Лаб_магнетизм_№5_2012

УДК 51.(07) О-62

Методичні вказівки до лабораторних робіт для студентів всіх спеціальностей. / Горбачук М.Т., Потапов А.О., Щербина О.І.: - Київ: КНУТД, 2012. – 22 с. Укр. мовою.

2

ПЕРЕДМОВА

Фізичний практикум має на меті дати можливість студенту самому спостерігати основні фізичні явища, навчитись використовувати вимірювальні прилади, познайомитись з найважливішими методами вимірювань. Важливо отримати і закріпити навички ведення лабораторного протоколу, побудови графіків, оцінки достовірності отриманих результатів.

Для виконання лабораторної роботи студенту має ознайомитись з описанням роботи, теорією фізичних явищ, які в ній вивчаються, експериментальною установкою. Теорія майбутньої лабораторної роботи вивчається за підручниками, конспектом лекцій, методичними вказівками.

При підготовці до лабораторної роботи складається протокол згідно інструкцій в методичних вказівках, який включає теоретичні відомості про суть фізичного явища, що вивчається, основні розрахункові формули для вимірюваних фізичних величин та їх похибок, таблиці для запису вимірюваних величин, схему установки.

Виконавши всі необхідні вимірювання і записавши їх до протоколу потрібно показати викладачу для перевірки. Бажано зробити контрольний розрахунок по одному з отриманих наборів експериментальних даних.

До наступного заняття результати вимірювань потрібно обробити згідно методичних вказівок: побудувати графіки, виконати обчислення шуканих величин і їх похибки, правильно округлити і записати остаточні результати. Потрібно опрацювати теоретичний матеріал і, для самоконтролю, відповісти на контрольні запитання.

3

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 31

Визначення сталої тангенс-буссолі і горизонтальної складової напруженості магнітного поля Землі.

В даній роботі для визначення горизонтальної складової вектора напруженості магнітного поля Землі використовується тангенс-буссоль. Тангенс-бусоль - прилад для визначення напрямку і величини магнітного поля, в основі якого є магнітна стрілка компаса, що розміщена в центрі колового контура.

Якщо в площині магнітного меридіану, тобто в площині, що проходить через північний і південний полюс Землі, розмістити круговий провідник і в

поле струму HІ, направлене перпендикулярно до Hз.

Напруженість магнітного поля колового струму І на осі при n витках

де I – сила струму, що протікає по витках провідника; r – радіус колового провідника.

Оскільки горизонтальна складова напруженості магнітного поля Землі в даному місці для даного моменту часу є величина стала, а напруженість HІ магнітного поля колового струму буде тим більшою, чим більший електричний струм, то кут відхилення магнітної стрілки α буде зростати при збільшенні сили електричного струму. В результаті взаємодії двох магнітних полів стрілка встановлюється в положення рівноваги .

З Рис. 1. видно, що H = H з tg(α) , тобто враховуючи (1)

4

5

Конструкція тангенс–буссолі дозволяє повертати її навколо вертикального вісі, для суміщення площини колового струму і площини магнітного меридіану.

Хід виконання лабораторної роботи

1.Тангенс-буссоль потрібно встановити як можна далі від залізних предметів і конструкцій таким чином, щоб площина кругового провідника співпадала з площиною магнітного меридіану. Для цього потрібно звільнити стрілку від аретиру і повернути круговий провідникрамку буссолі так, щоб магнітна стрілка знаходилась в площині рамки.

2.Після перевірки викладачем електричної схеми, потрібно ввімкнути джерело живлення і виміряти силу струму І та кут відхилення стрілки α1. Далі, перемикачем SA потрібно змінити напрямок струму в колі і знову

виміряти кут відхилення стрілки α2. В таблицю вимірів заноситься середне значення α = α1 +2α2 , щоб зменшити вплив на результат вимірювання неточності взаємного розташування кругового контуру і магнітної стрілки.

3.За допомогою реостата R змінити величину сили струму в круговому провіднику, виміряти силу струму і відповідного їй відхилення стрілки, що потрібно повторити 5-7 разів, змінюючи силу струму від 0 до максимального значення.

4.Результати вимірювань занести в таблицю 1.

Таблиця 1

Опрацювання результатів вимірів

1.Згідно (3) сила струму I є лінійною функцією tg(α). Методом найменших квадратів розрахувати сталу тангенс-бусолі С і її довірчу границю.

2.За (5) розрахувати найбільш імовірне значення горизонтальної складової магнітного поля Землі НЗ.

6

3.Розрахувати довірчу границю похибки результату вимірювання напруженості магнітного поля Землі.

Контрольні запитання

1.Яка величина є силовою характеристикою магнітного поля? Дайте її визначення.

2.В чому полягає закон Біо-Савара-Лапласа? Як розрахувати напруженість магнітного поля в центрі кругового струму.

3.Що являє собою тангенс-буссоль? Яким чином можна визначити її сталу?

4.Як розраховується горизонтальна складова напруженості магнітного поля Землі? Поясніть порядок обчислення довірчої границі похибки результату визначення напруженості магнітного поля Землі?

5.Поясніть, чому горизонтальна складова вектора напруженості магнітного поля Землі і магнітного поля котушки тангенс-буссолі мають бути взаємно перпендикулярні?

7

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 32

Визначення питомого заряду електрону методом магнетрона і визначення розподілу електронів по швидкостях

Вцій роботі визначається відношення e/m (питомий заряд) для електронів методом магнетрону. Назва роботи обумовлена тим, що конфігурація електричного і магнітного полів застосованої в роботі аналогічна до конфігурацію полів в магнетронах – надвисокочастотних генераторах електромагнітних коливань .

Вмагнетроні електрони, отримані в результаті термоелектронної емісії з

соленоїді, який створює магнітне поле, напрямок вектора магнітної індукції якого паралельний осі лампи.

Розглянемо траєкторію електронів, що рухаються в лампі під дією схрещених електричного і магнітного полів. Для цього застосуємо циліндричну систему відліку, тобто описуватимемо положення точок відстанню від осі циліндра r, полярним кутом θ і зміщенням вздовж осі z (Рис. 1).

Напруженість електричного поля має тільки радіальну компоненту Er. Тому сила, що діє на електрон в такому полі, спрямована вздовж радіусу:

Тобто ні магнітні ні електричні сили, що діють на електрон, не мають складових вздовж осі z.

8

Розглянемо тепер рух електронів вздовж радіуса. Робота сил електричного поля, яка виконується при переміщенні електрона від катоду до точки з потенціалом U, W = e U . Магнітне поле не виконує роботи. Тому робота приведе до збільшення кінетичній енергії електрону на величину

e U = 12 m V 2 = 12 m (Vr2 +Vθ2 ).

З допомогою (3) і (7) знаходимо

індукції магнітного поля Вкр траєкторія закручується настільки, що потік електронів ледь торкається аноду. Нарешті, при B > Bкр , електрони взагалі не

потрапляють на анод і кружляють в просторі між анодом і катодом – це має назву «магнетронний ефект». Величину Вкр можна знайти з (8), зауваживши, що радіальна швидкість електрону при (при радіусі аноду) дорівнює нулю:

U A = e Bкр2 ra2 / 8m .

Перетворивши цей вираз і враховуючи, що B = µ µ0 IC n , знаходимо:

де Iкр – значення сили струму в соленоїді, що відповідає значенню Bкр; n – число витків на одиницю довжини соленоїда.

Позначивши величину = A , сталу для даної установки,

отримаємо

Приблизна залежність анодного струму від сили струму в соленоїді зображена на рис. 3 (неперервна лінія).

Наведені вище розрахунки справедливі, якщо всі електрони біля катоду мають радиальну складову швидкості близьку до нуля. В цьому випадку всі електрони при B < Bкр потрапили б на анод, а при B > Bкр всі вони б повернулись

на катод, не досягнувши аноду. Анодний струм при цьому змінювався б як показано на рис.3. неперервною лінією. Відповідне значення сили струму

10