ورشة عمل مختبر الكهرومغناطيسية في الفيزياء الميكانيكية العسكرية. الكهرومغناطيسية. أعمال المختبر. ما هي وحدة قياس الحث

9. أدخل البيانات التي تم الحصول عليها في النصف العلوي من الجدول 2، مع عرض النتائج في النموذج.

10. اضغط على المفتاح 10، والذي سيسمح لك بإجراء القياسات وفقًا للرسم البياني في الشكل. 2 (قياس الجهد الدقيق). تنفيذ العمليات المحددة في الفقرات. 3-8، مع الاستعاضة في الفقرة 6 عن الحساب باستخدام الصيغة (9) بالحساب باستخدام الصيغة (10).

11. أدخل البيانات التي تم الحصول عليها أثناء العمليات الحسابية والقياسات مع الضغط على المفتاح 10 (انظر الفقرة 10) في النصف السفلي من الجدول 2، مع تقديم نتائج القياس في النموذج وضع التشغيل قياس تيار دقيق قياس جهد دقيق 1. ما هو الغرض من العمل؟

2. ما هي طرق قياس المقاومة النشطة المستخدمة في هذا العمل؟

3. وصف إعداد العمل وتدفق التجربة.

4. اكتب صيغ العمل واشرح المعنى الفيزيائي للكميات المتضمنة فيها.

1. صياغة قواعد كيرشوف لحساب الدوائر الكهربائية المتفرعة.

2. اشتقاق صيغ العمل (9) و (10).

3. ما هي النسب R و RA و RV التي يستخدمون بها نظام القياس الأول؟ ثانية؟ يشرح.

4. مقارنة النتائج التي تم الحصول عليها في هذا العمل باستخدام الطريقتين الأولى والثانية. ما هي الاستنتاجات التي يمكن استخلاصها فيما يتعلق بدقة القياسات باستخدام هذه الطرق؟ لماذا؟

5. لماذا في الخطوة 4 تم ضبط المنظم على هذا الوضع بحيث تنحرف إبرة الفولتميتر بمقدار 2/3 على الأقل من المقياس؟

6. صياغة قانون أوم لقسم متجانس من السلسلة.

7. صياغة المعنى الفيزيائي للمقاومة. ما هي العوامل التي تعتمد عليها هذه القيمة (انظر العمل رقم 32)؟

8. ما هي العوامل التي تعتمد عليها المقاومة R لموصل معدني متجانس الخواص؟

تحديد محاثة الملف اللولبي

الغرض من العمل هو تحديد محاثة الملف اللولبي من خلال مقاومته للتيار المتردد.

الأدوات والملحقات: ملف لولبي للاختبار، مولد صوت، راسم الذبذبات الإلكتروني، مقياس التيار المتردد، أسلاك التوصيل.

ظاهرة الحث الذاتي. الحث يتم ملاحظة ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي في جميع الحالات عندما يتغير التدفق المغناطيسي الذي يمر عبر دائرة موصلة. على وجه الخصوص، إذا كان التيار الكهربائي يتدفق في دائرة موصلة، فإنه يخلق تدفقًا مغناطيسيًا F يخترق هذه الدائرة.

عندما تتغير القوة الحالية في أي دائرة، يتغير التدفق المغناطيسي Ф أيضًا، ونتيجة لذلك تظهر القوة الدافعة الكهربائية (EMF) الحثية في الدائرة، مما يسبب تيارًا إضافيًا (الشكل 1، حيث 1 هو موصل دائرة مغلقة، 2 هي خطوط قوة المجال المغناطيسي التي تم إنشاؤها في الدائرة الحالية). تسمى هذه الظاهرة بالحث الذاتي، ويسمى التيار الإضافي الناتج عن الحث الذاتي EMF بتيار الحث الذاتي الإضافي.

تُلاحظ ظاهرة الحث الذاتي في أي دائرة كهربائية مغلقة يتدفق فيها تيار كهربائي، وذلك عندما تكون هذه الدائرة مغلقة أو مفتوحة.

دعونا نفكر في ما يعتمد عليه حجم الحث الذاتي emf s.

يتناسب التدفق المغناطيسي F الذي يخترق دائرة موصلة مغلقة مع الحث المغناطيسي B للمجال المغناطيسي الناتج عن التيار المتدفق في الدائرة، ويتناسب الحث B مع قوة التيار.

ثم يتناسب التدفق المغناطيسي F مع القوة الحالية، أي.

حيث L هو محاثة الدائرة، H (هنري).

من (1) نحصل على: محاثة الدائرة L هي كمية فيزيائية عددية تساوي نسبة التدفق المغناطيسي Ф الذي يخترق دائرة معينة إلى حجم التيار المتدفق في الدائرة.

هنري هو محاثة الدائرة التي يظهر فيها تدفق مغناطيسي قدره 1Wb عند تيار 1A، أي. 1 جيجا = 1.

وفقا لقانون الحث الكهرومغناطيسي، بالتعويض (1) في (3)، نحصل على emf الحث الذاتي:

الصيغة (4) صالحة لـ L=const.

تظهر التجربة أنه مع زيادة الحث L في الدائرة الكهربائية، يزداد التيار في الدائرة تدريجيًا (انظر الشكل 2)، ومع انخفاض L، يتناقص التيار ببطء أيضًا (الشكل 3).

تتغير قوة التيار في الدائرة الكهربائية عند إغلاقها، وتظهر منحنيات تغير القوة الحالية في الشكل. 2 و 3.

يعتمد محاثة الدائرة على شكل الدائرة وحجمها وتشوهها، وعلى الحالة المغناطيسية للبيئة التي توجد فيها الدائرة، وكذلك على عوامل أخرى.

دعونا نجد محاثة الملف اللولبي. الملف اللولبي عبارة عن أنبوب أسطواني مصنوع من مادة غير مغناطيسية وغير موصلة، يتم لف سلك معدني رفيع موصل عليه بإحكام، ويدور بدوره. في التين. يوضح الشكل 4 مقطعًا عرضيًا للملف اللولبي على طول قطر الأنبوب الأسطواني (1 - خطوط المجال المغناطيسي).

طول l للملف اللولبي أكبر بكثير من القطر d، أي.

ل د. إذا ل د، فيمكن اعتبار الملف اللولبي بمثابة ملف قصير.

قطر السلك الرفيع أصغر بكثير من قطر الملف اللولبي. لزيادة الحث، يتم وضع نواة مغناطيسية ذات نفاذية مغناطيسية داخل الملف اللولبي. إذا ld، فعندما يتدفق التيار داخل الملف اللولبي، يتم إثارة مجال مغناطيسي منتظم، ويتم تحديد تحريضه بالصيغة حيث o = 4·10-7 H/m - ثابت مغناطيسي؛ n = N/l - عدد اللفات لكل وحدة طول للملف اللولبي؛ N - عدد دورات الملف اللولبي.

خارج الملف اللولبي، يكون المجال المغناطيسي صفرًا تقريبًا. نظرًا لأن الملف اللولبي يحتوي على دورات N، فإن التدفق المغناطيسي الإجمالي (وصلة التدفق) الذي يمر عبر المقطع العرضي S للملف اللولبي يساوي حيث Ф = BS هو التدفق الذي يمر عبر دورة واحدة من الملف اللولبي.

بالتعويض (5) في (6) ومع الأخذ في الاعتبار أن N = nl نحصل على ومن ناحية أخرى، بمقارنة (7) و (8) نحصل على مساحة المقطع العرضي للملف اللولبي متساوية في الاعتبار (10)، سيتم كتابة الصيغة (9) في النموذج تحديد يمكن تحقيق محاثة الملف اللولبي عن طريق توصيل الملف اللولبي بدائرة كهربائية متناوبة ذات تردد. ثم يتم تحديد المقاومة الإجمالية (الممانعة) بالصيغة حيث R هي المقاومة النشطة، أوم؛ L = xL – المفاعلة الحثية؛ = xc – المقاومة السعوية للمكثف بالسعة C.

إذا لم يكن هناك مكثف في الدائرة الكهربائية، أي.

إذا كانت السعة الكهربائية للدائرة صغيرة، فستبدو xc xL والصيغة (12) كما يلي. ثم سيتم كتابة قانون أوم للتيار المتردد بالشكل حيث Im، Um هي قيم سعة التيار والجهد.

بما أن = 2، حيث هو تردد تذبذبات التيار المتردد، فإن (14) سوف يأخذ الشكل من (15) نحصل على صيغة عمل لتحديد الحث:

لإكمال العمل، قم بتجميع الدائرة وفقًا للمخطط الموضح في الشكل. 5.

1. ضبط مولد الصوت على تردد التذبذب الذي يحدده المعلم.

2. قم بقياس سعة الجهد والتردد باستخدام راسم الذبذبات.

3. باستخدام الملليمتر، حدد القيمة الفعالة للتيار في الدائرة I e ؛ باستخدام العلاقة I e I m / 2 وحلها بالنسبة إلى I m 2 أي تحديد سعة التيار في الدائرة.

4. أدخل البيانات في الجدول.

البيانات المرجعية: المقاومة النشطة للملف اللولبي R = 56 أوم؛ طول الملف اللولبي ل = 40 سم؛ قطر الملف اللولبي د = 2 سم؛ عدد لفات الملف اللولبي N = 2000.

1. صياغة الغرض من العمل.

2. تعريف الحث؟

3. ما هي وحدة قياس الحث؟

4. اكتب صيغة العمل لتحديد محاثة الملف اللولبي.

1. احصل على صيغة لتحديد محاثة الملف اللولبي بناءً على أبعاده الهندسية وعدد اللفات.

2. ما يسمى المعاوقة؟

3. كيف ترتبط القيم القصوى والفعالة للتيار والجهد ببعضها البعض في دائرة التيار المتردد؟

4. اشتق صيغة العمل لمحاثة الملف اللولبي.

5. وصف ظاهرة الاستقراء الذاتي.

6. ما هو المعنى المادي للحث؟

فهرس

1. سافيليف آي جي. دورة الفيزياء العامة. T.2، T.4. - م: أعلى.

المدرسة، 2002. – 325 ص.

أعلى المدرسة، 1970. – 448 ص.

3. كلاشينكوف إس.جي. كهرباء. - م: أعلى. المدرسة، 1977. – 378 ص.

4. تروفيموفا تي. دورة الفيزياء. – م: “الأكاديمية”، 2006. – 560 ص.

5. بورسيل إي. الكهرباء والمغناطيسية - م: ناوكا، 1971. ص.

6. دورة ديتلاف أ. في الفيزياء: كتاب مدرسي لطلاب الجامعات. – م: “الأكاديمية”، 2008. – 720 ص.

7. كورتنيف أ.ف. ورشة عمل في الفيزياء - م: العالي. المدرسة، 1968. ص.

8. ايفيرونوفا ف. الورشة الفيزيائية - م: فيزماتجيز، 1962. - 956 ص.

الثوابت الفيزيائية الأساسية الوحدة الذرية a.u.m 1.6605655(86) 10-27 كجم 5، الكتلة الفارغة شحنة محددة -1.7588047(49) 1011 C/kg إلكترون كومبتون K، n=h/ 1.3195909(22 )·10-15m 1، موجات كومبتون K ,p=h/ 1.3214099(22)·10-15m 1, موجات كومبتون K,е=h/ 2.4263089(40)·10-12m 1, موجات الإلكترون K ,e/(2) 3.8615905(64) ·10-13m 1، بور ماجنتون B=e/ 9.274078(36) ·10-24J/T 3، السم المغناطيسي النووي=e/ 5.050824(20) ·10-27J/T 3، كتلة النيوترون للإلكترون 0.9109534(47) ·10 -30 كجم من الغاز المثالي بو في الظروف العادية (T0=273.15 K, p0=101323 Pa) ثابت Avo- 6.022045(31) · 1023 مول- ثابت غاز بولتزمان 8.31441(26) J/(mol·K) قبضة عالمية- ثابت G ، 6.6720(41) · 10-11 نيوتن متر2/كجم2 ثابت الطاقة السحري 12، 5663706144·10-7 جيجان/م نيت مغناطيسي كمي- F o = 2.0678506(54) ·10-15Wb 2، الإشعاع الأول الإشعاع الثاني نصف القطر الكهربائي (0с2) كلاسيكي (4me) نيوترون بروتون إلكترون قياسي 1 a.u.m.

ملاحظة: تشير الأرقام الموجودة بين قوسين إلى الخطأ المعياري في الأرقام الأخيرة من القيمة المحددة.

مقدمة

متطلبات السلامة الأساسية عند إجراء الأعمال المخبرية في المختبر التعليمي للكهرباء والكهرومغناطيسية

أساسيات القياس الكهربائي

العمل المخبري رقم 31. قياس قيمة المقاومة الكهربائية باستخدام جسر R-Whitson ..................... العمل المخبري رقم 32. دراسة اعتماد مقاومة المعادن على درجة الحرارة

العمل المخبري رقم 33. تحديد سعة المكثف باستخدام جسر ويتستون C

العمل المخبري رقم 34. دراسة تشغيل راسم الذبذبات الإلكتروني

العمل المخبري رقم 35. دراسة تشغيل الصمام الثلاثي الفراغي وتحديد معالمه الثابتة

العمل المخبري رقم 36. التوصيل الكهربائي للسوائل.

تحديد عدد فاراداي وشحنة الإلكترون

العمل المخبري رقم 37. دراسة وضع تشغيل مولد RC باستخدام راسم الذبذبات الإلكتروني

العمل المخبري رقم 38. دراسة المجال الكهروستاتيكي

العمل المخبري رقم 40. تحديد المكون الأفقي لقوة المجال المغناطيسي للأرض

العمل المعملي رقم 41. دراسة ثنائي الزينر وأخذ خصائصه

العمل المخبري رقم 42. دراسة الصمام الثنائي الفراغي وتحديد الشحنة النوعية للإلكترون

العمل المخبري رقم 43. دراسة تشغيل الثنائيات شبه الموصلة

العمل المخبري رقم 45. إزالة منحنى المغنطة وحلقة التباطؤ باستخدام راسم الذبذبات الإلكتروني

العمل المعملي رقم 46. الذبذبات الكهربائية المخمده

العمل المخبري رقم 47. دراسة التذبذبات الكهربائية القسرية وقراءة عائلة منحنيات الرنين ...... العمل المخبري رقم 48. قياس المقاومة

العمل المخبري رقم 49. تحديد محاثة الملف اللولبي

فهرس

ملحق …………………………………………………… ديمتري بوريسوفيتش كيم ألكسندر ألكسيفيتش كروبوتوف ليودميلا أندريفنا جيراشينكو ورشة عمل مختبر الكهرباء والكهرومغناطيسية الطبعة الأكاديمية. ل. 9.0. الشرط فرن ل. 9.0.

طبع في دار النشر BrGU 665709، براتسك، ش. ماكارينكو،

أعمال مماثلة:

"أ.ل. جيلجور إي. نظام البث التلفزيوني الرقمي POPOV لمعيار DVB-T موصى به من قبل الجمعية التعليمية والمنهجية لتعليم جامعة البوليتكنيك كمساعدة تعليمية لطلاب مؤسسات التعليم العالي الذين يدرسون في مجال إعداد الفيزياء التقنية جامعة سانت بطرسبرغ البوليتكنيك دار النشر 2011 وزارة التعليم والعلوم في الاتحاد الروسي جامعة سانت بطرسبرغ الحكومية للفنون التطبيقية..."

"الفيزياء سميت باسم. L. V. Kirensky في عام 1996 كراسنويارسك 1996 -2 معلومات عامة خلال عام 1996، شارك المعهد في تنفيذ أربعة مشاريع في إطار البرامج العلمية والتقنية الحكومية؛ وبلغ حجم التمويل لهم 23200 ألف روبل (من المتوقع استلام 5000 ألف روبل أخرى في نهاية الربع الرابع). يعمل على..."

"برنامج البحث الأساسي لهيئة رئاسة RAS رقم 13 لحقول الضوء القصوى وتقرير تطبيقاتها لعام 2013 موسكو 2013 تمت الموافقة عليه من قبل رئيس الأكاديمية الروسية للعلوم، الأكاديمي V.E. Fortov 2013 برنامج البحث الأساسي الشامل لهيئة رئاسة الأكاديمية الروسية للعلوم رقم 13 حقول الضوء القصوى وتقرير تطبيقاتها لعام 2013 منسقو البرنامج: مدير ILP SB RAS الأكاديمي _ S.N. Bagaev المدير العلمي لـ IAP RAS ، الأكاديمي أ.ف. تقرير غابونوف-جريخوف حول تنفيذ المشاريع على..."

"النماذج الرياضية للنظرية الطيفية لأدلة الموجات العازلة الكهربائية، الكتاب المدرسي جامعة ولاية كازان كازان التي تحمل اسم V.I. Ulyanova-Lenin 2007 تم النشر بقرار من قسم الرياضيات التطبيقية بجامعة ولاية كازان، المحرر العلمي، دكتوراه في العلوم الفيزيائية والرياضية، البروفيسور ن.ب. بليشينسكي كارتشيفسكي إي إم. النماذج الرياضية للنظرية الطيفية لأدلة الموجات العازلة. الكتاب المدرسي / إ.م. كارشيفسكي. قازان: جامعة ولاية قازان..."

"برنامج العمل للمادة الأكاديمية مستوى البرنامج الأساسي، الصفوف 7-11، تم تطويره بواسطة G.A. Shirokova، مدرس الفيزياء من أعلى فئة التأهيل. 2013-2014 برامج العمل في الفيزياء للصف السابع الفيزياء كعلم حول قوانين الطبيعة الأكثر عمومية، والتي تعمل كموضوع في المدرسة، تقدم مساهمة كبيرة في نظام المعرفة حول العالم من حولنا. فهو يكشف عن دور العلم في التنمية الاقتصادية والثقافية للمجتمع، ويساهم في تكوين المعرفة العلمية الحديثة..."

"سلسلة التربية والعلم النفسي في موسكو 2008 هيئة التحرير: Ryabov V.V. دكتوراه في العلوم التاريخية، أستاذ، رئيس جامعة موسكو التربوية الحكومية أتاناسيان إس. مرشح العلوم الفيزيائية والرياضية ، أستاذ ونائب رئيس الجامعة للشؤون الأكاديمية بجامعة موسكو الحكومية التربوية بيشتشولين ن.ب. دكتور في الفلسفة، أستاذ، نائب رئيس الجامعة للبحوث في جامعة موسكو التربوية الحكومية روسيتسكايا م. مرشح العلوم التربوية، أستاذ مشارك، نائب رئيس الجامعة لأنشطة الابتكار في جامعة موسكو التربوية الحكومية هيئة التحرير: Andriadi I.P. دكتور في العلوم التربوية، أستاذ،..."

"أجنحة العنقاء مقدمة إلى فيزياء الأساطير الكمومية دار نشر جامعة يكاترينبرج أورال 2003 BBK 86.3+87 I 84 مستشار - I. A. Pronin Editor - E. K. Sozina التحرير والتخطيط الفني - A. V. Zarubin Irkhin V. Yu., Katsnelson M I. و 84 Wings من فينيكس. مقدمة في فيزياء الأساطير الكمومية. - ييكاتيرينبرج: دار أورال للنشر. أونتا، 2003. - 263 ص. باستخدام النصوص الموثوقة من مختلف الأديان على نطاق واسع، ولكن دون نسيان تخصصهم الرئيسي - الفيزياء النظرية، يحاول المؤلفون..."

"تودتناوبيرج في باد مكرس لإدموند هوسرل في التبجيل والصداقة. الغابة السوداء، 8 أبريل 1926، إخطار مسبق للطبعة السابعة 1953 نُشرت أطروحة الوجود والزمن لأول مرة في ربيع عام 1927 في الكتاب السنوي حول الظواهر والأبحاث الظواهرية، المجلد 2، الذي نشره هوسرل في الولايات المتحدة كطبعة منفصلة. لم يتم تعديل هذه الطبعة، التي تظهر في طبعتها التاسعة، في النص ولكن تمت مراجعتها من جديد فيما يتعلق بالاقتباسات وعلامات الترقيم. أرقام صفحات إعادة الطباعة متسقة حتى..."

"كتاب الفيزياء للدورات التحضيرية وزارة التربية والتعليم في الاتحاد الروسي جامعة ولاية ياروسلافل التي سميت باسمها. ص. مركز ديميدوف للتعليم الإضافي م.ف. كيريكوف، ف.ب. كتاب الفيزياء ألكسيف للدورات التحضيرية ياروسلافل 1999 BBK Vya73 K43 الفيزياء: كتاب مدرسي للدورات التحضيرية / شركات. م.ف. كيريكوف، ف.ب. أليكسييف. Yarosl.gos. جامعة. ياروسلافل، 1999. 50 ص. الغرض من الكتاب المدرسي هو تنظيم وتكرار المواد المغطاة..."

الكهرومغناطيسية ♦ دار النشر TSTU ♦ وزارة التعليم في الاتحاد الروسي جامعة تامبوف التقنية الحكومية الكهرومغناطيسية العمل المعملي دار نشر تامبوف TSTU 2002 UDC 535.338 (076.5) BBK V36YA73-5 E45 Réc e n t دكتوراه في العلوم التربوية، أستاذ ن يا مولوتكوف : A M. Savelyev، Yu. P. Lyashenko، V. A. Shishin، V. I. Barsukov E45 الكهرومغناطيسية: مختبر. عبد. / A. M. Savelyev، P. Lyashenko، V. A. Shishin، V. I. Barsukov. تامبوف. دار النشر تامب. ولاية تقنية. جامعة.، 2002. 28 ص. يتم عرض التعليمات المنهجية والأوصاف للمنشآت المخبرية المستخدمة في تنفيذ ثلاثة أعمال مخبرية في قسم مقرر الفيزياء العامة "الكهرومغناطيسية". يقدم كل عمل مبررًا نظريًا للطرق المناسبة لحل المشكلات تجريبيًا، بالإضافة إلى طرق معالجة النتائج التي تم الحصول عليها. العمل المخبري مخصص لطلاب السنة الأولى والثانية من جميع التخصصات وأشكال التعليم الهندسي. UDC 535.338 (076.5) BBK V36Ya73-5 © جامعة ولاية تامبوف التقنية (TSTU)، 2002 منشور تعليمي الكهرومغناطيسية العمل المختبري من تأليف: سافيليف ألكسندر ميخائيلوفيتش، لياشينكو يوري بتروفيتش، شيشين فاليري أناتوليفيتش، بارسوكوف فلاديمير إيفانوفيتش محرر ومحرر تقني M.A. .ev s eycheva النماذج الأولية للكمبيوتر M. A. Filatovoy تم التوقيع عليه للنشر في 16 سبتمبر 2002. التنسيق 60x84/16. محرف تايمز NR. ورق الصحف. طباعة أوفست. الحجم: 1.63 وحدة تقليدية فرن ل. 2.00 النشر الأكاديمي ل. التوزيع 100 نسخة. C 565M مركز النشر والطباعة بجامعة تامبوف التقنية الحكومية 392000، تامبوف، ش. سوفيتسكايا، 106، الغرفة 14 أسئلة الاختبار 1 المعنى المادي لمفاهيم الحث وقوة المجال المغناطيسي. 2 اكتب قانون بيوت-سافارت-لابلاس وبين تطبيقه على حساب مجال التيار المباشر والمجال على محور ملف دائري مع التيار. 3 اشتقاق صيغ حسابية للمجال اللولبي ذي الطول المحدود. 4 اشرح المعنى الفيزيائي للنظرية الخاصة بتدوير ناقل تحريض المجال المغناطيسي وتطبيقها لحساب مجال الملف اللولبي الطويل بشكل لا نهائي. 5 شرح مبدأ التشغيل ومخطط التثبيت وتقنية القياس. 6 كيف يتغير توزيع المجال على طول محور الملف اللولبي تبعا للنسبة بين طوله وقطره؟ قائمة الأدبيات الموصى بها 1 دورة Savelyev I.V للفيزياء العامة. T. 2. M.، 1982. 2 Detlaf A. A.، Yavorsky B. M. دورة فيزياء. م.، 1987. 3 أخماتوف أ. S. وآخرون ورشة عمل في الفيزياء. م، 1980. 4 إيرودوف آي إي القوانين الأساسية للكهرومغناطيسية. م.: المدرسة العليا، 1983. العمل المختبري تحديد الشحنة المحددة للإلكترون "طريقة الماغنيترون" الغرض من العمل: التعرف على طريقة إنشاء مجالات كهربائية ومغناطيسية متعامدة بشكل متبادل، وحركة الإلكترونات في مثل هذه المجالات المتقاطعة . حدد تجريبيًا قيمة الشحنة النوعية للإلكترون. الأدوات والملحقات: الأنبوب الإلكتروني 6E5S، الملف اللولبي، مصدر الطاقة VUP-2M، الملليمتر، مقياس التيار الكهربائي، الفولتميتر، مقياس الجهد، أسلاك التوصيل. تعليمات منهجية تعتمد إحدى الطرق التجريبية لتحديد الشحنة النوعية للإلكترون (نسبة شحنة الإلكترون إلى كتلته e / m) على نتائج دراسات حركة الجزيئات المشحونة في المجال المغناطيسي والكهربائي المتعامد بشكل متبادل مجالات. وفي هذه الحالة، يعتمد مسار الحركة على نسبة شحنة الجسيم إلى كتلته. يرجع اسم الطريقة المستخدمة في العمل إلى حقيقة أن حركة مماثلة للإلكترونات في المجالات المغناطيسية والكهربائية من نفس التكوين تتم في المغنطرونات - الأجهزة المستخدمة لتوليد تذبذبات كهرومغناطيسية قوية ذات تردد فائق. يمكن تحديد المبادئ الرئيسية التي تشرح هذه الطريقة من خلال النظر، من أجل التبسيط، في حركة الإلكترون الذي يطير بسرعة v في مجال مغناطيسي منتظم، حيث يكون متجه التحريض عموديًا على اتجاه الحركة. وكما هو معروف فإن الإلكترون في هذه الحالة عندما يتحرك في مجال مغناطيسي يتأثر بقوة لورنتز القصوى Fl = evB والتي تتعامد مع سرعة الإلكترون وبالتالي فهي قوة جاذبة مركزية. في هذه الحالة، تحدث حركة الإلكترون تحت تأثير هذه القوة في دائرة، يتم تحديد نصف قطرها بالشرط: mv 2 evB = , (1) r حيث e, m, v هي الشحنة، كتلة وسرعة الإلكترون، على التوالي؛ ب – قيمة تحريض المجال المغناطيسي. r هو نصف قطر الدائرة أو م ت ص = . (2) eB من العلاقة (2) يتضح أن نصف قطر انحناء مسار الإلكترون سوف يتناقص مع زيادة تحريض المجال المغناطيسي ويزداد مع زيادة سرعته. وبالتعبير عن قيمة الشحنة النوعية من (1) نحصل على: e v = . (3) m rB من (3) يترتب على تحديد النسبة e / m من الضروري معرفة سرعة الإلكترون v وقيمة تحريض المجال المغناطيسي B ونصف قطر انحناء مسار الإلكترون r. ومن الناحية العملية، لمحاكاة حركة الإلكترون هذه وتحديد المعلمات المحددة، تابع على النحو التالي. يتم الحصول على الإلكترونات ذات اتجاه معين لسرعة الحركة باستخدام أنبوب إلكترون ثنائي القطب مع أنود مصنوع على شكل أسطوانة على طول المحور الذي يوجد به الكاثود الخيطي. عندما يتم تطبيق فرق محتمل (جهد الأنود Ua) في الفضاء الحلقي بين الأنود والكاثود، يتم إنشاء مجال كهربائي موجه شعاعيًا، تحت تأثيره ستتحرك الإلكترونات المنبعثة من الكاثود بسبب الانبعاث الحراري خطيًا على طول سيُظهر نصف قطر الأنود والمليمتر الموجود في دائرة الأنود قيمة معينة لتيار الأنود Ia. يتم الحصول على مجال مغناطيسي منتظم متعامد مع المجال الكهربائي، وبالتالي على سرعة حركة الإلكترون، وذلك بوضع المصباح في الجزء الأوسط من الملف اللولبي بحيث يكون محور الملف اللولبي موازيا لمحور الأنود الأسطواني. في هذه الحالة، عندما يتم تمرير التيار Ic عبر ملف الملف اللولبي، فإن المجال المغناطيسي الناشئ في الفضاء الحلقي بين الأنود والكاثود ينحني المسار المستقيم لحركة الإلكترون. مع زيادة تيار الملف اللولبي Ic، وبالتالي زيادة قيمة الحث المغناطيسي B، فإن نصف قطر انحناء مسار الإلكترون سينخفض. ومع ذلك، عند قيم صغيرة من الحث المغناطيسي B، فإن جميع الإلكترونات التي وصلت سابقًا إلى الأنود (عند B = 0) ستظل تسقط على الأنود، وسيسجل الملليمتر قيمة ثابتة لتيار الأنود Ia (الشكل 1). . عند ما يسمى بالقيمة الحرجة للحث المغناطيسي (Bcr)، ستتحرك الإلكترونات على طول مسارات مماسة للسطح الداخلي للأنود الأسطواني، أي. لن يصل بعد الآن إلى الأنود مما يؤدي إلى انخفاض حاد في تيار الأنود وتوقفه التام عند قيم B >< Bкр В = Bкр В > بكر ب أ V الشكل. 1. تتغير خصائص التفريغ المثالية (أ) والحقيقية (ب) للإلكترون بشكل مستمر بسبب التسارع الذي تنتقل إليه قوى المجال الكهربائي. ولذلك، فإن الحساب الدقيق لمسار الإلكترون أمر صعب للغاية. ومع ذلك، عندما يكون نصف قطر الأنود ra أكبر بكثير من نصف قطر الكاثود (ra >> rk)، يُعتقد أن الزيادة الرئيسية في سرعة الإلكترونات تحت تأثير المجال الكهربائي تحدث في المنطقة القريبة من الكاثود، حيث شدة المجال الكهربائي هي الحد الأقصى، وبالتالي يكون التسارع الأكبر للإلكترونات. المسار الإضافي الذي سيتخذه الإلكترون هو سرعة ثابتة تقريبًا، وسيكون مساره قريبًا من الدائرة. في هذا الصدد، عند القيمة الحرجة للحث المغناطيسي Bcr، يعتبر نصف قطر انحناء مسار الإلكترون مسافة تساوي نصف نصف قطر الأنود للمصباح المستخدم في التثبيت، أي. را آر سي آر = . (4) 2 يتم تحديد سرعة الإلكترون بشرط أن تكون طاقته الحركية مساوية للشغل الذي يبذله المجال الكهربائي لنقل هذه الطاقة إليه mv 2 = eU a , (5) 2 حيث Ua هو فرق الجهد بين الأنود والكاثود للمصباح. بالتعويض عن قيم السرعة من (5)، نصف قطر المسار RCR من (4) إلى (3) بقيمة حرجة لتحريض المجال المغناطيسي، نحصل على تعبير عن النسبة e / m بالصيغة: e 8U = 2 a2. (6) m ra Bcr حساب دقيق يأخذ في الاعتبار نصف قطر الكاثود (rк) يعطي علاقة لتحديد الشحنة المحددة للإلكترون e 8U a = . (7) m  r2  ra 2 Bcr 2 1 − k2   r   a  بالنسبة لملف لولبي ذي طول محدد، ينبغي حساب قيمة تحريض المجال المغناطيسي الحرج في الجزء المركزي منه باستخدام الصيغة μ 0 ( I c) cr N Bcr = , (8) 4 R 2 + L2 حيث N هو عدد لفات الملف اللولبي؛ L، R – طول ومتوسط ​​نصف قطر الملف اللولبي؛ (ج)كر. - تيار الملف اللولبي المطابق للقيمة الحرجة للحث المغناطيسي. باستبدال Bcr في (7) نحصل على التعبير النهائي للشحنة المحددة 8U a (4 R 2 + L2) e = . (9) 2 2 rк 2  m μ 0 ra (I c) кр N 1 − 2  2  r   a  بما أنه وفقًا لـ (8) B ~ Ic، فإن التجربة تهدف إلى إزالة خاصية الخطأ ، أي ه. اعتماد تيار الأنود على تيار الملف اللولبي Ia = ƒ(Ic). تجدر الإشارة إلى أنه، على النقيض من خاصية الصدع المثالية (الشكل 1، أ)، فإن الخاصية الحقيقية لها جزء هابط أقل انحدارًا (الشكل 1، ب). ويفسر ذلك حقيقة أن الإلكترونات تنبعث من الكاثود الساخن بسرعات أولية مختلفة. إن توزيع سرعة الإلكترونات أثناء الانبعاث الحراري قريب من قانون ماكسويل المعروف لتوزيع سرعة الجزيئات في الغاز. في هذا الصدد، يتم تحقيق الظروف الحرجة للإلكترونات المختلفة عند قيم مختلفة لتيار الملف اللولبي، مما يؤدي إلى تجانس المنحنى Ia = ƒ(Ic). نظرًا لأنه وفقًا لتوزيع ماكسويل، فإن معظم تدفق الإلكترونات المنبعثة من الكاثود له سرعة أولية قريبة من السرعة المحتملة عند درجة حرارة كاثود معينة، ويتم ملاحظة أكبر انخفاض في خاصية التفريغ عندما يصل تيار الملف اللولبي إلى درجة حرارة الكاثود. القيمة الحرجة (Ic)cr لهذه المجموعة المعينة من الإلكترونات. لذلك، لتحديد قيمة التيار الحرج، يتم استخدام طريقة التمايز الرسومي. لهذا الغرض، على الرسم البياني للاعتماد Ia = ƒ(Ic)، يتم رسم الاعتماد ∆I a = f (I c) ∆I c بنفس قيم تيار الملف اللولبي. ∆Iа – زيادة تيار الأنود مع التغيير المقابل في تيار الملف اللولبي ∆Iс. ∆I a يظهر الشكل التقريبي لخاصية التفريغ Ia = ƒ(Ic) (a) والوظيفة = f (I c) (b) في الشكل. 2. يتم أخذ قيمة ∆I c ∆I a الحرجة لتيار الملف اللولبي (Ic)cr، المقابلة للحد الأقصى للمنحنى = f (Ic)، لحساب Bcr باستخدام الصيغة (8). ∆I c Ia Ia Ic a b (Ic)cr Ic الشكل. 2. إعادة ضبط (أ) والخصائص التفاضلية (ب) للمصباح وصف التثبيت تم تجميع التثبيت على مصباح 6E5C، والذي يستخدم عادة كمؤشر إلكتروني. يتم عرض المخطط الكهربائي للتركيب في الشكل. 3. يتم تشغيل المصباح بتيار مستمر من مقوم VUP-2M، حيث يتم باستخدام مقياس الجهد الدائري (المقبض 0 ... 100 فولت على الجانب الأمامي) تعديل قيمة الجهد بين الأنود والكاثود. يتم تسخين كاثود المصباح عن طريق تيار متناوب بجهد يصل إلى 6.3 فولت تقريبًا، ويتم إزالته من أطراف المقوم المقابلة. يتم توصيل المقوم بمقبس رئيسي بجهد 220 فولت مثبت على مقعد المختبر. أرز. 3. مخطط التثبيت الكهربائي: VUP-2M + R ~ 220V 10 - 100 V - V A ~ 6.3V VUP-2M - المعدل؛ R - مقياس الجهد 0 ... 30 أوم؛ أ - مقياس التيار الكهربائي 0 ... 2A ؛ MA - الملليمتر - 0 ... 2 MA؛ V - فولتميتر 0 ... 100 فولت يتم تغذية الملف اللولبي L من خلال مقياس الجهد R من مصدر تيار مستمر متصل بمقبس ± 40 فولت، مثبت أيضًا على طاولة المختبر. يتم قياس تيار الملف اللولبي بمقياس التيار بحد 0 ... 2 أمبير ، ويتم تسجيل تيار الأنود بالملليمتر بحد 0 ... 2 مللي أمبير ، ويتم قياس جهد الأنود بمقياس الفولتميتر حد 0 ... 150 فولت. ترتيب الأداء ومعالجة النتائج 1 تحقق من التجميع الصحيح لجميع عناصر الدائرة الكهربائية للتركيب وفقًا للمخطط الشكل. 3. على أدوات القياس وضع الحدود المناسبة للقيم المقاسة وتحديد سعر القسمة لكل منها. 2 قم بتوصيل المقوم VUP-2M بمقبس 220 فولت، ومخرجات مقياس الجهد R بالمقبس +40 فولت، وتحقق من خرج فتيل المصباح إلى أطراف المقوم ~ 6.3 فولت. 3 باستخدام مقبض مقياس الجهد (0 . .. 100 فولت) للمقوم، استخدم الفولتميتر لضبط إحدى القيم الثلاث لجهد الأنود (U a1) التي حددها المعلم. 4. عند الصفر الحالي في الملف اللولبي، لاحظ القيمة القصوى لتيار الأنود (Ia)max. بعد ذلك، باستخدام مقياس الجهد R، قم بزيادة التيار في الملف اللولبي (Ic) عند فترة زمنية معينة (على سبيل المثال، ∆Iс = 0.1 A)، في كل مرة قم بإصلاح قيمة تيار الأنود. قم بإجراء 15...18 قياسًا على الأقل. أدخل القيم التي تم الحصول عليها من Ic و Ia في الجدول. 1. الجداول 1 - 3 لتيار الأنود، ∆Ia للملف اللولبي، ∆Ic (A) تيار الملف اللولبي المتزايد، Ic تيار الأنود التزايدي Ia e (mA) (mA) ∆I a (A) رقم (Ic) cr Bcr m p/ p ∆I c (A) (T) (C/kg) الأنود - جهد الكاثود U a 1 1: 18 الأنود - جهد الكاثود U a2 1: 18 الأنود - جهد الكاثود U a3 1: 18 5 اضبط الفولتميتر إلى جهد محدد مختلف (U a 2) وكرر جميع العمليات وفقًا للخطوة 4. أدخل بيانات جديدة في الجدول. 2. قم بإجراء قياسات مماثلة للجهد (U a3) وأدخل القياسات الناتجة في الجدول. 3. 6 لكل قيمة من جهد الأنود، قم ببناء تبعيات رسومية Ia = ƒ(Ic). على نفس الرسوم البيانية ∆I أرسم اعتماد مشتق تيار الأنود (dIa) على تيار الملف اللولبي، أي. = f (I c) ومنها تحديد القيم الحرجة ∆I c لتيار الملف اللولبي (Ic)cr، كما هو موضح تخطيطيًا في الشكل. 2. 7 استبدل القيم الموجودة (Ic)cr في الصيغة (8) وقم بتقدير قيم الحث الحرج (Bcr) للمجال المغناطيسي لجميع قيم جهد الأنود. 8 باستخدام الصيغتين (7) و (9)، احسب ثلاث قيم للشحنة النوعية للإلكترون (e / m)1،2،3. أوجد قيمته المتوسطة وقارنها بالقيمة الجدولية. 9 احسب الخطأ النسبي في تحديد القيمة المطلوبة (e / m) باستخدام الصيغة: ∆(e m) ∆ U a 2 ∆е 0 2 ∆ ra 2 (∆ I c) E= = + + + + (e m) avg Ua е0 ra (I c) kr 2 ∆ N 2 ∆ rк ∆ RR + ∆ LL + . + 2 2 + R +L N rк قيم R، L، N، ra، rк تعطى على التثبيت، وتأخذ أخطاءها حسب القواعد المعروفة للقيم الثابتة. يمكن إهمال الأخطاء ∆μ0 و∆N. تحديد الأخطاء (∆Ic)cr و∆Ua بناءً على فئة دقة مقياس التيار الكهربائي والفولتميتر. 10 باستخدام الخطأ النسبي، ابحث عن الخطأ المطلق ∆(e / m)، وأدخل جميع القيم المحسوبة في الجدول. 1 – 3، وأعطي النتيجة النهائية على الصورة e m = (e m) avg ± ∆ (e m) . 11 تحليل النتائج واستخلاص النتائج. أسئلة الاختبار 1 تحت أي ظروف يكون مسار الجسيم المشحون الموجود في المجال المغناطيسي دائرة؟ 2 أخبرنا عن تصميم التثبيت وجوهر "طريقة المغنطرون" لتحديد الشحنة المحددة للإلكترون. 3 ما هو تيار الملف اللولبي الحرج، والقيمة الحرجة للحث المغناطيسي؟ 4 اشرح مسارات حركة الإلكترون من الكاثود إلى الأنود عند تيار الملف اللولبي Ic< Iкр, Ic = Iкр, Ic > إيكر. 5 اشتق الصيغة (6) و (8). 6 اشرح الفرق الأساسي بين خصائص إعادة الضبط المثالية والحقيقية للأنبوب المفرغ. قائمة الأدبيات الموصى بها 1 دورة Savelyev I.V للفيزياء العامة. T. 2. M.: Nauka، 1982. 2 Detlaf A. A.، Yavorsky B. M. et al. دورة الفيزياء. م: المدرسة العليا، 1989. 3 ورشة عمل Buravikhin V. A. وآخرون حول المغناطيسية. م: المدرسة العليا، 1979. 4 Maysova N. N. ورشة عمل في مسار الفيزياء العامة. م: المدرسة العليا، 1970. العمل المخبري دراسة التذبذبات الكهرومغناطيسية الخاصة في الدائرة الغرض من العمل: دراسة تأثير معلمات الدائرة التذبذبية على طبيعة التذبذبات الكهرومغناطيسية الناشئة فيها، وكذلك اكتساب مهارات المعالجة المعلومات الرسومية. الأجهزة وملحقاتها: مولد إلكتروني لنبضات مستطيلة قصيرة المدى، مكثف دائرة شحن دوري، نظام مكثفات ذات سعات مختلفة، بطارية محاثات متصلة على التوالي، مجموعة مقاومات، راسم ذبذبات إلكتروني، جسر ويتستون، مفاتيح ، مفاتيح. تعليمات منهجية في الدائرة التذبذبية الكهربائية، تحدث تغيرات دورية في عدد من الكميات الفيزيائية (التيار، جهد الشحن، وما إلى ذلك). تتكون الدائرة التذبذبية الحقيقية في شكل مبسط من مكثف C متصل على التوالي، ومغوي L ومقاومة نشطة R (الشكل 1). إذا تم شحن المكثف ثم تم إغلاق المفتاح K، فسوف تنشأ تذبذبات كهرومغناطيسية في الدائرة. سيبدأ المكثف في التفريغ وسيظهر في الدائرة تيار متزايد ومجال مغناطيسي يتناسب معه. تؤدي الزيادة في المجال المغناطيسي إلى ظهور الحث الذاتي في دائرة EMF: أسئلة الاختبار 1 المعنى المادي لمفاهيم الحث وقوة المجال المغناطيسي. 2 اكتب قانون بيوت-سافارت-لابلاس وبين تطبيقه على حساب مجال التيار المباشر والمجال على محور ملف دائري مع التيار. 3 اشتقاق صيغ حسابية للمجال اللولبي ذي الطول المحدود. 4 اشرح المعنى الفيزيائي للنظرية الخاصة بتدوير ناقل تحريض المجال المغناطيسي وتطبيقها لحساب مجال الملف اللولبي الطويل بشكل لا نهائي. 5 شرح مبدأ التشغيل ومخطط التثبيت وتقنية القياس. 6 كيف يتغير توزيع المجال على طول محور الملف اللولبي تبعا للنسبة بين طوله وقطره؟ قائمة الأدبيات الموصى بها 1 دورة Savelyev I.V للفيزياء العامة. T. 2. M.، 1982. 2 Detlaf A. A.، Yavorsky B. M. دورة فيزياء. م.، 1987. 3 ورشة عمل أخماتوف أ.س وآخرون في الفيزياء. م، 1980. 4 إيرودوف آي إي القوانين الأساسية للكهرومغناطيسية. م.: المدرسة العليا، 1983. العمل المختبري تحديد الشحنة المحددة للإلكترون "طريقة الماغنيترون" الغرض من العمل: التعرف على طريقة إنشاء مجالات كهربائية ومغناطيسية متعامدة بشكل متبادل، وحركة الإلكترونات في مثل هذه المجالات المتقاطعة . حدد تجريبيًا قيمة الشحنة النوعية للإلكترون. الأدوات والملحقات: الأنبوب الإلكتروني 6E5S، الملف اللولبي، مصدر الطاقة VUP-2M، الملليمتر، مقياس التيار الكهربائي، الفولتميتر، مقياس الجهد، أسلاك التوصيل. تعليمات منهجية تعتمد إحدى الطرق التجريبية لتحديد الشحنة النوعية للإلكترون (نسبة شحنة الإلكترون إلى كتلته e / m) على نتائج دراسات حركة الجزيئات المشحونة في المجال المغناطيسي والكهربائي المتعامد بشكل متبادل مجالات. وفي هذه الحالة، يعتمد مسار الحركة على نسبة شحنة الجسيم إلى كتلته. يرجع اسم الطريقة المستخدمة في العمل إلى حقيقة أن حركة مماثلة للإلكترونات في المجالات المغناطيسية والكهربائية من نفس التكوين تتم في المغنطرونات - الأجهزة المستخدمة لتوليد تذبذبات كهرومغناطيسية قوية ذات تردد فائق. يمكن تحديد المبادئ الرئيسية التي تشرح هذه الطريقة من خلال النظر، من أجل التبسيط، في حركة الإلكترون الذي يطير بسرعة v في مجال مغناطيسي منتظم، حيث يكون متجه التحريض عموديًا على اتجاه الحركة. وكما هو معروف فإن الإلكترون في هذه الحالة عندما يتحرك في مجال مغناطيسي يتأثر بقوة لورنتز القصوى Fl = evB والتي تتعامد مع سرعة الإلكترون وبالتالي فهي قوة جاذبة مركزية. في هذه الحالة، تحدث حركة الإلكترون تحت تأثير هذه القوة في دائرة، يتم تحديد نصف قطرها بالشرط: mv 2 evB = , (1) r حيث e, m, v هي الشحنة، كتلة وسرعة الإلكترون، على التوالي؛ ب – قيمة تحريض المجال المغناطيسي. r هو نصف قطر الدائرة أو م ت ص = . (2) eB من العلاقة (2) يتضح أن نصف قطر انحناء مسار الإلكترون سوف يتناقص مع زيادة تحريض المجال المغناطيسي ويزداد مع زيادة سرعته. وبالتعبير عن قيمة الشحنة النوعية من (1) نحصل على: e v = . (3) m rB من (3) يترتب على تحديد النسبة e / m من الضروري معرفة سرعة الإلكترون v وقيمة تحريض المجال المغناطيسي B ونصف قطر انحناء مسار الإلكترون r. ومن الناحية العملية، لمحاكاة حركة الإلكترون هذه وتحديد المعلمات المحددة، تابع على النحو التالي. يتم الحصول على الإلكترونات ذات اتجاه معين لسرعة الحركة باستخدام أنبوب إلكترون ثنائي القطب مع أنود مصنوع على شكل أسطوانة على طول المحور الذي يوجد به الكاثود الخيطي. عندما يتم تطبيق فرق محتمل (جهد الأنود Ua) في الفضاء الحلقي بين الأنود والكاثود، يتم إنشاء مجال كهربائي موجه شعاعيًا، تحت تأثيره ستتحرك الإلكترونات المنبعثة من الكاثود بسبب الانبعاث الحراري خطيًا على طول سيُظهر نصف قطر الأنود والمليمتر الموجود في دائرة الأنود قيمة معينة لتيار الأنود Ia. يتم الحصول على مجال مغناطيسي منتظم متعامد مع المجال الكهربائي، وبالتالي على سرعة حركة الإلكترون، وذلك بوضع المصباح في الجزء الأوسط من الملف اللولبي بحيث يكون محور الملف اللولبي موازيا لمحور الأنود الأسطواني. في هذه الحالة، عندما يتم تمرير التيار Ic عبر ملف الملف اللولبي، فإن المجال المغناطيسي الناشئ في الفضاء الحلقي بين الأنود والكاثود ينحني المسار المستقيم لحركة الإلكترون. مع زيادة تيار الملف اللولبي Ic، وبالتالي زيادة قيمة الحث المغناطيسي B، فإن نصف قطر انحناء مسار الإلكترون سينخفض. ومع ذلك، عند قيم صغيرة من الحث المغناطيسي B، فإن جميع الإلكترونات التي وصلت سابقًا إلى الأنود (عند B = 0) ستظل تسقط على الأنود، وسيسجل الملليمتر قيمة ثابتة لتيار الأنود Ia (الشكل 1). . عند ما يسمى بالقيمة الحرجة للحث المغناطيسي (Bcr)، ستتحرك الإلكترونات على طول مسارات مماسة للسطح الداخلي للأنود الأسطواني، أي. لن يصل بعد الآن إلى الأنود، مما يؤدي إلى انخفاض حاد في تيار الأنود وتوقفه التام عند قيم B > Bcr. يظهر في الشكل الاعتماد المثالي Ia = ƒ(B)، أو ما يسمى بخاصية الخطأ. 1 خط منقط (أ). يوضح الشكل نفسه بشكل تخطيطي مسارات حركة الإلكترون في الفراغ بين الأنود والكاثود عند قيم مختلفة لتحريض المجال المغناطيسي B. وتجدر الإشارة إلى أنه في هذه الحالة لم تعد مسارات حركة الإلكترون في المجال المغناطيسي دوائر، ولكن خطوط ذات نصف قطر انحناء متغير. ويفسر ذلك حقيقة أن السرعة Ia A K V = 0 V< Bкр В = Bкр В > بكر ب أ V الشكل. 1. تتغير خصائص التفريغ المثالية (أ) والحقيقية (ب) للإلكترون بشكل مستمر بسبب التسارع الذي تنتقل إليه قوى المجال الكهربائي. ولذلك، فإن الحساب الدقيق لمسار الإلكترون أمر صعب للغاية. ومع ذلك، عندما يكون نصف قطر الأنود ra أكبر بكثير من نصف قطر الكاثود (ra >> rk)، يُعتقد أن الزيادة الرئيسية في سرعة الإلكترونات تحت تأثير المجال الكهربائي تحدث في المنطقة القريبة من الكاثود، حيث شدة المجال الكهربائي هي الحد الأقصى، وبالتالي يكون التسارع الأكبر للإلكترونات. المسار الإضافي الذي سيتخذه الإلكترون هو سرعة ثابتة تقريبًا، وسيكون مساره قريبًا من الدائرة. في هذا الصدد، عند القيمة الحرجة للحث المغناطيسي Bcr، يعتبر نصف قطر انحناء مسار الإلكترون مسافة تساوي نصف نصف قطر الأنود للمصباح المستخدم في التثبيت، أي. را آر سي آر = . (4) 2 يتم تحديد سرعة الإلكترون بشرط أن تكون طاقته الحركية مساوية للشغل الذي يبذله المجال الكهربائي لنقل هذه الطاقة إليه mv 2 = eU a , (5) 2 حيث Ua هو فرق الجهد بين الأنود والكاثود للمصباح. بالتعويض عن قيم السرعة من (5)، نصف قطر المسار RCR من (4) إلى (3) بقيمة حرجة لتحريض المجال المغناطيسي، نحصل على تعبير عن النسبة e / m بالصيغة: e 8U = 2 a2. (6) m ra Bcr حساب دقيق يأخذ في الاعتبار نصف قطر الكاثود (rк) يعطي علاقة لتحديد الشحنة المحددة للإلكترون e 8U a = . (7) m  r2  ra 2 Bcr 2 1 − k2   r   a  بالنسبة لملف لولبي ذي طول محدد، ينبغي حساب قيمة تحريض المجال المغناطيسي الحرج في الجزء المركزي منه باستخدام الصيغة μ 0 ( I c) cr N Bcr = , (8) 4 R 2 + L2 حيث N هو عدد لفات الملف اللولبي؛ L، R – طول ومتوسط ​​نصف قطر الملف اللولبي؛ (ج)كر. - تيار الملف اللولبي المطابق للقيمة الحرجة للحث المغناطيسي. باستبدال Bcr في (7) نحصل على التعبير النهائي للشحنة المحددة e 8U a (4 R 2 + L2) = . (9) 2 2 m 2  2 μ 0 ra (I c) cr N 1 − rк   r2  a  وبما أنه وفقًا لـ (8) B ~ Ic، فإن التجربة تقتصر على إزالة خاصية الخطأ، أي. . اعتماد تيار الأنود على تيار الملف اللولبي Ia = ƒ(Ic). تجدر الإشارة إلى أنه، على النقيض من خاصية الصدع المثالية (الشكل 1، أ)، فإن الخاصية الحقيقية لها جزء هابط أقل انحدارًا (الشكل 1، ب). ويفسر ذلك حقيقة أن الإلكترونات تنبعث من الكاثود الساخن بسرعات أولية مختلفة. إن توزيع سرعة الإلكترونات أثناء الانبعاث الحراري قريب من قانون ماكسويل المعروف لتوزيع سرعة الجزيئات في الغاز. في هذا الصدد، يتم تحقيق الظروف الحرجة للإلكترونات المختلفة عند قيم مختلفة لتيار الملف اللولبي، مما يؤدي إلى تجانس المنحنى Ia = ƒ(Ic). نظرًا لأنه وفقًا لتوزيع ماكسويل، فإن معظم تدفق الإلكترونات المنبعثة من الكاثود له سرعة أولية قريبة من السرعة المحتملة عند درجة حرارة كاثود معينة، ويتم ملاحظة أكبر انخفاض في خاصية التفريغ عندما يصل تيار الملف اللولبي إلى درجة حرارة الكاثود. القيمة الحرجة (Ic)cr لهذه المجموعة المعينة من الإلكترونات. لذلك، لتحديد قيمة التيار الحرج، يتم استخدام طريقة التمايز الرسومي. لهذا الغرض، على الرسم البياني للاعتماد Ia = ƒ(Ic)، يتم رسم الاعتماد ∆I a = f (I c) ∆I c بنفس قيم تيار الملف اللولبي. ∆Iа – زيادة تيار الأنود مع التغيير المقابل في تيار الملف اللولبي ∆Iс. ∆I a يظهر الشكل التقريبي لخاصية التفريغ Ia = ƒ(Ic) (a) والوظيفة = f (I c) (b) في الشكل. 2. يتم أخذ قيمة ∆I c ∆I a الحرجة لتيار الملف اللولبي (Ic)cr، المقابلة للحد الأقصى للمنحنى = f (Ic)، لحساب Bcr باستخدام الصيغة (8). ∆I c Ia Ia Ic a b (Ic)cr Ic الشكل. 2. إعادة ضبط (أ) والخصائص التفاضلية (ب) للمصباح

وزارة التعليم والعلوم في الاتحاد الروسي

جامعة ولاية البلطيق التقنية "فونميخ"

الكهرومغناطيسية

ورشة عمل مختبرية في الفيزياء

الجزء 2

حررت بواسطة إل. فاسيليفاو في.أ. زيفولينا

سان بطرسبورج

جمعتها: د. فيدوروف، دكتور في الفيزياء والرياضيات العلوم، أستاذ؛ إل. فاسيليفا, أستاذ. على ال. ايفانوفا، استاذ مساعد؛ إ.ب. دينيسوف، استاذ مساعد؛ في.أ. زيفولين، استاذ مساعد؛ أ.ن. ستاروخين، البروفيسور.

يو دي سي 537.8(076)

ه

الكهرومغناطيسية: ورشة عمل معملية في الفيزياء / شركات: د.ل. فيدوروف [وآخرون]؛ بالت. ولاية تقنية.

جامعة. – سانت بطرسبرغ، 2009. – 90 ص.

تحتوي الورشة على وصف للأعمال المخبرية أرقام 14 – 22 في موضوعي “الكهرباء والمغناطيسية” بالإضافة إلى وصف الأعمال المخبرية أرقام 1 – 13 المقدمة في الورشة التي تحمل الاسم نفسه والتي تم نشرها عام 2006.

45

مصممة للطلاب من جميع التخصصات.

يو دي سي 537.8(076) المراجع: دكتور تك. العلوم، أستاذ، رئيس. قسم تكنولوجيا المعلومات والطاقة BSTU

س.ب. بريزيازنيوك

موافقة

التحرير والنشر

© بي إس تي يو، 2009

العمل المعملي رقم 14 دراسة الخواص الكهربائية للكهرباء الحديدية – الهدف من العمل دراسة استقطاب الفيروكهربائيات اعتمادا على شدة المجال الكهربائيه ، احصل على المنحنى(دراسة استقطاب الفيروكهربائيات اعتمادا على شدة المجال الكهربائيه = و

) ، دراسة تباطؤ العزل الكهربائي، وتحديد خسائر العزل الكهربائي في المواد الكهروضوئية.

معلومات موجزة عن النظرية

كما هو معروف، فإن الجزيئات العازلة في خواصها الكهربائية تعادل ثنائيات القطب الكهربائي ويمكن أن يكون لها لحظة كهربائية أين- القيمة المطلقة للشحنة الإجمالية لإشارة واحدة في الجزيء (أي شحنة جميع النوى أو جميع الإلكترونات)؛ ل- متجه مرسوم من "مركز ثقل" الشحنات السالبة للإلكترونات إلى "مركز ثقل" الشحنات الموجبة للنواة (ذراع ثنائي القطب).

عادة ما يتم وصف استقطاب العوازل الكهربائية على أساس مفاهيم ثنائيات القطب الصلبة والمستحثة. يأمر المجال الكهربائي الخارجي إما بتوجيه ثنائيات القطب الصلبة (استقطاب الاتجاه في العوازل ذات الجزيئات القطبية) أو يؤدي إلى ظهور ثنائيات أقطاب مستحثة مرتبة بالكامل (استقطاب الإزاحة الإلكترونية والأيونية في العوازل ذات الجزيئات غير القطبية). في كل هذه الحالات، تكون العوازل مستقطبة.

استقطاب المادة العازلة يعني أنه تحت تأثير مجال كهربائي خارجي، يصبح العزم الكهربائي الإجمالي للجزيئات العازلة غير صفر.

السمة الكمية لاستقطاب العازل الكهربائي هي ناقل الاستقطاب (أو ناقل الاستقطاب)، والذي يساوي اللحظة الكهربائية لكل وحدة حجم العازل:

, (14.2)

– المجموع المتجه للعزوم الكهربائية ثنائية القطب لجميع الجزيئات العازلة في حجم متناهٍ في الصغر
.

بالنسبة للعوازل المتناحية، الاستقطاب المتعلقة بقوة المجال الكهربائي في نفس النقطة من العلاقة

æ
, (14.3)

حيث æ هو المعامل الذي لا يعتمد على التقريب الأول وتسمى القابلية العازلة للمادة؛ =
F/m - ثابت كهربائي.

وصف المجال الكهربائي في العوازل بالإضافة إلى شدته والاستقطاب ، استخدم ناقل الإزاحة الكهربائية ، محددة بالمساواة

. (14.4)

مع الأخذ في الاعتبار (14.3)، يمكن تمثيل متجه الإزاحة على النحو التالي:

, (14.5)

أين
æ هي كمية لا أبعاد لها تسمى ثابت العزل الكهربائي للوسط. لجميع العوازل æ > 0 و ε > 1.

المواد الكهروضوئية هي مجموعة خاصة من العوازل البلورية التي، في حالة عدم وجود مجال كهربائي خارجي في نطاق درجة حرارة وضغط معين، يكون لها استقطاب تلقائي (تلقائي)، يمكن تغيير اتجاهه بواسطة مجال كهربائي، وفي بعض الحالات، الضغوط الميكانيكية.

على عكس المواد العازلة التقليدية، تتمتع المواد العازلة الكهربائية بعدد من الخصائص المميزة التي درسها الفيزيائيون السوفييت إ.ف. كورشاتوف و ب. كوبيكو. دعونا نفكر في الخصائص الأساسية للكهرباء الحديدية.

تتميز الفيروكهربائية بثوابت عازلة عالية جدًا والتي يمكن أن تصل إلى قيم الطلب
. على سبيل المثال، ثابت العزل الكهربائي لملح روشيل NaKC 4 H 4 O 6 ∙4 H 2 O عند درجة حرارة الغرفة (~ 20 درجة مئوية) يقترب من 10000.

من السمات الخاصة للكهرباء الحديدية هي الطبيعة غير الخطية لاعتماد الاستقطاب ر، وبالتالي الإزاحة الكهربائية دعلى قوة المجال دراسة استقطاب الفيروكهربائيات اعتمادا على شدة المجال الكهربائي(الشكل 14.1). في هذه الحالة، يعتمد ثابت العزل الكهربائي ε للكهرباء الحديدية على دراسة استقطاب الفيروكهربائيات اعتمادا على شدة المجال الكهربائي. في التين. يوضح الشكل 14.2 هذا الاعتماد على ملح روشيل عند درجة حرارة 20 درجة مئوية.

تتميز جميع أنواع الطاقة الفيروكهربائية بظاهرة التباطؤ العازل، والتي تتمثل في تأخير التغير في الاستقطاب ر(أو تعويضات د) عندما تتغير شدة المجال دراسة استقطاب الفيروكهربائيات اعتمادا على شدة المجال الكهربائي. ويرجع هذا التأخير إلى حقيقة أن القيمة ر(أو د) لا يتم تحديده فقط بقيمة الحقل دراسة استقطاب الفيروكهربائيات اعتمادا على شدة المجال الكهربائي، ولكنه يعتمد أيضًا على حالة الاستقطاب السابقة للعينة. مع التغيرات الدورية في شدة المجال دراسة استقطاب الفيروكهربائيات اعتمادا على شدة المجال الكهربائيمدمن روالإزاحات دمن دراسة استقطاب الفيروكهربائيات اعتمادا على شدة المجال الكهربائييتم التعبير عنها بواسطة منحنى يسمى حلقة التباطؤ.

في التين. 14.3 يظهر حلقة التباطؤ في الإحداثيات د, دراسة استقطاب الفيروكهربائيات اعتمادا على شدة المجال الكهربائي.

مع زيادة المجال دراسة استقطاب الفيروكهربائيات اعتمادا على شدة المجال الكهربائيتحيز دفي العينة التي لم تكن مستقطبة في البداية، تتغير على طول المنحنى أواف. ويسمى هذا المنحنى منحنى الاستقطاب الأولي أو الرئيسي.

مع انخفاض المجال، يتصرف متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف في البداية مثل عازل عادي (في المنطقة فرجينيالا يوجد تباطؤ)، ثم (من النقطة أ) التغير في الإزاحة يتخلف عن التغير في التوتر. عندما قوة المجال دراسة استقطاب الفيروكهربائيات اعتمادا على شدة المجال الكهربائي= 0، تبقى متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف مستقطبة وحجم الإزاحة الكهربائية يساوي
، ويسمى التحيز المتبقي.

لإزالة الانحياز المتبقي، من الضروري تطبيق مجال كهربائي في الاتجاه المعاكس للمتعلق بالعازل الكهربائي الشفاف بقوة - . مقاس ويسمى عادة بالمجال القسري.

إذا كانت القيمة القصوى لشدة المجال بحيث يصل الاستقطاب التلقائي إلى التشبع، فسيتم الحصول على حلقة تباطؤ، تسمى حلقة دورة الحد (المنحنى الصلب في الشكل 14.3).

إذا لم يتم تحقيق التشبع عند أقصى شدة للمجال، فسيتم الحصول على ما يسمى بحلقة الدورة الخاصة، الموجودة داخل الدورة الحدية (المنحنى المتقطع في الشكل 14.3). من الممكن أن يكون هناك عدد لا نهائي من دورات إعادة الاستقطاب الجزئي، ولكن قيم الإزاحة القصوى دتقع الدورات الخاصة دائمًا على منحنى الاستقطاب الرئيسي OA.

تعتمد الخصائص الكهروضوئية بشكل كبير على درجة الحرارة. لكل متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف هناك درجة الحرارة هذه ، والتي تختفي فوقها خصائصها الكهروضوئية وتتحول إلى عازل عادي. درجة حرارة تسمى نقطة كوري. بالنسبة لتيتانات الباريوم BaTi0 3، تكون نقطة كوري 120 درجة مئوية. تحتوي بعض المواد الكهروضوئية على نقطتي كوري (العلوية والسفلى) وتتصرف مثل الكهروضوئية فقط في نطاق درجة الحرارة بين هاتين النقطتين. وتشمل هذه الملح روشيل، حيث تكون نقاط كوري +24 درجة مئوية و-18 درجة مئوية.

في التين. يوضح الشكل 14.4 رسمًا بيانيًا لاعتماد درجة الحرارة لثابت العزل الكهربائي لبلورة واحدة BaTi0 3 (بلورة BaTi0 3 في الحالة الكهروضوئية متباينة الخواص. في الشكل 14.4، يشير الفرع الأيسر من الرسم البياني إلى الاتجاه في البلورة المتعامدة إلى محور الاستقطاب التلقائي.) في نطاق درجة حرارة كبير بما فيه الكفاية، القيم BaTi0 3 يتجاوز القيم بشكل كبير العوازل العادية، والتي
. بالقرب من نقطة كوري هناك زيادة كبيرة (شذوذ).

ترتبط جميع الخصائص المميزة للكهرباء الحديدية بوجود الاستقطاب التلقائي. الاستقطاب التلقائي هو نتيجة لعدم التماثل الجوهري لخلية وحدة البلورة، مما يؤدي إلى ظهور عزم ثنائي القطب الكهربائي فيها. نتيجة للتفاعل بين الخلايا المستقطبة الفردية، يتم وضعها بحيث تكون لحظاتها الكهربائية موجهة بالتوازي مع بعضها البعض. يؤدي توجيه العزوم الكهربائية للعديد من الخلايا في نفس الاتجاه إلى تكوين مناطق استقطاب عفوية تسمى المجالات. ومن الواضح أن كل مجال مستقطب إلى التشبع. الأبعاد الخطية للمجالات لا تتجاوز 10 -6 م.

في حالة عدم وجود مجال كهربائي خارجي، يختلف اتجاه استقطاب جميع المجالات، وبالتالي تكون البلورة ككل غير مستقطبة. البقاء على اتصال معنا. 14.5، أ، حيث يتم تصوير مجالات العينة بشكل تخطيطي، تشير الأسهم إلى اتجاهات الاستقطاب التلقائي للمجالات المختلفة. تحت تأثير مجال كهربائي خارجي، يحدث إعادة توجيه الاستقطاب التلقائي في بلورة متعددة المجالات. يتم تنفيذ هذه العملية: أ) إزاحة جدران المجال (المجالات التي يكون استقطابها زاوية حادة مع مجال خارجي، تنمو بسبب المجالات التي
); ب) دوران العزوم الكهربائية - المجالات - في اتجاه المجال؛ ج) تكوين وإنبات نوى مجالات جديدة يتم توجيه لحظاتها الكهربائية على طول الحقل.

تؤدي إعادة هيكلة بنية المجال، والتي تحدث عند تطبيق مجال كهربائي خارجي وزيادة، إلى ظهور ونمو الاستقطاب الكلي رالكريستال (القسم غير الخطي الزراعة العضويةفي التين. 14.1 و 14.3). في هذه الحالة، المساهمة في الاستقطاب الكلي ر، بالإضافة إلى الاستقطاب التلقائي، يقدم أيضًا الاستقطاب المستحث للإزاحة الإلكترونية والأيونية، أي.
.

عند شدة مجال معينة (عند النقطة أ) يتم إنشاء اتجاه واحد للاستقطاب التلقائي في جميع أنحاء البلورة، بالتزامن مع اتجاه المجال (الشكل 14.5، ب). ويقال إن البلورة تصبح مجالًا واحدًا مع اتجاه الاستقطاب التلقائي الموازي للمجال. هذه الحالة تسمى التشبع. زيادة المجال دراسة استقطاب الفيروكهربائيات اعتمادا على شدة المجال الكهربائيعند الوصول إلى التشبع، يكون مصحوبًا بزيادة أخرى في الاستقطاب العام رالكريستال، ولكن الآن فقط بسبب الاستقطاب المستحث (القسم أ.بفي التين. 14.1 و 14.3). وفي الوقت نفسه، الاستقطاب روإزاحة دتعتمد خطيا تقريبا على دراسة استقطاب الفيروكهربائيات اعتمادا على شدة المجال الكهربائي. استقراء مقطع خطي أ.بعلى المحور y، يمكن تقدير استقطاب التشبع التلقائي
، وهو ما يعادل القيمة تقريبًا
، مقطوعة بالقسم المستقر على المحور الإحداثي:
. هذه المساواة التقريبية تنبع من حقيقة أن معظم الفيروكهربائيين
و
.

كما هو مذكور أعلاه، عند نقطة كوري، عندما يتم تسخين مادة عازلة كهربائية، تختفي خصائصها الخاصة وتتحول إلى عازل عادي. ويفسر ذلك حقيقة أنه عند درجة حرارة كوري، يحدث انتقال طوري للكهرباء الحديدية من الطور القطبي، الذي يتميز بوجود الاستقطاب التلقائي، إلى الطور غير القطبي، الذي يغيب فيه الاستقطاب التلقائي. في هذه الحالة، يتغير تماثل الشبكة البلورية. غالبًا ما يُطلق على المرحلة القطبية اسم متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف، وغالبًا ما يُطلق على المرحلة غير القطبية اسم شبه كهربائي.

في الختام، سنناقش مسألة فقدان العزل الكهربائي في المواد الكهروضوئية بسبب التباطؤ.

يمكن أن يرتبط فقدان الطاقة في العوازل الموجودة في مجال كهربائي متناوب، يسمى العازل، بالظواهر التالية: أ) الفارق الزمني في الاستقطاب رعلى قوة المجال دراسة استقطاب الفيروكهربائيات اعتمادا على شدة المجال الكهربائيبسبب الحركة الحرارية الجزيئية. ب) وجود تيارات التوصيل الصغيرة. ج) ظاهرة التباطؤ العازل. وفي كل هذه الحالات، يحدث تحويل لا رجعة فيه للطاقة الكهربائية إلى حرارة.

تؤدي خسائر العزل الكهربائي إلى حقيقة أنه في قسم دائرة التيار المتردد الذي يحتوي على المكثف، لا يكون تحول الطور بين تقلبات التيار والجهد متساويًا تمامًا
، ولكن يتبين دائمًا أنه أقل من
، إلى الزاوية تسمى زاوية الخسارة. يتم تقدير خسائر العزل الكهربائي في المكثفات بواسطة ظل الخسارة:

, (14.6)

أين - مفاعلة المكثف؛ ر- مقاومة الخسارة في المكثف، يتم تحديدها من الحالة: الطاقة المنطلقة عند هذه المقاومة عندما يمر التيار المتردد خلالها تساوي فقدان الطاقة في المكثف.

ظل الخسارة هو مقلوب عامل الجودة س:
ولتحديده يمكن استخدام التعبير مع (14.6).

, (14.7)

أين
- فقدان الطاقة خلال فترة التذبذب (في عنصر الدائرة أو في الدائرة بأكملها)؛ دبليو– طاقة الاهتزاز (الحد الأقصى لعنصر الدائرة والإجمالي للدائرة بأكملها).

دعونا نستخدم الصيغة (14.7) لتقدير خسائر الطاقة الناجمة عن التباطؤ العازل. هذه الخسائر، مثل التباطؤ نفسه، هي نتيجة للطبيعة التي لا رجعة فيها للعمليات المسؤولة عن إعادة توجيه الاستقطاب التلقائي.

دعونا نعيد كتابة (14.7) في النموذج

, (14.8)

أين - فقدان الطاقة في مجال كهربائي متناوب بسبب تباطؤ العزل الكهربائي لكل وحدة حجم متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف خلال فترة واحدة؛ - أقصى كثافة لطاقة المجال الكهربائي في بلورة متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف.

منذ كثافة الطاقة الحجمية للمجال الكهربائي

(14.9)

ثم مع زيادة في شدة المجال بمقدار
يتغير وفقا لذلك. يتم إنفاق هذه الطاقة على إعادة استقطاب حجم وحدة من الطاقة الكهروضوئية وتذهب إلى زيادة طاقتها الداخلية، أي. لتسخينه. من الواضح، على مدى فترة كاملة، يتم تحديد قيمة خسائر العزل الكهربائي لكل وحدة حجم من متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف على النحو التالي:

(14.10)

ويساوي عددياً مساحة حلقة التباطؤ في الإحداثيات د، ه. أقصى كثافة طاقة للمجال الكهربائي في البلورة هي:

, (14.11)

أين و
- سعة شدة وإزاحة المجال الكهربائي.

بالاستبدال (14.10) و (14.11) في (14.8)، نحصل على التعبير التالي لفقدان العزل الكهربائي في المواد الكهروضوئية:

(14.12)

تُستخدم الكهرباء الحديدية لتصنيع مكثفات ذات سعة كبيرة، ولكن بأحجام صغيرة، لإنشاء عناصر غير خطية مختلفة. تستخدم العديد من الأجهزة الراديوية variconds - المكثفات الكهروضوئية ذات الخصائص غير الخطية الواضحة: تعتمد سعة هذه المكثفات بشدة على الجهد المطبق عليها. تتميز الدوالي بالقوة الميكانيكية العالية، ومقاومة الاهتزاز، والاهتزاز، والرطوبة. عيوب variconds هي نطاق محدود من ترددات التشغيل ودرجات الحرارة، والقيم العالية لفقد العزل الكهربائي.

وزارة التعليم والعلوم في الاتحاد الروسي المؤسسة التعليمية لميزانية الدولة الفيدرالية للتعليم المهني العالي "أكاديمية ولاية فورونيج للغابات" مختبر الفيزياء والمغناطيسية العملية VORONEZH 2014 2 UDC 537 F-50 تم النشر بقرار من المجلس التعليمي والمنهجي لميزانية الدولة الفيدرالية المؤسسة التعليمية للتعليم المهني العالي "VGLTA" Biryukova I.P. الفيزياء [النص]: مختبر. ورشة عمل المغناطيسية: ا.ب. بيريوكوفا، ف.ن. بورودين، إن إس. كامالوفا، N.Yu. إيفسيكوفا، ن.ن. ماتفييف، ف. سوشكين؛ وزارة التعليم والعلوم في الاتحاد الروسي، المؤسسة التعليمية لميزانية الدولة الفيدرالية للتعليم المهني العالي "VGLTA – فورونيج، 2014. – 40 ص. المحرر التنفيذي سوشكين ف. المراجع: دكتوراه. الفيزياء والرياضيات العلوم، أستاذ مشارك قسم الفيزياء VSAU V.A. يقدم Beloglazov المعلومات النظرية اللازمة، ووصفًا وإجراءات لأداء العمل المختبري في دراسة المغناطيسية الأرضية، وقوة لورنتز وقوة أمبير، وتحديد الشحنة المحددة للإلكترون. يتم النظر في جهاز ومبدأ تشغيل راسم الذبذبات الإلكتروني. الكتاب المدرسي مخصص للطلاب بدوام كامل وبدوام جزئي في المجالات والتخصصات التي تتضمن مناهجها ورشة عمل مختبرية في الفيزياء. 3 المحتويات العمل المختبري رقم 5.1 (25) تحديد المكون الأفقي لتحريض المجال المغناطيسي للأرض ……………………………………………………………………………………………………… 4 العمل المخبري رقم 5.2 (26) تعريف الحث المغناطيسي …………………………………………. 12 عمل مختبري رقم 5.3 (27) تحديد الشحنة النوعية للإلكترون باستخدام أنبوب أشعة الكاثود ……………………………………………………………………………………………… ………. 17 عمل مختبري رقم 5.4 (28) تحديد الشحنة النوعية للإلكترون باستخدام المصباح المؤشر ………………………………………………………………………… ……….25 عمل معمل رقم 5.5 (29) دراسة الخواص المغناطيسية للمغناطيس الحديدي ………………………. 32 الملحق 1. بعض الثوابت الفيزيائية ........................................... ................ ................ 38 2. البادئات العشرية لأسماء الوحدات .......................... ………………. 38 3. الرموز على ميزان أدوات القياس الكهربائية...... 38 قائمة المراجع................................................. .... .............................................. 39 العمل المختبري رقم 5.1 (25) تحديد المكون الأفقي لتحريض المجال المغناطيسي للأرض الغرض من العمل: دراسة قوانين المجال المغناطيسي في الفراغ. قياس المكون الأفقي لتحريض المجال المغناطيسي للأرض. الحد الأدنى النظري للمجال المغناطيسي يتم إنشاء المجال المغناطيسي عن طريق تحريك الشحنات الكهربائية (التيار الكهربائي) أو الأجسام الممغنطة (المغناطيس الدائم) أو المجال الكهربائي المتغير بمرور الوقت. يتجلى وجود المجال المغناطيسي من خلال تأثير قوته على شحنة كهربائية متحركة (موصل مع تيار)، وكذلك من خلال التأثير الموجه للمجال على إبرة مغناطيسية أو موصل مغلق (إطار) مع تيار. الحث المغناطيسي الحث المغناطيسي B هو ناقل يتم تحديد معامله بنسبة الحد الأقصى للقوة Mmax التي تعمل على إطار به تيار في مجال مغناطيسي إلى اللحظة المغناطيسية مساءً لهذا الإطار مع التيار M B = الحد الأقصى. (1) مساءً يتطابق اتجاه المتجه B مع الاتجاه العمودي إلى الإطار الحامل للتيار المنشأ في مجال مغناطيسي. اللحظة المغناطيسية مساءً للإطار مع التيار تساوي حجم منتج القوة الحالية I والمنطقة S المحددة بالإطار مساءً = IS. يتزامن اتجاه المتجه p m مع الاتجاه الطبيعي للإطار. يتم تحديد اتجاه الوضع الطبيعي للإطار مع التيار من خلال قاعدة المسمار الأيمن: إذا تم تدوير المسمار ذو الخيط الأيمن في اتجاه التيار في الإطار، فسوف تتزامن الحركة الانتقالية للمسمار مع الاتجاه الطبيعي لمستوى الإطار (الشكل 1). يُظهر اتجاه الحث المغناطيسي B أيضًا الطرف الشمالي للإبرة المغناطيسية الموجودة في المجال المغناطيسي. وحدة SI للحث المغناطيسي هي تسلا (T). 2 قانون Bio-Savart-Laplace كل عنصر dl من موصل مع تيار أقوم بإنشاء مجال مغناطيسي عند نقطة ما A مجال مغناطيسي مع تحريض dB، يتناسب حجمه مع المنتج المتجه للمتجهات dl ومتجه نصف القطر r المرسوم من العنصر dl إلى نقطة معينة A (الشكل 2) μ μI dB = 0 3 , (2) 4π r حيث dl هو عنصر متناهية الصغر في الموصل، يتزامن اتجاهه مع اتجاه التيار في الموصل؛ ص - معامل المتجه ص؛ μ0 – ثابت مغناطيسي؛ μ هي النفاذية المغناطيسية للوسط الذي يوجد فيه العنصر والنقطة A (للفراغ μ = 1، للهواء μ ≅ 1). dB متعامد مع متجه المستوى الذي يوجد فيه المتجهان dl و r (الشكل 2). يتم تحديد اتجاه المتجه dB بواسطة قاعدة المسمار الأيمن: إذا تم تدوير المسمار ذو الخيط الأيمن من dl إلى r باتجاه زاوية أصغر، فإن الحركة الانتقالية للمسمار ستتزامن مع اتجاه dB. تحدد معادلة المتجهات (2) في شكل عددي وحدة الحث المغناطيسي μ μ I dl sinα dB = 0, (3) 4π r 2 حيث α هي الزاوية بين المتجهات dl وr. مبدأ تراكب المجالات المغناطيسية إذا تم إنشاء مجال مغناطيسي بواسطة العديد من الموصلات الحاملة للتيار (الشحنات المتحركة والمغناطيس وما إلى ذلك)، فإن تحريض المجال المغناطيسي الناتج يساوي مجموع تحريضات المجالات المغناطيسية الناتجة عن كل منها موصل بشكل منفصل: B res = ∑ B i . i يتم الجمع وفقًا لقواعد جمع المتجهات. الحث المغناطيسي على محور موصل دائري مع التيار باستخدام قانون Biot-Savart-Laplace ومبدأ التراكب، من الممكن حساب تحريض المجال المغناطيسي الناتج عن موصل تعسفي مع التيار. للقيام بذلك، يتم تقسيم الموصل إلى عناصر dl ويتم حساب تحريض dB للمجال الناتج عن كل عنصر عند النقطة المدروسة في الفضاء باستخدام الصيغة (2). سيكون الحث B للمجال المغناطيسي الناتج عن جميع الموصلات الثلاثة مساويًا لمجموع مجالات الحث الناتجة عن كل عنصر (نظرًا لأن العناصر متناهية الصغر، يتم تقليل الجمع لحساب التكامل على طول الموصل l) B = ∫ ديسيبل. (4) ل كمثال، دعونا نحدد الحث المغناطيسي في مركز موصل دائري مع التيار I (الشكل 3،أ). دع R يكون نصف قطر الموصل. في مركز المنعطف، يتم توجيه ناقلات dB لجميع عناصر الموصل بنفس الطريقة - بشكل عمودي على مستوى المنعطف وفقًا لقاعدة اللولب الأيمن. يتم أيضًا توجيه المتجه B للمجال الناتج للموصل الدائري بأكمله إلى هذه النقطة. نظرًا لأن جميع العناصر dl متعامدة مع متجه نصف القطر r، فإن sinα = 1، والمسافة من كل عنصر dl إلى مركز الدائرة هي نفسها وتساوي نصف القطر R للدورة. وفي هذه الحالة، تأخذ المعادلة (3) الشكل μ μ I dl. dB = 0 4 π R2 بدمج هذا التعبير على طول الموصل l في المدى من 0 إلى 2πR، نحصل على تحريض المجال المغناطيسي في وسط موصل دائري مع التيار I. (5) B = μ0 μ 2R وبالمثل، يمكننا الحصول على تعبير للحث المغناطيسي على محور موصل دائري على مسافة h من مركز الملف مع التيار (الشكل 3، ب) B = μ0 μ I R 2 2(ر2 + ح2)3 / 2. الإجراء التجريبي (6) 4 الأرض عبارة عن مغناطيس طبيعي، يقع قطباه بالقرب من القطبين الجغرافيين. المجال المغناطيسي للأرض يشبه مجال المغناطيس المستقيم. يمكن تقسيم متجه الحث المغناطيسي بالقرب من سطح الأرض إلى مكونات BG أفقية ومكونات BB عمودية: BEarth = VG + VV تعتمد طريقة قياس معامل المكون الأفقي VG للمجال المغناطيسي للأرض في هذا العمل على مبدأ تراكب المجالات المغناطيسية. إذا كانت الإبرة المغناطيسية (على سبيل المثال، إبرة البوصلة) يمكن أن تدور بحرية حول محور عمودي، فسيتم تثبيتها تحت تأثير المكون الأفقي للمجال المغناطيسي للأرض في مستوى خط الطول المغناطيسي، على طول الاتجاه B G إذا تم إنشاء مجال مغناطيسي آخر بالقرب من الإبرة، حيث يقع الحث B في مستوى أفقي، فسوف يدور السهم خلال زاوية معينة α ويتم ضبطه في اتجاه الحث الناتج لكلا المجالين. بمعرفة B وقياس الزاوية α، يمكننا تحديد BG. يظهر في الشكل منظر عام للتركيب، يسمى الجلفانومتر المماس. 4، تظهر الدائرة الكهربائية في الشكل. 5. في وسط الموصلات الدائرية (المنعطفات) 1 توجد بوصلة 2 يمكن تحريكها على طول محور المنعطفات. يقع المصدر الحالي ε في السكن 3، على اللوحة الأمامية التي يوجد بها: مفتاح K (شبكة)؛ مقبض مقياس الجهد R، والذي يسمح لك بضبط القوة الحالية في الموصل الدائري؛ ملي أمبير، الذي يقيس التيار في الموصل؛ التبديل P، والذي يمكنك من خلاله تغيير اتجاه التيار في الموصل الدائري للجلفانومتر المماس. قبل البدء في القياسات، يتم تثبيت إبرة البوصلة المغناطيسية في مستوى المنعطفات الدائرية في المركز (الشكل 6). في هذه الحالة، في حالة عدم وجود تيار في المنعطفات، ستظهر الإبرة المغناطيسية اتجاه المكون الأفقي B Г لتحريض المجال المغناطيسي للأرض. إذا قمت بتشغيل التيار في موصل دائري، فإن ناقل الحث B للمجال الذي ينشئه سيكون متعامدًا مع B G. ستدور الإبرة المغناطيسية للجلفانومتر المماس خلال زاوية معينة α وتوضع في اتجاه الحث للحقل الناتج (الشكل 6 والشكل 7). يتم تحديد ظل زاوية انحراف الإبرة المغناطيسية α بالصيغة 5 tgα = من المعادلتين (5) و (7) نحصل على BГ = B. بي جي (7) μo μ I . 2 R tgα في تركيب معملي لزيادة الحث المغناطيسي، يتكون الموصل الدائري من عدد N من اللفات، وهو ما يعادل من حيث الفعل المغناطيسي زيادة قوة التيار بمقدار N مرات. ولذلك، فإن صيغة الحساب لتحديد المكون الأفقي لتحريض VG للمجال المغناطيسي للأرض لها الشكل μ μIN BG = o. (8) 2 R tgα الأدوات والملحقات: حامل المختبر. إجراءات إكمال العمل يتم تحديد حجم العمل وشروط إجراء التجربة من قبل المعلم أو من خلال مهمة فردية. قياس المكون الأفقي لتحريض VG للمجال المغناطيسي للأرض 1. من خلال تدوير جسم التثبيت، تأكد من وجود الإبرة المغناطيسية في مستوى المنعطفات. في هذه الحالة، فإن مستوى المنعطفات المماسية للجلفانومتر سوف يتزامن مع مستوى خط الطول المغناطيسي للأرض. 2. ضع مقبض مقياس الجهد R على أقصى موضع على اليسار. اضبط المفتاح K (الشبكة) على وضع التشغيل. ضع المفتاح P في أحد المواضع المتطرفة (في الموضع الأوسط للمفتاح P تكون دائرة المنعطفات مفتوحة). 3. استخدم مقياس الجهد R لتعيين القيمة المحددة الأولى للتيار I (على سبيل المثال، 0.05 أ) وتحديد زاوية α1 لانحراف المؤشر عن الموضع الأصلي. 6 4. قم بتغيير اتجاه التيار عن طريق تحويل المفتاح P إلى موضع متطرف آخر. حدد الزاوية α 2 لانحراف السهم الجديد. يتيح لك تغيير اتجاه التيار التخلص من الخطأ الناتج عن المصادفة غير الدقيقة لمستوى المنعطفات مع مستوى خط الطول المغناطيسي. أدخل نتائج القياس في الجدول. 1. الجدول 1 رقم القياس I، A α1، درجة. α 2، درجة. α, deg B G, T 1 2 3 4 5 احسب متوسط ​​قيمة α باستخدام الصيغة α + α2 α = 1. 2 5. قم بإجراء القياسات المحددة في الفقرتين 3 و 4 عند أربع قيم تيار مختلفة في النطاق من 0.1 إلى 0.5 أ. 6. لكل قيمة حالية، استخدم الصيغة (8) لحساب المكون الأفقي B G للتحريض المجال المغناطيسي للأرض. عوّض بالقيمة المتوسطة α في الصيغة. نصف قطر الموصل الدائري R = 0.14 م؛ يشار إلى عدد اللفات N في التثبيت. يمكن اعتبار النفاذية المغناطيسية للهواء مساوية للوحدة تقريبًا. 7. احسب متوسط ​​قيمة المكون الأفقي B Г لتحريض المجال المغناطيسي للأرض. قارنها بالقيمة الجدولية B Gtable = 2 ⋅ 10 −5 T. 8. بالنسبة لإحدى القيم الحالية، احسب الخطأ Δ B Г = ε ⋅ B Г واكتب فاصل الثقة الناتج B Г = (B Г ± ΔB Г) T. خطأ نسبي في قياس القيمة B Г ε = ε I 2 + ε R 2 + εα 2. حساب الأخطاء الجزئية النسبية باستخدام الصيغ 2Δ α ΔI ΔR ; εR = ; εα = εI = , I R sin 2 α حيث Δ α هو الخطأ المطلق للزاوية α، معبرًا عنها بالراديان (لتحويل الزاوية α إلى راديان، يجب ضرب قيمتها بالدرجات في π وتقسيمها على 180). 9. اكتب استنتاجًا - قارن فيه القيمة المقاسة لـ BG بالقيمة الجدولية؛ - يكتب فاصل الثقة الناتج للقيمة B Г؛ 7 - حدد القياس الذي ساهم بشكل رئيسي في الخطأ في القيمة B G. دراسة اعتماد الحث المغناطيسي على شدة التيار في الموصل 10. لإكمال هذه المهمة، أكمل الخطوات من 1 إلى 5. أدخل نتائج القياس في الطاولة. 2. الجدول 2 رقم القياس I، A α1، درجة. α 2، درجة. α , deg Vexp, T Vteor, T 1 2 3 4 5 11. باستخدام القيمة الجدولية لـ B Gtable = 2 ⋅ 10 −5 T، لكل قيمة حالية باستخدام الصيغة (7) احسب القيمة التجريبية لتحريض Vexp للمغناطيسي الحقل الذي تم إنشاؤه بواسطة المنعطفات. عوّض بالقيمة المتوسطة α في الصيغة. أدخل النتائج في الجدول. 2. 12. لكل قيمة حالية، باستخدام الصيغة μ μI N (9) Btheor = o 2R، احسب القيمة النظرية لتحريض المجال المغناطيسي الناتج عن المنعطفات. نصف قطر الموصل الدائري R = 0.14 م؛ يشار إلى عدد اللفات N في التثبيت. يمكن اعتبار النفاذية المغناطيسية للهواء مساوية للوحدة تقريبًا. أدخل النتائج في الجدول. 2. 13. ارسم نظام الإحداثيات: المحور السيني هو القوة الحالية I بالتناوب، والمحور الإحداثي هو الحث المغناطيسي B، حيث ارسم اعتماد Vexp على القوة الحالية I بالتناوب. لا تقم بتوصيل النقاط التجريبية التي تم الحصول عليها بخط. 14. على نفس الرسم البياني، قم بتصوير اعتماد Btheor على I من خلال رسم خط مستقيم عبر نقاط Btheor. 15. تقييم درجة التوافق بين التبعيات التجريبية والنظرية التي تم الحصول عليها B(I). اذكر الأسباب المحتملة لتناقضها. 16. اكتب استنتاجًا تشير فيه إلى ما إذا كانت التجربة تؤكد الاعتماد الخطي B(I)؛ - هل تتطابق القيم التجريبية لتحريض المجال المغناطيسي الناتج عن الملفات مع القيم النظرية؛ تشير إلى الأسباب المحتملة لهذا التناقض. 17. يمكن لبوصلة الجلفانومتر الظل أن تتحرك بشكل عمودي على مستوى الملفات. وبقياس زوايا α انحراف الإبرة المغناطيسية لمسافات مختلفة h من مركز اللفات عند قوة تيار ثابتة I في اللفات ومعرفة قيمة B Г، يمكن التحقق من صحة الصيغة النظرية (6) . 8 تحقق من الأسئلة 1. اشرح مفاهيم المجال المغناطيسي والحث المغناطيسي. 2. ما هو قانون بيوت-سافارت-لابلاس؟ 3. ما هو الاتجاه وما هي القيم التي يعتمد عليها الحث المغناطيسي في وسط موصل دائري مع التيار؟ 4. ما هو مبدأ تراكب المجالات المغناطيسية؟ وكيف يتم استخدامه في هذا العمل؟ 5. كيف يتم تثبيت الإبرة المغناطيسية: أ) في حالة عدم وجود تيار في دورات الجلفانومتر المماس؛ ب) متى يتدفق التيار عبر المنعطفات؟ 6. لماذا يتغير موضع الإبرة المغناطيسية عندما يتغير اتجاه التيار في المنعطفات؟ 7. كيف سيتم تركيب الإبرة المغناطيسية للجلفانومتر المماس إذا كان التثبيت محميًا من المجال المغناطيسي للأرض؟ 8. لأي غرض لا يتم استخدام دورة واحدة، بل عدة عشرات من اللفات في الجلفانومتر المماس؟ 9. لماذا، عند إجراء التجارب، يجب أن يتزامن مستوى دوران الجلفانومتر المماس مع مستوى خط الطول المغناطيسي للأرض؟ 10. لماذا يجب أن يكون حجم الإبرة المغناطيسية أصغر بكثير من نصف قطر اللفات؟ 11. لماذا يؤدي إجراء التجارب في اتجاهين متعاكسين للتيار في اللفات إلى زيادة دقة قياس B G؟ ما الخطأ التجريبي المستبعد في هذه الحالة؟ قائمة المراجع 1. تروفيموفا، تي. دورة الفيزياء. 2000. §§ 109، 110. 12 العمل المعملي رقم 5.2 (26) تحديد الحث المغناطيسي الغرض من العمل: دراسة قانون أمبير والتحقق منه؛ دراسة اعتماد المجال المغناطيسي لتحريض المغناطيس الكهربائي على القوة الحالية في لفه. الحد الأدنى النظري للمجال المغناطيسي (انظر ص. 4) الحث المغناطيسي (انظر ص 4) قانون أمبير كل عنصر dl من موصل مع التيار I، يقع في مجال مغناطيسي مع الحث B، يتم التأثير عليه بواسطة قوة dF = I dl × B. (1) يتم تحديد اتجاه المتجه dF بواسطة قاعدة حاصل الضرب المتجه: تشكل المتجهات dl وB وdF ثلاثية متجهة على الجانب الأيمن (الشكل 1). يكون المتجه dF متعامدًا مع المستوى الذي يقع فيه المتجهان dl وB. يمكن تحديد اتجاه قوة أمبير dF من خلال قاعدة اليد اليسرى: إذا دخل ناقل الحث المغناطيسي إلى راحة اليد، وكانت الأصابع الأربعة الممتدة موجودة في اتجاه التيار في الموصل، فسيظهر الإبهام منحنيًا بمقدار 90 درجة اتجاه قوة أمبير المؤثرة على هذا العنصر من الموصل. يتم حساب معامل قوة الأمبير بالصيغة dF = I B sin α ⋅ dl، حيث α هي الزاوية بين المتجهين B وdl. (2) 13 الطريقة التجريبية يتم تحديد قوة الأمبير في الشغل باستخدام المقاييس (الشكل 2). يتم تعليق الموصل الذي يتدفق من خلاله التيار من عارضة التوازن. ولزيادة القوة المقاسة، يتم تصنيع الموصل على شكل إطار مستطيل 1، يحتوي على دورات N. يقع الجانب السفلي من الإطار بين قطبي المغناطيس الكهربائي 2، مما يخلق مجالًا مغناطيسيًا. يتم توصيل المغناطيس الكهربائي بمصدر تيار مباشر بجهد 12 فولت. يتم تنظيم التيار I EM في دائرة المغناطيس الكهربائي باستخدام مقاومة متغيرة R 1 ويتم قياسه بمقياس التيار الكهربائي A1. يتم توصيل الجهد من المصدر إلى المغناطيس الكهربائي من خلال المحطات 4 الموجودة على جسم الميزان. يتم إنشاء التيار I في الإطار بواسطة مصدر تيار مستمر بجهد 12 فولت، ويتم قياسه بواسطة مقياس التيار الكهربائي A2 ويتم تنظيمه بواسطة مقاومة متغيرة R2. يتم توفير الجهد إلى الإطار من خلال المحطات الطرفية 5 على جسم الميزان. من خلال موصلات الإطار الموجودة بين أقطاب المغناطيس الكهربائي، يتدفق التيار في اتجاه واحد. ولذلك، فإن قوة الأمبير F = I lBN تؤثر على الجانب السفلي من الإطار، (3) حيث l هو طول الجانب السفلي من الإطار؛ B هو تحريض المجال المغناطيسي بين قطبي المغناطيس الكهربائي. إذا تم اختيار اتجاه التيار في الإطار بحيث يتم توجيه قوة الأمبير عموديًا إلى الأسفل، فيمكن موازنتها بواسطة قوة جاذبية الأوزان الموضوعة على كفة ذات 3 موازين. إذا كانت كتلة الأوزان m، فإن جاذبيتها mg، ووفقًا للصيغة (4)، الحث المغناطيسي mg. (4) B= IlN الأجهزة والملحقات: تركيب لقياس قوة الأمبير وتحريض المجال المغناطيسي؛ مجموعة من الأوزان. 14 إجراء أداء العمل يتم تحديد حجم العمل وشروط إجراء التجربة من قبل المعلم أو من خلال مهمة فردية. 1. تأكد من تجميع الدائرة الكهربائية للتركيب بشكل صحيح. عند المقاومة المتغيرة R 1 و R 2، يجب إدخال الحد الأقصى للمقاومة. 2. قبل البدء بالقياسات يجب موازنة الميزان. يتم الوصول إلى وعاء الميزان فقط من خلال الباب الجانبي. يتم تحرير المقاييس (إزالتها من القفل) عن طريق تحويل المقبض 6 إلى الوضع المفتوح (الشكل 1). يجب التعامل مع الموازين بعناية بعد الانتهاء من القياسات، قم بإدارة المقبض 6 إلى الوضع المغلق. 3. يقوم المعلم بتوصيل التثبيت بالشبكة. 4. املأ الجدول. 1 خصائص أدوات القياس الكهربائية. الجدول 1 اسم الجهاز نظام الجهاز حد القياس مقياس التيار الكهربائي لقياس التيار في الإطار مقياس التيار الكهربائي لقياس التيار في المغناطيس الكهربائي فئة السعر خطأ في تقسيم دقة الأداة ΔI pr ΔI EM pr التحقق من قانون أمبير 5. ضع وزن الكتلة المطلوبة على كوب من مقياس قفص (على سبيل المثال، م = 0.5 غرام). باستخدام المتغير المتغير R 1، اضبط التيار في دائرة المغناطيس الكهربائي على القيمة المطلوبة (على سبيل المثال، I EM = 0.2 A). 6. حرر المقاييس واستخدم المتغير R 2، حدد مثل هذا التيار I في الإطار بحيث تكون المقاييس متوازنة. سجل النتائج التي تم الحصول عليها في الجدول 2. الجدول 2 رقم القياس I EM، A t، g I، A F، H 1 2 3 4 5 7. بنفس قيمة I EM، قم بإجراء أربعة قياسات أخرى محددة في الفقرة 5، مع زيادة كتلة الأوزان في كل مرة بحوالي 0.2 15 8. لكل تجربة، احسب قوة الأمبير المساوية لقوة الجاذبية للأوزان F = mg. 9. إنشاء رسم بياني لاعتماد F على القوة الحالية I في الموصل، ورسم القيم على طول محور الإحداثي السيني I. تم الحصول على هذا الاعتماد عند قيمة ثابتة معينة لتيار المغناطيس الكهربائي I EM، وبالتالي فإن قيمة الحث المغناطيسي ثابتة أيضًا. ولذلك، فإن النتيجة التي تم الحصول عليها تسمح لنا باستخلاص استنتاج حول جدوى قانون أمبير من حيث تناسب قوة أمبير مع القوة الحالية في الموصل: F ~ I. تحديد اعتماد الحث المغناطيسي على تيار المغناطيس الكهربائي 10. ضع حمولة من كتلة معينة على مقياس الميزان (على سبيل المثال، م = 1 جم). بالنسبة لخمس قيم مختلفة لتيار المغناطيس الكهربائي I EM (على سبيل المثال، من 0.2 إلى 0.5 أ)، حدد التيارات I في دائرة الإطار التي توازن المقاييس. سجل النتائج في الجدول. 3. الجدول 3 عدد القياسات m، g I EM، A I، A B، T 1 2 3 4 5 11. باستخدام الصيغة (5)، احسب قيم الحث المغناطيسي B في كل تجربة. تتم الإشارة إلى قيم l و N في التثبيت. ارسم اعتماد B على تيار المغناطيس الكهربائي، ورسم قيم I EM على طول محور الإحداثي السيني. 12. في إحدى التجارب، حدد الخطأ Δ B. حساب الأخطاء الجزئية النسبية باستخدام الصيغ Δl ΔI εl = ; ε أنا = ; ε م = 10 −3 . l أقوم بتسجيل فترة الثقة الناتجة في التقرير. وفي الخاتمة ناقش: - ما أظهره اختبار قانون أمبير، وما إذا كان متحققا؛ على أي أساس تم الاستنتاج؟ - كيف يعتمد الحث المغناطيسي للمغناطيس الكهربائي على التيار في لفه؛ - هل سيتم الحفاظ على هذا الاعتماد مع زيادة أخرى في I EM (مع الأخذ في الاعتبار أن المجال المغناطيسي ناتج عن مغنطة النواة الحديدية). 16 اختبر الأسئلة 1. ما هو قانون أمبير؟ ما هو اتجاه قوة أمبير؟ كيف يعتمد ذلك على موقع الموصل في المجال المغناطيسي؟ 2. كيف يتم إنشاء مجال مغناطيسي منتظم في العمل؟ ما هو اتجاه ناقل الحث المغناطيسي؟ 3. لماذا يجب أن يتدفق التيار المباشر في الإطار في هذا العمل؟ ما الذي سيؤدي إليه استخدام التيار المتردد؟ 4. لماذا يتم استخدام إطار يتكون من عشرات المنعطفات في العمل؟ 5. لماذا من الضروري تحديد اتجاه معين للتيار في الإطار للتشغيل العادي للتثبيت؟ ما الذي سيؤدي إليه التغيير في اتجاه التيار؟ كيف يمكنك تغيير اتجاه التيار في الإطار؟ 6. إلى ماذا سيؤدي التغيير في اتجاه التيار في ملف المغناطيس الكهربائي؟ 7. تحت أي ظروف في العمل يتحقق توازن المقاييس؟ 8. ما هي النتيجة الطبيعية لقانون أمبير التي تم اختبارها في هذا العمل؟ المراجع 1. تروفيموفا تي. دورة الفيزياء. 2000. §§ 109، 111، 112. 17 العمل المختبري رقم 5.3 (27) تحديد الشحنة النوعية للإلكترون باستخدام أنبوب أشعة تشود الغرض من العمل: دراسة أنماط حركة الجسيمات المشحونة في الكهرباء والمغناطيسية مجالات؛ تحديد السرعة والشحنة النوعية للإلكترون. الحد الأدنى النظري لقوة لورنتز الشحنة q التي تتحرك بسرعة v في مجال كهرومغناطيسي تتأثر بقوة لورنتز F l = qE + q v B ، (1) حيث E هي شدة المجال الكهربائي؛ ب- تحريض المجال المغناطيسي. يمكن تمثيل قوة لورنتز كمجموع المكونات الكهربائية والمغناطيسية: F l = Fe + F m. لا يعتمد المكون الكهربائي لقوة لورنتز F e = qE (2) على سرعة الشحنة. يتم تحديد اتجاه المكون الكهربائي من خلال إشارة الشحنة: بالنسبة إلى q > 0، يتم توجيه المتجهات E وFe بنفس الطريقة؛ في س< 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) يتم تشكيل الثلاثي الأيمن من المتجهات بواسطة المتجهات v و ​​B و Fm (الشكل 1) لشحنة سالبة (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 > ب 0) لا يصل الإلكترون إلى القطب الموجب إطلاقاً ويعود إلى الكاثود. في حالة B = B 0، يمكننا أن نفترض أن الإلكترون يتحرك في دائرة نصف قطرها r = ra / 2، حيث ra هو نصف قطر الأنود. القوة FM = evB تخلق تسارعًا طبيعيًا (جاذبًا مركزيًا)، وبالتالي، وفقًا للقانون الأساسي لديناميات الحركة الانتقالية، mv 2 (1) = evB. r يمكن معرفة سرعة حركة الإلكترون من شرط أن تكون الطاقة الحركية للإلكترون تساوي عمل قوى المجال الكهربائي على مسار الإلكترون من الكاثود إلى الأنود mv 2 = eU a ، منها 2 ت = 2eU أ . m (2) 27 باستبدال هذه القيمة للسرعة v في المعادلة (1) ومع الأخذ في الاعتبار أن r = ra / 2، نحصل على التعبير الخاص بالشحنة المحددة للإلكترون 8U e = 2 a2. تسمح لك صيغة m B o ra (3) بحساب القيمة (3) em إذا وجدت، بالنسبة لقيمة معينة لجهد الأنود U a، قيمة الحث المغناطيسي Bo حيث يلامس مسار الإلكترون سطح الأنود. يتم استخدام مصباح مؤشر لمراقبة مسار الإلكترون (الشكل 4). يقع الكاثود K على طول محور الأنود الأسطواني A. ويتم تسخين الكاثود بواسطة فتيل. يوجد بين الكاثود والأنود شاشة E، لها شكل سطح مخروطي. الشاشة مغطاة بطبقة من الفوسفور، والتي تتوهج عندما تصطدم بها الإلكترونات. بالتوازي مع محور المصباح بالقرب من الكاثود يوجد سلك رفيع - هوائيات U متصلة بالأنود. يتم التقاط الإلكترونات التي تمر بالقرب من الهوائيات، لذلك يتم تشكيل الظل على الشاشة (الشكل 5). تتوافق حدود الظل مع مسار الإلكترونات في المصباح. يتم وضع المصباح في وسط الملف اللولبي الذي يخلق مجالًا مغناطيسيًا، حيث يتم توجيه ناقل الحث r الذي B منه على طول محور المصباح. يتم تركيب الملف اللولبي 1 والمصباح 2 على الحامل (الشكل 6). ترتبط المحطات الموجودة على اللوحة بملف الملف اللولبي وخيوط الكاثود والكاثود والأنود للمصباح. يتم تشغيل الملف اللولبي من المقوم 3. مصدر جهد الأنود وجهد فتيل الكاثود هو المقوم 4. يتم قياس القوة الحالية في الملف اللولبي باستخدام مقياس التيار الكهربائي A، ويتم قياس جهد الأنود U a باستخدام مقياس الفولتميتر V. يسمح المفتاح P لك لتغيير اتجاه التيار في لف الملف اللولبي. 28 يتم تحديد الحث المغناطيسي في مركز الملف اللولبي، وبالتالي داخل مصباح المؤشر، من خلال العلاقة μo I N , (4) B= 2 2 4R + l حيث μ0 = 1.26·10 – 6 H/m - ثابت مغناطيسي؛ أنا - القوة الحالية في الملف اللولبي. N هو عدد اللفات، R هو نصف القطر، l هو طول الملف اللولبي. باستبدال قيمة B هذه في التعبير (3)، نحصل على صيغة لتحديد الشحنة النوعية للإلكترون e 8U a (4R 2 + l 2) , = m μo2 I o2 N 2ra2 (5) حيث I o هو التيار القيمة في الملف اللولبي الذي يلامس فيه مسار الإلكترون الحافة الخارجية للشاشة. بالنظر إلى أن Ua وI0 يتم قياسهما عمليًا، والقيم N، R، l، ra هي معلمات التثبيت، من الصيغة (5) نحصل على صيغة حسابية لتحديد الشحنة المحددة للإلكترون U e (6) ) = A ⋅ 2a, m Io حيث A هو ثابت التثبيت A= (8 4R 2 + l 2 μo2 N 2ra2). (7) 29 أداة وملحقات: طاولة مختبر مع مصباح مؤشر، وملف لولبي، ومقياس التيار الكهربائي، وفولتميتر؛ اثنين من المعدلات. ترتيب الأداء 1. املأ الجدول. 1 خصائص الأميتر والفولتميتر. الجدول 1 الاسم نظام الجهاز الفولتميتر حد القياس سعر القسم فئة الدقة ΔI pr مقياس التيار الكهربائي 2. 3. 4. خطأ في الجهاز ΔU pr تحقق من التوصيل الصحيح للأسلاك وفقًا للشكل. 6. حرك مقابض تعديل المقوم إلى أقصى موضع على اليسار. اكتب في التقرير المعلمات المشار إليها في التثبيت: عدد اللفات N والطول l ونصف القطر R للملف اللولبي. نصف قطر الأنود ra = 1.2 سم. 2 نتائج قياسات U القيمة التي يحددها المعلم أو خيار الواجب الفردي. الجدول 2 رقم القياس Ua , V I o1 , A I o2 , A Io , A e m , C/kg 1 2 3 5. 6. قم بتوصيل المقومات بشبكة ~ 220 فولت بعد بضع دقائق، بعد تسخين كاثود المصباح ، قم بالتثبيت باستخدام مقبض تعديل المعدل 4 قيمة الجهد المطلوبة U a. وفي الوقت نفسه، تبدأ شاشة المصباح في التوهج. قم بزيادة التيار I تدريجيًا في الملف اللولبي باستخدام مقبض ضبط المقوم 3 ولاحظ انحناء مسار الإلكترون. حدد وسجل في الجدول. 2 هي القيمة الحالية I o1 التي يلامس فيها مسار الإلكترون الحافة الخارجية للشاشة. 30 7. 8. 9. قم بتقليل التيار في الملف اللولبي إلى الصفر. انقل المفتاح P إلى موضع آخر، وبالتالي عكس اتجاه التيار في الملف اللولبي. حدد وسجل في الجدول. 2 هي القيمة الحالية I o 2 التي يلامس فيها مسار الإلكترون الحافة الخارجية للشاشة مرة أخرى. قم بإجراء القياسات المحددة في الفقرات 5-7 عند قيمتين إضافيتين لجهد الأنود U a. لكل قيمة من جهد الأنود، قم بالحساب والتسجيل في الجدول. 2 متوسط ​​القيم الحالية I o = (I o1 + I o 2) / 2. 10. باستخدام الصيغة (7)، احسب ثابت التثبيت A واكتب النتيجة في التقرير. 11. باستخدام قيمة A ومتوسط ​​قيمة I o، احسب باستخدام الصيغة (6) e لكل قيمة U a. اكتب نتائج الحسابات في الجدول. 2. هـ 12. احسب واكتب القيمة المتوسطة t 13. بناءً على نتائج إحدى التجارب، احسب الخطأ المطلق e e e Δ في تحديد الشحنة المحددة للإلكترون باستخدام الصيغة Δ = ⋅ε، m m m محددة اشحن حيث ε = ε U2 a + ε 2I o + 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 هنا ΔU a هو خطأ جهاز الفولتميتر. باعتباره الخطأ الحالي ΔI o، حدد أكبر خطأين: عشوائي في εU a = خطأ ΔI 0sl = I o1 − I o 2 2 وخطأ أداة مقياس التيار الكهربائي ΔI pr (انظر جدول خصائص الجهاز). يتم تعريف الأخطاء Δra، Δl، ΔR على أنها أخطاء الكميات المحددة عددياً. 14. تتم كتابة النتيجة النهائية لتحديد الشحنة النوعية للإلكترون على شكل فاصل ثقة: = ±Δ. م م م 31 15. في استنتاجاتك حول العمل اكتب: - ما تمت دراسته في العمل؛ - كيف يعتمد نصف قطر انحناء مسار الإلكترون (نوعيًا) على حجم المجال المغناطيسي؛ - كيف ولماذا يؤثر اتجاه التيار في الملف اللولبي على مسار الإلكترونات؛ - ما هي النتيجة التي تم الحصول عليها؛ - هل تقع القيمة الجدولية لشحنة الإلكترون المحددة ضمن فاصل الثقة الناتج؛ - ما هو خطأ القياس الذي ساهم بشكل رئيسي في الخطأ في قياس الشحنة النوعية للإلكترون. أسئلة الاختيار ما الذي يحدد وكيف يتم توجيهها: أ) المكون الكهربائي لقوة لورنتز؛ ب) المكون المغناطيسي لقوة لورنتز؟ 2. كيف يتم توجيهها وكيف يتغير حجمها في مصباح المؤشر: أ) المجال الكهربائي؛ ب) المجال المغناطيسي؟ 3. كيف تتغير سرعة الإلكترونات في المصباح مع المسافة من الكاثود؟ هل يؤثر المجال المغناطيسي على السرعة؟ 4. ما هو مسار الإلكترونات في المصباح ذو الحث المغناطيسي: أ) ب = 0؛ ب) ب = بو؛ ج) ب< Bo ; г) B >بو؟ 5. ما هو تسارع الإلكترونات بالقرب من الأنود وكيف يتم توجيهه نحو الحث المغناطيسي B = Bo؟ 6. ما هو الدور الذي يلعبه ما يلي في مصباح المؤشر: أ) الشاشة؛ ب) سلك المحلاق؟ 7. لماذا يزداد سطوع شاشة المصباح عندما يزيد جهد الأنود Ua؟ 8. كيف يتم إنشاء ما يلي في المصباح: أ) مجال كهربائي. ب) المجال المغناطيسي؟ 9. ما هو الدور الذي يلعبه الملف اللولبي في هذا العمل؟ لماذا يجب أن يحتوي الملف اللولبي على عدد كبير إلى حد ما من اللفات (عدة مئات)؟ 10. هل العمل: أ) كهربائي. ب) المكون المغناطيسي لقوة لورنتز؟ 1. المراجع 1. تروفيموفا تي. دورة الفيزياء، 2000، § 114، 115. 32 العمل المختبري رقم 5.5 (29) دراسة الخصائص المغناطيسية للشبكة الحديدية الغرض من العمل: دراسة الخواص المغناطيسية للمادة؛ تحديد حلقة التباطؤ المغناطيسي للمغناطيس الحديدي. الحد الأدنى النظري من الخواص المغناطيسية للمادة جميع المواد، عند إدخالها في مجال مغناطيسي، تظهر خواص مغناطيسية بدرجة أو بأخرى، ووفقًا لهذه الخصائص، تنقسم إلى ثنائية مغناطيسية، ومغناطيسية مسايرة، ومغناطيسية حديدية. يتم تحديد الخواص المغناطيسية للمادة من خلال العزوم المغناطيسية لذراتها. أي مادة موضوعة في مجال مغناطيسي خارجي تخلق مجالها المغناطيسي الخاص، والذي يتم فرضه على المجال الخارجي. السمة الكمية لمثل هذه الحالة من المادة هي المغنطة J، والتي تساوي مجموع العزوم المغناطيسية للذرات لكل وحدة حجم من المادة. تتناسب المغنطة مع قوة H للمجال المغناطيسي الخارجي J = χH، (1) حيث χ هي كمية بلا أبعاد تسمى القابلية المغناطيسية. تتميز الخواص المغناطيسية للمادة، بالإضافة إلى القيمة χ، أيضًا بالنفاذية المغناطيسية μ = χ +1. (2) يتم تضمين النفاذية المغناطيسية μ في العلاقة التي تربط الكثافة H والتحريض B للمجال المغناطيسي في المادة B = μo μ H، (3) حيث μo = 1.26 ⋅10 −6 H/m هي المغناطيسية ثابت. العزم المغناطيسي للذرات المغناطيسية في غياب مجال مغناطيسي خارجي هو صفر. في المجال المغناطيسي الخارجي، يتم توجيه العزوم المغناطيسية المستحثة للذرات، وفقًا لقاعدة لينز، ضد المجال الخارجي. يتم توجيه المغنطة J أيضًا، وبالتالي بالنسبة للمواد المغناطيسية 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