон?

2.Каково численное значение силы Лоренца? Как определить ее направление? Почему сила Лоренца не изменяет численного значения скорости электрона?

3.Как определить численное значение и направление индукции магнитного поля на оси соленоида?

4.Как движется электрон при индукции магнитного поля , равной критической, превышающей критическое значение?

5.В чем суть метода магнетрона определения удельного заряда электрона?

Лабораторный практикум по физике

Лабораторная работа № 9

ГРАДУИРОВКА ТЕРМОПАРЫ

Цель работы: исследование зависимости термоэлектродвижущей силы от разности температур спаев, определение удельной э.д.с.

Приборы и оборудование: термопара, термометр, два сосуда с водой, электроплитка, потенциометр.

Основы теории

Впервые термоэлектрические явления были обнаружены Т.И.Зеебеком в 1821 г. Термопары широко применяются на практике для измерения температуры. Особенно это важно для измерения очень высоких и очень низких температур, где нельзя применять обыкновенные термометры, например, внутри доменных печей или внутри емкостей, содержащих жидкие газы. Для этой цели используют термопары, в которых имеется два спая разнородных металлов. При этом один спай термопары поддерживают при постоянной температуре, а второй помещают в ту часть среды, в которой измеряется температура. При различии этих температур в цепи появится термоэлектродвижущая сила, величина которой пропорциональна разнице температур. При этом величину э.д.с. и ток в цепи измеряют приборами, шкалы которых градуируют в градусах Цельсия или Кельвина. Для измерения температур ниже 800°С наиболее употребительными являются пары: хромаль - копель, хромаль - алюмель, константан-железо, никель-железо и другие. Для измерения температур до 1700°С применяют платина - платинородиевые термопары.

Термоэлектрический термометр обладает существенными преимуществами перед ртутным. Он очень чувствителен, имеет малую температурную инерцию, применим в широком диапазоне температур, позволяет измерять температуру малых объемов среды. Кроме того, он допускает дистанционные измерения, т.е. определение температуры объекта, расположенного на большом расстоянии от места измерения или недоступного для непосредственного измерения, что дает возможность автоматизировать производственные процессы.

Работа выхода

Валентные электроны в атомах металла, слабо связанные со своими ядрами, могут покидать атом. Они образуют так называемый электронный газ внутри проводника. Вследствие хаотического теплового движения свободные электроны обладают кинетической энергией. Если по какой-либо причине электрон выйдет за пределы металла, то на его поверхности образуется избыточный положительный заряд, который взаимодействует с отрицательно заряженным электроном. Под действием кулоновской силы притяжения электрон возвращается на поверхность металла. Наиболее быстрые электроны вылетают из металла и удаляются от его поверхности на несколько межатомных расстояний (порядка 10-10 м). В результате около поверхности образуется электронное облако, несущее определенный отрицательный заряд, а поверхность металла заряжается положительно. Таким образом, получается некоторое подобие плоского конденсатора. Электрон, покидающий металл, должен преодолеть задерживающее поле этого двойного слоя зарядов, т.е. совершить определенную работу. Наименьшая величина этой работы называется работой выхода. Она равна A , где e - заряд электрона; - величина, называемая потенциалом

выхода (измеряется в вольтах).

Работу выхода в системе СИ измеряют в Дж, но часто используют такую единицу, как эВ. Один электрон-вольт равен работе электрического поля по перемещению электрона между

Чем больше работа выхода, тем труднее электрону вылететь из металла. Величина работы выхода зависит от химической природы металла и чистоты его поверхности. У различных

Электричество и магнетизм

проводников работа выхода электрона разная и практически не зависит от температуры. Кинетическая же энергия электронов зависит только от температуры проводника.

Контактная разность потенциалов

Если привести в соприкосновение два разнородных металла I и 2 (рис.1), то один из них зарядится положительно, а другой - отрицательно, и между ними возникает так называемая контактная разность потенциалов U .

Рис. 1 А. Вольта экспериментально исследовал это явление и еще в 1797 г. установил два следующих

закона:

I. Величина контактной разности потенциалов не зависит ни от формы, ни от размеров проводников, а определяется лишь химическим составом металлов и температурой в месте их соприкосновения.

II. Разность потенциалов между концами цепи, которая состоит из последовательно соединенных различных металлических проводников, находящихся при одинаковой температуре, не зависит от химического состава промежуточных проводников и равна разности потенциалов, которая бы возникла при непосредственном соединении крайних проводников.

Классическая электронная теория объясняет происхождение контактной разности потенциалов следующим образом.

Рассмотрим поведение электронов в контактном слое двух разных металлических проводников, у которых температура и концентрация электронов одинаковые, а работы выхода различные. Электроны легче переходят из металла, работа выхода которого имеет меньшее значение, в металл с большей работой выхода. Первый металл при этом заряжается положительно, второй - отрицательно. На их границе возникает двойной слой разноименных зарядов, внутри которого существует электрическое поле. Это поле будет тормозить дальнейший переход электронов из первого металла во второй и в то же время способствовать их обратному переходу. В результате между этими двумя процессами устанавливается динамическое равновесие, при котором напряженность поля в двойном слое и разность потенциалов, до которой заряжаются металлы, достигают максимального значения.

Если работа выхода электрона из металла 1 равна A1, а из металла 2 равна А2 , причем A1 < А2, то электроны будут переходить из металла 1 (он зарядится положительно) в металл 2 (зарядится отрицательно) до тех нор, пока между ними не возникнет разность потенциалов:

Знак "минус" показывает, что A1 < А2 .

Другой причиной электризации металлов при их контакте является различие концентраций в них свободных электронов (среднее количество электронов в единице объема). Предположим, что у двух проводников 1 и 2 работы выхода одинаковые, A1 = А2 а концентрации свободных электронов разные n1 > n2. При контакте таких проводников начинается диффузия электронов. Их переход преимущественно будет происходить из проводника 1, где плотность электронного газа больше, в проводник 2, где плотность меньше.

В результате первый металл, теряющий часть электронов, зарядится положительно, а второй металл, получающий избыток электронов, зарядится отрицательно. Это также приводит к образованию на границе металлов двойного слоя зарядов, после чего устанавливается динамическое равновесие двух встречных потоков электронов, то есть прекращается их преимущественный перенос. Таким образом, между проводниками возникнет разность потенциалов, которая, согласно теоретическому расчету, зависит от соотношения концентраций свободных электронов в металлах и от температуры: