Опис приладів та методу вимірювань

Тангенс-гальванометр (рис. 240.2) складається з круглої вертикальної рамки радіуса R, на яку намотано n витків ізольованого дроту, через які проходить постійний струм. У центрі цієї рамки міститься компас.

При відсутності струму в рамці вісь стрілки компаса знаходиться у площині магнітного меридіана. Повертаючи рамку навколо вертикальної осі, можна встановити її паралельно площині магнітного меридіана; якщо після цього по рамці пропустити струм, то магнітна стрілка відхилиться на деякий кут α (рис. 240.3).

Пояснюється це тим, що на магнітну стрілку будуть діяти два поля: магнітне поле постійного струму в рамці Н_k і горизонтальна складова магнітного поля Землі Н_Г. Магнітна стрілка займає таке положення, при якому її напрям збігається з напрямом сумарного магнітного поля. Із рис. 240.3 видно, що tgα = Н_k /Н_Г, оскільки площина рамки була розташована в площині магнітного меридіана (Н_k ⊥ Н_Г).

Таким чином, Н_Г = Н_k / tgα, де – напруженість магнітного поля колового струму рамки; І – сила струму в рамці.

Щоб похибки вимірювань були найменшими внаслідок неточної установки рамки в площині магнітного меридіана, вимірювання треба проводити при двох протилежних напрямах струму у витках рамки.

Струм від джерела постійного струму і напруга на рамці регулюються реостатом, а напрям струму змінюється за допомогою двохпозиційного перемикача.

Порядок виконання роботи

1. Зібрати схему і виставити движок потенціометра на найменшу напругу.

2. Встановити площину рамки у площині магнітного меридіана, а лімб тангенс-гальванометра повернути так, щоб поділка «0» збігалася з положенням магнітної стрілки.

3. Ввімкнути схему в мережу і встановити такий струм у рамці за допомогою потенціометра, щоб кут відхилення стрілки компаса був близьким до 25…30º.

4. За допомогою перемикача поміняти напрям струму і кут α' відхилення стрілок компаса. Дані вимірювань записати в таблицю 240.2.

5. За допомогою перемикача поміняти напрям струму, що проходить через рамку, виміряти кут відхилення стрілки α''. Результати вимірювань записати у таблицю 240.2.

6. Змінюючи силу струму (на 5…10%), повторити пп. 4-5 для п’яти значень сили струму.

7. Записати у таблицю 240.2 значення радіуса R рамки і число витків у ній n.

 

Таблиця 240.2

R = _____м; n = _____ витків

№	І, А	α', ^о	α'', ^о	α=(α'+ α'') / 2, ^о	tg α	Нг, А/м	ΔНг, А/м
Сер.

 

8. За формулою обчислити горизонтальну складову напруженості магнітного поля Землі для Полтави.

9. Визначити середнє значення Н_Гс і похибку її вимірювань.

Контрольні питання

1. Назвати характеристики магнітного поля і встановити зв'язок між ними.

2. Сформулювати й записати математично закон Ампера.

3. Записати закон Біо-Саварра-Лапласа.

4. Як визначається напрям індукції магнітного поля та сили Ампера у будь-якій точці простору?

5. Чому дорівнює індукція магнітного поля прямолінійного і колового струму?

 

Лабораторна робота № 242

 

ДОСЛІДЖЕННЯ ЯВИЩА ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ІНДУКЦІЇ В ЗМІННИХ МАГНІТНИХ ПОЛЯХ

Мета роботи: дослідити явище електромагнітної індукції в змінних магнітних полях.

Прилади та обладнання: соленоїд, знижувальний трансформатор, дві циліндричні котушки різного діаметра з різною кількістю витків, мілівольтметр із великим вхідним опором.

Теоретичні відомості

Відповідно до закону електромагнітної індукції електрорушійна сила індукції у контурі пропорційна і протилежна за знаком швидкості зміни магнітного потоку Ф крізь поверхню, обмежену контуром

.

Для котушки, що містить N витків, розташованої в магнітному полі соленоїда, значення Ф_т дорівнює сумі потоків Ф пронизуючих її окремі витки

.

Магнітний потік крізь поверхню, обмежену одним витком контуру Ф_т1, дорівнює добутку проекції вектора на напрямок нормалі до площини витка на величину площі цієї поверхні S:

.

Якщо витки котушки, поміщеної в середину соленоїда, перпендикулярні до його осі, то виконується умова = В, де В - модуль вектора поля соленоїда, і виникаюча в котушці ЕРС дорівнює

.

На осі довгого соленоїда в середній його частині індукція магнітного поля

,

де - магнітна постійна ( = Гн/м);

- магнітна проникність середовища,

n - число витків, що припадають на одиницю довжини соленоїда,

І - сила струму, що протікає по витках соленоїда.

Тоді

.

Оскільки соленоїд живиться змінним струмом із частотою 50 Гц (, де - амплітудне значення струму), то

та .

Максимальне (амплітудне) значення ЕРС, індукованої в котушці, визначається формулою

,

або

,

де - амплітудне значення напруги, що живить соленоїд.

R - опір витків соленоїда.

У даній лабораторній роботі матеріал котушки – дерево (m = 1), n = 50 Гц. Тоді розрахункова формула набуває вигляду:

. (1)

Необхідно пам'ятати, що всі електровимірювальні прилади градуюються за діючим чи ефективним значенням струму - , напруги та для гармонічних струмів існує зв'язок

; ; .

Порядок виконання роботи

1. Зібрати схему живлення соленоїда (рис. 242.1).

2. Подати на соленоїд живлення напругою = 24 В (або 21,5 В).

3. Виміряти напругу між клемами: 1-2, 1-3, 1-4, 2-3, 2-4, 3-4 першої котушки (d₁ = 44 мм) і записати їх у таблицю.

4. Зробити такі ж виміри для другої котушки (діаметр d₂ = 33 мм) і записати в таблицю

Рис. 242.1

 

Таблиця 242.1

U0 = ____В

1-2

1-3

1-4

2-3

2-4

3-4

εі, В

εі.обч, В

εі, В

εі.обч, В

εі, В

εі.обч, В

εі, В

εі.обч, В

εі, В

εі.обч, В

εі, В

εі.обч, В

d1 = ___мм

N1-2

N1-3

N1-4

N2-3

N2-4

N3-4

d2 = ___мм

N1-2

N1-3

N1-4 =

N2-3

N2-4

N3-4

5. Обчислити площі витків () у квадратних метрах. Опір соленоїда R = 95 Ом; n = 3200 витків/метр.

6. Обчислити ε_і.обч за формулою (1) і результати записати в таблицю.

7. Порівняти експериментальні та обчислені значення величин електрорушійних сил.

8. Зробити висновок.

Контрольні питання

1. У чому полягає явище електромагнітної індукції? Наведіть приклади.

2. Сформулюйте основний закон електромагнітної індукції.

3. Що таке магнітний потік? Сформулюйте теорему Остроградського-Гаусса для магнітного поля.

4. Від яких величин залежить індукція магнітного поля в точці, що лежить на осі соленоїда? Як спрямований вектор індукції магнітного поля?

5. Довести, що електричне поле, збуджене змінним магнітним полем, є вихровим.

Лабораторна робота № 250