การประชุมเชิงปฏิบัติการห้องปฏิบัติการแม่เหล็กไฟฟ้า เรื่อง ฟิสิกส์เครื่องกลทหาร แม่เหล็กไฟฟ้า งานห้องปฏิบัติการ ข้อใดเป็นหน่วยวัดความเหนี่ยวนำ

9. ป้อนข้อมูลที่ได้รับในครึ่งบนของตารางที่ 2 โดยนำเสนอผลลัพธ์ในรูปแบบ

10. กดสวิตช์ 10 ซึ่งจะช่วยให้คุณทำการวัดตามแผนภาพในรูป 2 (การวัดแรงดันไฟฟ้าที่แม่นยำ) ดำเนินการตามที่ระบุไว้ในย่อหน้า 3-8 แทนที่ในย่อหน้าที่ 6 การคำนวณโดยใช้สูตร (9) ด้วยการคำนวณโดยใช้สูตร (10)

11. ป้อนข้อมูลที่ได้รับระหว่างการคำนวณและการวัดโดยกดสวิตช์ 10 (ดูย่อหน้าที่ 10) ในครึ่งล่างของตารางที่ 2 โดยนำเสนอผลการวัดในรูปแบบโหมดการทำงาน การวัดกระแสที่แม่นยำ การวัดแรงดันไฟฟ้าที่แม่นยำ 1. จุดประสงค์ของงานคืออะไร?

2. งานนี้ใช้วิธีการวัดความต้านทานแบบใด?

3. อธิบายการตั้งค่าการทำงานและขั้นตอนของการทดสอบ

4. เขียนสูตรการทำงานและอธิบายความหมายทางกายภาพของปริมาณที่รวมอยู่ในสูตรเหล่านั้น

1. กำหนดกฎของ Kirchhoff สำหรับการคำนวณวงจรไฟฟ้าแบบแยกสาขา

2. รับสูตรการทำงาน (9) และ (10)

3. พวกเขาใช้แผนการวัดแรกในอัตราส่วน R, RA และ RV เท่าใด ที่สอง? อธิบาย.

4. เปรียบเทียบผลลัพธ์ที่ได้รับในงานนี้โดยใช้วิธีแรกและวิธีที่สอง ข้อสรุปใดบ้างที่สามารถสรุปได้เกี่ยวกับความแม่นยำของการวัดโดยใช้วิธีการเหล่านี้ ทำไม

5. เหตุใดในขั้นตอนที่ 4 จึงตั้งค่าตัวควบคุมในตำแหน่งที่เข็มโวลต์มิเตอร์เบี่ยงเบนไปอย่างน้อย 2/3 ของสเกล

6. กำหนดกฎของโอห์มสำหรับส่วนที่เป็นเนื้อเดียวกันของโซ่

7. กำหนดความหมายทางกายภาพของความต้านทาน ค่านี้ขึ้นอยู่กับปัจจัยใดบ้าง (ดูงานที่ 32)

8. ความต้านทาน R ของตัวนำโลหะไอโซโทรปิกที่เป็นเนื้อเดียวกันขึ้นอยู่กับปัจจัยใดบ้าง?

การหาค่าการเหนี่ยวนำโซเลนอยด์

วัตถุประสงค์ของงานคือเพื่อกำหนดความเหนี่ยวนำของโซลินอยด์โดยความต้านทานต่อกระแสสลับ

เครื่องมือและอุปกรณ์เสริม: โซลินอยด์ทดสอบ, เครื่องกำเนิดเสียง, ออสซิลโลสโคปอิเล็กทรอนิกส์, มิเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ, สายเชื่อมต่อ

ปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำตนเอง ตัวเหนี่ยวนำ ปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าจะสังเกตได้ในทุกกรณีเมื่อฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านวงจรตัวนำมีการเปลี่ยนแปลง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง หากกระแสไฟฟ้าไหลในวงจรนำไฟฟ้า มันจะสร้างฟลักซ์แม่เหล็ก F ทะลุวงจรนี้

เมื่อความแรงของกระแสที่ฉันเปลี่ยนแปลงในวงจรใด ๆ ฟลักซ์แม่เหล็ก Ф ก็เปลี่ยนไปเช่นกันซึ่งเป็นผลมาจากแรงเคลื่อนไฟฟ้า (EMF) ของการเหนี่ยวนำปรากฏขึ้นในวงจรซึ่งทำให้เกิดกระแสเพิ่มเติม (รูปที่ 1 โดยที่ 1 เป็นตัวนำ วงจรปิด 2 คือ เส้นแรงของสนามแม่เหล็กที่สร้างกระแสวงจร) ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการเหนี่ยวนำตัวเอง และกระแสเพิ่มเติมที่เกิดจาก EMF ของการเหนี่ยวนำตัวเองเรียกว่ากระแสการเหนี่ยวนำตัวเองพิเศษ

ปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำตัวเองจะสังเกตได้ในวงจรไฟฟ้าแบบปิดใดๆ ซึ่งมีกระแสไฟฟ้าไหลเมื่อวงจรนี้ถูกปิดหรือเปิด

ลองพิจารณาว่าค่าของแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำตัวเองนั้นขึ้นอยู่กับอะไร

ฟลักซ์แม่เหล็ก F ที่เจาะเข้าไปในวงจรตัวนำแบบปิดจะเป็นสัดส่วนกับการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก B ของสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยกระแสที่ไหลในวงจร และการเหนี่ยวนำ B จะเป็นสัดส่วนกับความแรงของกระแส

จากนั้นฟลักซ์แม่เหล็ก Ф จะเป็นสัดส่วนกับความแรงของกระแสไฟฟ้าเช่น

โดยที่ L คือการเหนี่ยวนำวงจร H (เฮนรี่)

จาก (1) เราได้รับ: ตัวเหนี่ยวนำวงจร L คือปริมาณสเกลาร์ทางกายภาพเท่ากับอัตราส่วนของฟลักซ์แม่เหล็ก Ф ที่เจาะวงจรที่กำหนดกับขนาดของกระแสที่ไหลในวงจร

เฮนรีคือการเหนี่ยวนำของวงจรซึ่งที่กระแส 1A ฟลักซ์แม่เหล็ก 1Wb จะปรากฏขึ้นเช่น 1 Gn = 1

ตามกฎของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า การแทนที่ (1) เป็น (3) เราจะได้แรงเคลื่อนไฟฟ้าจากการเหนี่ยวนำตัวเอง:

สูตร (4) ใช้ได้กับ L=const

ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าเมื่อเพิ่มความเหนี่ยวนำ L ในวงจรไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าในวงจรจะเพิ่มขึ้นทีละน้อย (ดูรูปที่ 2) และเมื่อ L ลดลง กระแสไฟฟ้าก็จะลดลงอย่างช้าๆ เท่าๆ กัน (รูปที่ 3)

ความแรงของกระแสในวงจรไฟฟ้าจะเปลี่ยนแปลงเมื่อปิด เส้นโค้งการเปลี่ยนแปลงความแรงของกระแสจะแสดงในรูปที่ 1 2 และ 3.

ความเหนี่ยวนำของวงจรขึ้นอยู่กับรูปร่าง ขนาด และการเสียรูปของวงจร สถานะแม่เหล็กของสภาพแวดล้อมที่วงจรนั้นตั้งอยู่ ตลอดจนปัจจัยอื่นๆ

มาหาความเหนี่ยวนำของโซลินอยด์กัน โซลินอยด์เป็นท่อทรงกระบอกที่ทำจากวัสดุที่ไม่เป็นแม่เหล็กและไม่นำไฟฟ้า โดยพันลวดโลหะนำไฟฟ้าบาง ๆ ให้แน่นแล้วหมุนกลับ ในรูป รูปที่ 4 แสดงหน้าตัดของโซลินอยด์ตามเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อทรงกระบอก (1 - เส้นสนามแม่เหล็ก)

ความยาว l ของโซลินอยด์นั้นมากกว่าเส้นผ่านศูนย์กลาง d มากเช่น

ฉัน ถ้า l d โซลินอยด์ก็ถือได้ว่าเป็นคอยล์สั้น

เส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นลวดเส้นเล็กนั้นเล็กกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของโซลินอยด์มาก เพื่อเพิ่มความเหนี่ยวนำ แกนเฟอร์โรแมกเนติกที่มีการซึมผ่านของแม่เหล็กจะถูกวางไว้ภายในโซลินอยด์ ถ้า ld ดังนั้น เมื่อกระแสไหลภายในโซลินอยด์ สนามแม่เหล็กสม่ำเสมอจะถูกกระตุ้น การเหนี่ยวนำจะถูกกำหนดโดยสูตร โดยที่ o = 4·10-7 H/m – ค่าคงที่แม่เหล็ก n = N/l – จำนวนรอบต่อความยาวหน่วยของโซลินอยด์ N คือจำนวนรอบของโซลินอยด์

ภายนอกโซลินอยด์ สนามแม่เหล็กแทบจะเป็นศูนย์ เนื่องจากโซลินอยด์มีการหมุน N ฟลักซ์แม่เหล็กทั้งหมด (การเชื่อมต่อฟลักซ์) ที่ผ่านหน้าตัด S ของโซลินอยด์จะเท่ากับโดยที่ Ф = BS คือฟลักซ์ที่ไหลผ่านโซลินอยด์หนึ่งรอบ

การแทนที่ (5) เป็น (6) และคำนึงถึงความจริงที่ว่า N = nl เราได้มา ในทางกลับกัน เมื่อเปรียบเทียบ (7) และ (8) เราจะได้ พื้นที่หน้าตัดของโซลินอยด์เท่ากัน ในบัญชี (10) สูตร (9) จะเขียนอยู่ในรูปแบบ กำหนด การเหนี่ยวนำของโซลินอยด์สามารถทำได้โดยการเชื่อมต่อโซลินอยด์กับวงจรไฟฟ้ากระแสสลับที่มีความถี่ จากนั้นความต้านทานรวม (อิมพีแดนซ์) จะถูกกำหนดโดยสูตรโดยที่ R คือความต้านทานแบบแอคทีฟ, โอห์ม; L = xL – รีแอคแทนซ์แบบเหนี่ยวนำ; = xc – ความต้านทานแบบคาปาซิทีฟของตัวเก็บประจุที่มีความจุ C

หากไม่มีตัวเก็บประจุในวงจรไฟฟ้าเช่น

ความจุไฟฟ้าของวงจรมีขนาดเล็ก จากนั้น xc xL และสูตร (12) จะมีลักษณะดังนี้ จากนั้นกฎของโอห์มสำหรับกระแสสลับจะเขียนอยู่ในรูปแบบ โดยที่ Im, Um คือค่าแอมพลิจูดของกระแสและแรงดัน

เนื่องจาก = 2 โดยที่ความถี่ของการแกว่งของกระแสสลับคือ (14) จะอยู่ในรูปแบบจาก (15) เราได้รับสูตรการทำงานสำหรับพิจารณาการเหนี่ยวนำ:

เพื่อให้งานเสร็จสมบูรณ์ ให้ประกอบวงจรตามแผนภาพในรูป 5.

1. ตั้งค่าเครื่องกำเนิดเสียงให้เป็นความถี่การสั่นที่ครูกำหนด

2. วัดแรงดันไฟฟ้าแอมพลิจูด Um และความถี่โดยใช้ออสซิลโลสโคป

3. ใช้มิลลิแอมป์มิเตอร์กำหนดค่าประสิทธิผลของกระแสในวงจร I e ; ใช้ความสัมพันธ์ I e I m / 2 และแก้ไขสัมพันธ์กับ I m 2 คือกำหนดแอมพลิจูดของกระแสในวงจร

4. ป้อนข้อมูลลงในตาราง

ข้อมูลอ้างอิง: ความต้านทานที่ใช้งานของโซลินอยด์ R = 56 โอห์ม; ความยาวโซลินอยด์ l = 40 ซม. เส้นผ่านศูนย์กลางของโซลินอยด์ d = 2 ซม. จำนวนรอบโซลินอยด์ N = 2,000

1. กำหนดวัตถุประสงค์ของงาน

2. นิยามตัวเหนี่ยวนำ?

3. หน่วยวัดความเหนี่ยวนำคือข้อใด

4. เขียนสูตรการทำงานเพื่อกำหนดความเหนี่ยวนำของโซลินอยด์

1. หาสูตรสำหรับพิจารณาความเหนี่ยวนำของโซลินอยด์ตามขนาดทางเรขาคณิตและจำนวนรอบ

2. อิมพีแดนซ์คืออะไร?

3. ค่าสูงสุดและมีประสิทธิภาพของกระแสและแรงดันไฟฟ้าสัมพันธ์กันในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับอย่างไร?

4. หาสูตรการทำงานของตัวเหนี่ยวนำโซลินอยด์

5. อธิบายปรากฏการณ์การชักนำตนเอง

6. ความหมายทางกายภาพของการเหนี่ยวนำคืออะไร?

บรรณานุกรม

1. Savelyev I.G. วิชาฟิสิกส์ทั่วไป ต.2, ต.4. – ม.: สูงกว่า.

โรงเรียน, 2545. – 325 น.

สูงกว่า โรงเรียน, 1970. – 448 น.

3. คาลาชนิคอฟ เอส.จี. ไฟฟ้า. – ม.: สูงกว่า. โรงเรียน พ.ศ. 2520 – 378 น.

4. โทรฟิโมวา ที.ไอ. หลักสูตรฟิสิกส์ – อ.: “สถาบันการศึกษา”., 2549. – 560 น.

5. Purcell E. ไฟฟ้าและแม่เหล็ก - M.: Nauka, 1971.

6. หลักสูตร Detlaf A.A Physics: หนังสือเรียนสำหรับนักศึกษา – อ.: “สถาบันการศึกษา”, 2551. – 720 น.

7. คอร์ทเนฟ เอ.วี. ปฏิบัติการวิชาฟิสิกส์.- ม.: สูงกว่า. โรงเรียน พ.ศ. 2511 หน้า

8. อิเวโรโนวา วี.ไอ. การประชุมเชิงปฏิบัติการทางกายภาพ - M.: Fizmatgiz, 1962. - 956 p.

ค่าคงที่ทางกายภาพพื้นฐาน หน่วยอะตอม a.um 1.6605655(86) 10-27 kg 5, มวลเมื่อทดค่า ประจุเฉพาะ -1.7588047(49) 1011 C/kg อิเล็กตรอน Compton K, n=h/ 1.3195909(22 )·10-15m 1, คลื่นคอมป์ตัน K ,p=h/ 1.3214099(22)·10-15m 1, คลื่นคอมป์ตัน K,е=h/ 2.4263089(40)·10-12m 1, คลื่นอิเล็กตรอน K ,e/(2) 3.8615905(64) ·10-13m 1, Bohr Magneton B=e/ 9.274078(36) ·10-24J/T 3, Nuclear Magne- Poison=e/ 5.050824(20 ) ·10-27J/T 3, ment นิวตรอน มวลของอิเล็กตรอน 0.9109534(47) ·10 -30กก. ของแก๊ส po ที่เหมาะสมภายใต้สภาวะปกติ (T0=273.15 K, p0=101323 Pa) ค่าคงที่ Avo- 6.022045(31 ) · 1023 mol- ค่าคงที่ก๊าซ Boltzmann 8.31441(26) J/(mol·K) universal grap- ค่าคงที่ , 6.6720(41) · 10-11 N m2/kg2 แรงสั่นสะเทือนคงที่ magico 12, 5663706144·10-7Gn/m nit แม่เหล็กควอนตัม- F o = 2.0678506(54) ·10-15Wb 2, การแผ่รังสีครั้งแรก รัศมีที่สอง ไฟฟ้า (0с2) คลาสสิก (4me) นิวตรอน โปรตอน อิเล็กตรอน 1 โมงเช้า

หมายเหตุ: ตัวเลขในวงเล็บแสดงถึงข้อผิดพลาดมาตรฐานในหลักสุดท้ายของค่าที่กำหนด

การแนะนำ

ข้อกำหนดด้านความปลอดภัยขั้นพื้นฐานเมื่อปฏิบัติงานในห้องปฏิบัติการในห้องปฏิบัติการทางการศึกษาด้านไฟฟ้าและแม่เหล็กไฟฟ้า

พื้นฐานการวัดทางไฟฟ้า

งานห้องปฏิบัติการหมายเลข 31. การวัดค่าความต้านทานไฟฟ้าโดยใช้สะพาน R-Whitson............... งานห้องปฏิบัติการหมายเลข 32. ศึกษาการพึ่งพาความต้านทานของโลหะ เกี่ยวกับอุณหภูมิ

งานห้องปฏิบัติการหมายเลข 33 การกำหนดความจุของตัวเก็บประจุโดยใช้สะพาน C-Wheatstone

งานห้องปฏิบัติการครั้งที่ 34 ศึกษาการทำงานของออสซิลโลสโคปอิเล็กทรอนิกส์

งานห้องปฏิบัติการหมายเลข 35 ศึกษาการทำงานของไตรโอดสุญญากาศและการหาค่าพารามิเตอร์คงที่

งานห้องปฏิบัติการหมายเลข 36 การนำไฟฟ้าของของเหลว

การหาเลขฟาราเดย์และประจุอิเล็กตรอน

งานห้องปฏิบัติการครั้งที่ 37 ศึกษาโหมดการทำงานของเครื่องกำเนิด RC โดยใช้ออสซิลโลสโคปอิเล็กทรอนิกส์

งานห้องปฏิบัติการหมายเลข 38 ศึกษาสนามไฟฟ้าสถิต

งานห้องปฏิบัติการหมายเลข 40 การกำหนดองค์ประกอบแนวนอนของความแรงของสนามแม่เหล็กโลก

งานห้องปฏิบัติการครั้งที่ 41 ศึกษาซีเนอร์ไดโอดและอ่านคุณลักษณะของมัน

งานห้องปฏิบัติการครั้งที่ 42 ศึกษาไดโอดสุญญากาศและการหาประจุจำเพาะของอิเล็กตรอน

งานห้องปฏิบัติการครั้งที่ 43 ศึกษาการทำงานของไดโอดเซมิคอนดักเตอร์

งานห้องปฏิบัติการหมายเลข 45 การถอดเส้นโค้งสนามแม่เหล็กและลูปฮิสเทรีซิสโดยใช้ออสซิลโลสโคปแบบอิเล็กทรอนิกส์

งานห้องปฏิบัติการหมายเลข 46 การสั่นของไฟฟ้าแบบหน่วง

งานห้องปฏิบัติการหมายเลข 47 การศึกษาการสั่นของไฟฟ้าแบบบังคับและการอ่านกราฟเส้นโค้งเรโซแนนซ์...... งานห้องปฏิบัติการหมายเลข 48 การวัดความต้านทาน

งานห้องปฏิบัติการหมายเลข 49 การหาค่าความเหนี่ยวนำของโซลินอยด์

บรรณานุกรม

ภาคผนวก …………………………………………… Dmitry Borisovich Kim Alexander Alekseevich Kropotov Lyudmila Andreevna Gerashchenko การไฟฟ้าและแม่เหล็กไฟฟ้า การประชุมเชิงปฏิบัติการห้องปฏิบัติการ นักวิชาการ ed. ล. 9.0. มีเงื่อนไข เตาอบ ล. 9.0.

พิมพ์ในสำนักพิมพ์ BrGU 665709, Bratsk, st. มาคาเรนโก,

ผลงานที่คล้ายกัน:

“อัล. เกลกอร์ อี.เอ. ระบบออกอากาศโทรทัศน์ดิจิตอล POPOV ของมาตรฐาน DVB-T แนะนำโดยสมาคมการศึกษาและระเบียบวิธีสำหรับการศึกษาสารพัดช่างมหาวิทยาลัยเพื่อเป็นเครื่องช่วยสอนสำหรับนักเรียนของสถาบันการศึกษาระดับอุดมศึกษาที่กำลังศึกษาในสาขาการเตรียมการ ฟิสิกส์เทคนิค สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยสารพัดช่างเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก 2554 กระทรวงศึกษาธิการ และวิทยาศาสตร์แห่งสหพันธรัฐรัสเซีย ST. PETERSBURG STATE POLYTECHNIC UNIVERSITY…”

“ฟิสิกส์ตั้งชื่อตาม L. V. Kirensky ในปี 1996 Krasnoyarsk 1996 -2ข้อมูลทั่วไป ในระหว่างปี 1996 สถาบันได้มีส่วนร่วมในการดำเนินโครงการสี่โครงการภายใต้โครงการวิทยาศาสตร์และเทคนิคของรัฐ ปริมาณการจัดหาเงินทุนสำหรับพวกเขามีจำนวน 23,200,000 รูเบิล (คาดว่าจะได้รับอีก 5,000,000 รูเบิลเมื่อสิ้นสุดไตรมาสที่สี่) ทำงานบน...”

“ โปรแกรมการวิจัยพื้นฐานของรัฐสภาของ RAS หมายเลข 13 สนามแสงสุดขีดและรายงานการใช้งานของพวกเขาสำหรับปี 2013 มอสโก 2013 ได้รับการอนุมัติโดยประธานของ Russian Academy of Sciences นักวิชาการ V.E. โครงการวิจัยขั้นพื้นฐานที่ครอบคลุมของ Fortov ปี 2013 ของรัฐสภาแห่ง Russian Academy of Sciences หมายเลข 13 ทุ่งแสงจ้าสุดขีดและรายงานการใช้งานของพวกเขาสำหรับผู้ประสานงานโครงการปี 2013: ผู้อำนวยการของนักวิชาการ ILP SB RAS _ S.N. Bagaev ผู้อำนวยการฝ่ายวิทยาศาสตร์ของ IAP RAS นักวิชาการ A.V. รายงาน Gaponov-Grekhov เกี่ยวกับการดำเนินโครงการใน ... "

“ แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของทฤษฎีสเปกตรัมของท่อนำคลื่นไดอิเล็กตริก ตำราเรียนมหาวิทยาลัย Kazan Kazan State ตั้งชื่อตาม V.I. Ulyanova-Lenin 2550 จัดพิมพ์โดยการตัดสินใจของภาควิชาคณิตศาสตร์ประยุกต์ของมหาวิทยาลัยแห่งรัฐคาซาน บรรณาธิการวิทยาศาสตร์ ปริญญาเอก สาขาวิทยาศาสตร์กายภาพและคณิตศาสตร์ ศาสตราจารย์ N.B. เพลชินสกี้ คาร์เชฟสกี อี.เอ็ม. แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของทฤษฎีสเปกตรัมของท่อนำคลื่นอิเล็กทริก หนังสือเรียน / อี.เอ็ม. คาร์เชฟสกี้ คาซาน: มหาวิทยาลัยแห่งรัฐคาซาน…”

“โปรแกรมการทำงานสำหรับวิชาวิชาการ ฟิสิกส์ ระดับพื้นฐาน เกรด 7-11 พัฒนาโดย G.A. พ.ศ. 2556-2557 โปรแกรมการทำงานในวิชาฟิสิกส์ ชั้นประถมศึกษาปีที่ 7 ฟิสิกส์เป็นวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับกฎธรรมชาติทั่วไปที่สุดซึ่งทำหน้าที่เป็นวิชาในโรงเรียนมีส่วนสำคัญต่อระบบความรู้เกี่ยวกับโลกรอบตัวเรา เผยให้เห็นบทบาทของวิทยาศาสตร์ในการพัฒนาเศรษฐกิจและวัฒนธรรมของสังคม ก่อให้เกิดการพัฒนาทางวิทยาศาสตร์สมัยใหม่..."

“ Series Pedagogy และ P s i c ho g i l คณะกรรมการบรรณาธิการของมอสโกปี 2008: Ryabov V.V. วิทยาศาสตรดุษฎีบัณฑิต, ศาสตราจารย์, ประธานอธิการบดีของ Moscow State Pedagogical University Atanasyan S.L. ผู้สมัครสาขาวิทยาศาสตร์กายภาพและคณิตศาสตร์, ศาสตราจารย์, รองอธิการบดีฝ่ายวิชาการของ Moscow State Pedagogical University Pishchulin N.P. ปรัชญาดุษฎีบัณฑิต ศาสตราจารย์ รองอธิการบดีฝ่ายวิจัยที่ Moscow State Pedagogical University Rusetskaya M.N. ผู้สมัครสาขาวิทยาศาสตร์การสอน, รองศาสตราจารย์, รองอธิการบดีฝ่ายกิจกรรมนวัตกรรมของคณะกรรมการบรรณาธิการมหาวิทยาลัยน้ำท่วมแห่งรัฐมอสโก: Andriadi I.P. วิทยาศาสตรบัณฑิต ครุศาสตร์ ศาสตราจารย์..."

“ WINGS OF THE PHOENIX บทนำสู่ควอนตัม MYTHOPHYSICS สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัย Ekaterinburg Ural 2003 BBK 86.3+87 I 84 ที่ปรึกษา - I. A. Pronin Editor - E. K. Sozina การแก้ไขและเค้าโครงทางเทคนิค - A. V. Zarubin Irkhin V. Yu., Katsnelson M . I. และ 84 Wings ของฟีนิกซ์ ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับตำนานควอนตัม - Ekaterinburg: สำนักพิมพ์อูราล. อันตา, 2546. - 263 น. ผู้เขียนพยายามใช้ข้อความที่เชื่อถือได้ของศาสนาต่างๆ อย่างกว้างขวาง แต่ไม่ลืมความพิเศษหลักของพวกเขา - ฟิสิกส์เชิงทฤษฎี ...

“Todtnauberg ใน Bad อุทิศให้กับ EDMUND HUSSERL ด้วยความเคารพและมิตรภาพ Black Forest, 8 เมษายน 1926 การแจ้งเตือนล่วงหน้าสำหรับฉบับที่ 7 ปี 1953 บทความ Being and Time ได้รับการตีพิมพ์เป็นครั้งแรกในฤดูใบไม้ผลิปี 1927 ใน Yearbook on Phenomenology and Phenomenological Research vol. US จัดพิมพ์โดย Husserl และในเวลาเดียวกัน เป็นการพิมพ์ซ้ำแยกต่างหาก การพิมพ์ซ้ำนี้ซึ่งปรากฏในฉบับพิมพ์ครั้งที่ 9 ไม่มีการแก้ไขข้อความ แต่ได้รับการตรวจสอบอีกครั้งในเรื่องคำพูดและเครื่องหมายวรรคตอน หมายเลขหน้าการพิมพ์ซ้ำมีความสอดคล้องกันจนถึง…”

“ หนังสือเรียนฟิสิกส์สำหรับหลักสูตรเตรียมอุดมศึกษากระทรวงศึกษาธิการของสหพันธรัฐรัสเซีย Yaroslavl State University ตั้งชื่อตาม พี.จี. ศูนย์ Demidov เพื่อการศึกษาเพิ่มเติม M.V. คิริคอฟ รองประธาน หนังสือเรียนฟิสิกส์ Alekseev สำหรับหลักสูตรเตรียมอุดมศึกษา Yaroslavl 1999 BBK Vya73 K43 ฟิสิกส์: หนังสือเรียนสำหรับหลักสูตรเตรียมอุดมศึกษา / คอมพ์ เอ็มวี คิริคอฟ รองประธาน อเล็กเซเยฟ; Yarosl.gos. มหาวิทยาลัย ยาโรสลาฟล์, 1999. 50 น. จุดประสงค์ของตำราเรียนคือการจัดระบบและทำซ้ำเนื้อหาที่ครอบคลุม...”

แม่เหล็กไฟฟ้า ♦ สำนักพิมพ์ TSTU ♦ กระทรวงศึกษาธิการของสหพันธรัฐรัสเซีย TAMBOV STATE TECHNICAL UNIVERSITY ELECTROMAGNETISM งานห้องปฏิบัติการ สำนักพิมพ์ Tambov TSTU 2002 UDC 535.338 (076.5) BBK V36YA73-5 E45 R e c e n s e n t วิทยาศาสตรดุษฎีบัณฑิต, ศาสตราจารย์ N. ย่า โมลอตคอฟ เรียบเรียงโดย : A M. Savelyev, Yu. P. Lyashenko, V. A. Shishin, V. I. Barsukov E45 แม่เหล็กไฟฟ้า: Lab. ทาส. / A. M. Savelyev, Yu. P. Lyashenko, V. A. Shishin, V. I. Barsukov ตัมบอฟ สำนักพิมพ์ตม. สถานะ เทคโนโลยี ม., 2545. 28 น. คำแนะนำด้านระเบียบวิธีและคำอธิบายของการติดตั้งในห้องปฏิบัติการที่ใช้ในการปฏิบัติงานในห้องปฏิบัติการสามรายการในส่วนของหลักสูตรฟิสิกส์ทั่วไป "แม่เหล็กไฟฟ้า" จะถูกนำเสนอ งานแต่ละชิ้นให้เหตุผลทางทฤษฎีสำหรับวิธีการที่เหมาะสมในการแก้ปัญหาเชิงทดลองตลอดจนวิธีการประมวลผลผลลัพธ์ที่ได้รับ งานในห้องปฏิบัติการมีไว้สำหรับนักศึกษาปีที่ 1 และ 2 ของสาขาวิชาเฉพาะทางและการศึกษาด้านวิศวกรรมทุกรูปแบบ UDC 535.338 (076.5) BBK V36Ya73-5 © Tambov State Technical University (TSTU), 2002 สิ่งพิมพ์ด้านการศึกษา งานห้องปฏิบัติการแม่เหล็กไฟฟ้า รวบรวมโดย: Savelyev Alexander Mikhailovich, Lyashenko Yuriy Petrovich, Shishin Valery Anatolyevich, Barsukov Vladimir Ivanovich บรรณาธิการและบรรณาธิการด้านเทคนิค M.A. .ev s eycheva การสร้างต้นแบบคอมพิวเตอร์ M. A. Filatovoy ลงนามเพื่อเผยแพร่เมื่อวันที่ 16 กันยายน 2545 รูปแบบ 60x84/16 แบบอักษร Times NR กระดาษหนังสือพิมพ์ การพิมพ์ออฟเซต ปริมาตร: 1.63 หน่วยธรรมดา เตาอบ ลิตร.; 2.00 น. การตีพิมพ์ผลงานทางวิชาการ ล. ยอดจำหน่าย 100 เล่ม C 565M ศูนย์การพิมพ์และการพิมพ์ของ Tambov State Technical University 392000, Tambov, st. Sovetskaya, 106, ห้อง 14 คำถามทดสอบ 1 ความหมายทางกายภาพของแนวคิดเรื่องการเหนี่ยวนำและความแรงของสนามแม่เหล็ก 2 เขียนกฎ Biot-Savart-Laplace และแสดงการประยุกต์ใช้ในการคำนวณสนามไฟฟ้ากระแสตรงและสนามบนแกนของขดลวดวงกลมที่มีกระแสไฟฟ้า 3 หาสูตรการคำนวณสำหรับสนามโซลินอยด์ที่มีความยาวจำกัด 4 อธิบายความหมายทางกายภาพของทฤษฎีบทเกี่ยวกับการไหลเวียนของเวกเตอร์การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก และการประยุกต์เพื่อคำนวณสนามของโซลินอยด์ที่ยาวเป็นอนันต์ 5 อธิบายหลักการทำงาน แผนภาพการติดตั้ง และเทคนิคการวัด 6 การกระจายสนามตามแนวแกนของโซลินอยด์จะเปลี่ยนไปอย่างไรขึ้นอยู่กับอัตราส่วนระหว่างความยาวและเส้นผ่านศูนย์กลาง รายชื่อวรรณกรรมที่แนะนำ 1 Savelyev I.V. หลักสูตรฟิสิกส์ทั่วไป T. 2. M. , 1982. 2 Detlaf A. A. , Yavorsky B. M. หลักสูตรฟิสิกส์ ม., 2530. 3 อัคมาตอฟ เอ. ส. และคณะ ห้องปฏิบัติการทางฟิสิกส์ M. , 1980. 4 Irodov I. E. กฎพื้นฐานของแม่เหล็กไฟฟ้า อ.: โรงเรียนมัธยมปลาย 2526 งานห้องปฏิบัติการการกำหนดประจุเฉพาะของอิเล็กตรอน "วิธีแมกนีตรอน" วัตถุประสงค์ของงาน: เพื่อทำความคุ้นเคยกับวิธีการสร้างสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กตั้งฉากกันการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในสนามข้ามดังกล่าว . ทดลองหาค่าประจุจำเพาะของอิเล็กตรอน เครื่องมือและอุปกรณ์เสริม: หลอดอิเล็กทรอนิกส์ 6E5S, โซลินอยด์, แหล่งจ่ายไฟ VUP-2M, มิลลิแอมป์มิเตอร์, แอมมิเตอร์, โวลต์มิเตอร์, โพเทนชิออมิเตอร์, สายเชื่อมต่อ คำแนะนำที่เป็นระบบวิธีหนึ่งในการทดลองเพื่อกำหนดประจุจำเพาะของอิเล็กตรอน (อัตราส่วนของประจุของอิเล็กตรอนต่อมวล e / m) ขึ้นอยู่กับผลการศึกษาการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุในแม่เหล็กและไฟฟ้าตั้งฉากกัน สาขา ในกรณีนี้ วิถีการเคลื่อนที่ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนประจุของอนุภาคต่อมวล ชื่อของวิธีการที่ใช้ในงานนี้เกิดจากการที่การเคลื่อนที่ที่คล้ายกันของอิเล็กตรอนในสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าที่มีการกำหนดค่าเดียวกันนั้นดำเนินการในแมกนีตรอน - อุปกรณ์ที่ใช้ในการสร้างการสั่นของแม่เหล็กไฟฟ้าที่ทรงพลังของความถี่สูงพิเศษ หลักการสำคัญที่อธิบายวิธีการนี้สามารถระบุได้โดยการพิจารณาการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่บินด้วยความเร็ว v เข้าไปในสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ ซึ่งเป็นเวกเตอร์การเหนี่ยวนำที่ตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ เพื่อความง่าย ดังที่ทราบกันดีในกรณีนี้ อิเล็กตรอนเมื่อเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็กจะได้รับผลกระทบจากแรงลอเรนซ์สูงสุด Fl = evB ซึ่งตั้งฉากกับความเร็วของอิเล็กตรอน ดังนั้นจึงเป็นแรงสู่ศูนย์กลาง ในกรณีนี้การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนภายใต้อิทธิพลของแรงดังกล่าวเกิดขึ้นในวงกลมรัศมีซึ่งถูกกำหนดโดยเงื่อนไข: mv 2 evB = , (1) r โดยที่ e, m, v คือประจุ มวลและความเร็วของอิเล็กตรอน ตามลำดับ B – ค่าของการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก r คือรัศมีของวงกลม หรือ mv r= . (2) eB จากความสัมพันธ์ (2) เห็นได้ชัดว่ารัศมีความโค้งของวิถีโคจรของอิเล็กตรอนจะลดลงเมื่อการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กเพิ่มขึ้น และเพิ่มขึ้นตามความเร็วที่เพิ่มขึ้น การแสดงมูลค่าของประจุเฉพาะจาก (1) ที่เราได้รับ: e v = . (3) m rB จาก (3) เป็นไปตามนั้นในการกำหนดอัตราส่วน e / m จำเป็นต้องทราบความเร็วของอิเล็กตรอน v ค่าของการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก B และรัศมีความโค้งของวิถีโคจรของอิเล็กตรอน r ในทางปฏิบัติ หากต้องการจำลองการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและหาพารามิเตอร์ที่ระบุ ให้ดำเนินการดังนี้ อิเล็กตรอนที่มีทิศทางความเร็วการเคลื่อนที่ที่แน่นอนนั้นได้มาจากหลอดอิเล็กตรอนสองอิเล็กโทรดที่มีขั้วบวกที่ทำในรูปของทรงกระบอกตามแกนซึ่งมีแคโทดใยอยู่ เมื่อมีการใช้ความต่างศักย์ (แรงดันแอโนด Ua) ในช่องว่างวงแหวนระหว่างแอโนดและแคโทด สนามไฟฟ้าที่มีทิศทางตามแนวรัศมีจะถูกสร้างขึ้น ภายใต้อิทธิพลของอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากแคโทดเนื่องจากการปล่อยความร้อนจะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงตามแนว รัศมีของแอโนดและมิลลิแอมมิเตอร์ที่รวมอยู่ในวงจรแอโนด จะแสดงค่าที่แน่นอนของกระแสแอโนด Ia สนามแม่เหล็กสม่ำเสมอที่ตั้งฉากกับสนามไฟฟ้าและความเร็วของการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนนั้นได้มาจากการวางหลอดไฟไว้ที่ส่วนตรงกลางของโซลินอยด์เพื่อให้แกนของโซลินอยด์ขนานกับแกนของแอโนดทรงกระบอก ในกรณีนี้ เมื่อกระแส Ic ถูกส่งผ่านขดลวดโซลินอยด์ สนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นในช่องว่างวงแหวนระหว่างขั้วบวกและแคโทดจะทำให้วิถีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนโค้งงอเป็นเส้นตรง เมื่อ Ic กระแสโซลินอยด์เพิ่มขึ้น และผลที่ตามมาคือค่าของการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก B เพิ่มขึ้น รัศมีความโค้งของวิถีโคจรของอิเล็กตรอนจะลดลง อย่างไรก็ตามที่ค่าเล็กน้อยของการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก B อิเล็กตรอนทั้งหมดที่ไปถึงขั้วบวกก่อนหน้านี้ (ที่ B = 0) จะยังคงตกอยู่บนขั้วบวกและมิลลิแอมป์มิเตอร์จะบันทึกค่าคงที่ของกระแสขั้วบวก Ia (รูปที่ 1) . ที่ค่าวิกฤตของการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก (Bcr) ที่เรียกว่า อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปตามวิถีโคจรที่สัมผัสกับพื้นผิวด้านในของแอโนดทรงกระบอก กล่าวคือ จะไม่ไปถึงขั้วบวกอีกต่อไปซึ่งจะทำให้กระแสขั้วบวกลดลงอย่างรวดเร็วและการหยุดโดยสมบูรณ์ที่ค่า B >< Bкр В = Bкр В > Bkr b a V รูปที่. 1. ลักษณะการปล่อยประจุในอุดมคติ (a) และจริง (b) ของอิเล็กตรอนมีการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องเนื่องจากการเร่งความเร็วที่ส่งไปโดยแรงของสนามไฟฟ้า ดังนั้นการคำนวณวิถีอิเล็กตรอนที่แม่นยำจึงค่อนข้างยาก อย่างไรก็ตามเมื่อรัศมีแอโนด ra มีขนาดใหญ่กว่ารัศมีแคโทด (ra >> rk) มาก เชื่อกันว่าการเพิ่มขึ้นหลักในความเร็วของอิเล็กตรอนภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าเกิดขึ้นในบริเวณใกล้กับแคโทด โดยที่ ความแรงของสนามไฟฟ้ามีค่าสูงสุด ดังนั้นความเร่งที่ยิ่งใหญ่ที่สุดจึงส่งไปยังอิเล็กตรอน เส้นทางต่อไปที่อิเล็กตรอนจะใช้คือความเร็วเกือบคงที่ และวิถีโคจรของมันจะอยู่ใกล้กับวงกลม ในเรื่องนี้ที่ค่าวิกฤตของการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก Bcr รัศมีความโค้งของวิถีอิเล็กตรอนจะถูกใช้เป็นระยะทางเท่ากับครึ่งหนึ่งของรัศมีขั้วบวกของหลอดไฟที่ใช้ในการติดตั้งนั่นคือ รา rcr = . (4) 2 ความเร็วของอิเล็กตรอนถูกกำหนดจากเงื่อนไขที่ว่าพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนเท่ากับงานที่ใช้โดยสนามไฟฟ้าเพื่อให้พลังงานนี้แก่มัน mv 2 = eU a , (5) 2 โดยที่ Ua คือความต่างศักย์ ระหว่างขั้วบวกและแคโทดของหลอดไฟ แทนที่ค่าความเร็วจาก (5) รัศมีวิถี RCR จาก (4) เป็น (3) ด้วยค่าวิกฤตของการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก เราได้รับนิพจน์สำหรับอัตราส่วน e / m ในรูปแบบ: e 8U = 2 a2 (6) m ra Bcr การคำนวณอย่างละเอียดโดยคำนึงถึงรัศมีแคโทด (rк) ให้ความสัมพันธ์ในการกำหนดประจุเฉพาะของอิเล็กตรอน e 8U a = . (7) m  r2  ra 2 Bcr 2 1 − k2   r   a  สำหรับโซลินอยด์ที่มีความยาวจำกัด ค่าของการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กวิกฤติในส่วนตรงกลางควรคำนวณโดยใช้สูตร µ 0 ( I c) cr N Bcr = , (8) 4 R 2 + L2 โดยที่ N คือจำนวนรอบของโซลินอยด์ L, R – ความยาวและรัศมีเฉลี่ยของโซลินอยด์ (ไอซ์)cr. – กระแสโซลินอยด์ที่สอดคล้องกับค่าวิกฤติของการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก การแทนที่ Bcr ลงใน (7) เราจะได้นิพจน์สุดท้ายสำหรับประจุเฉพาะ 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  เนื่องจากตาม (8) B ~ Ic การทดลองจึงต้องเอาคุณลักษณะข้อบกพร่องออก เช่น การพึ่งพากระแสแอโนดกับกระแสโซลินอยด์ Ia = ƒ(Ic) ควรสังเกตว่า ตรงกันข้ามกับคุณลักษณะรอยเลื่อนในอุดมคติ (รูปที่ 1, a) คุณลักษณะที่แท้จริงมีส่วนที่ตกลงมาชันน้อยกว่า (รูปที่ 1, b) สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าอิเล็กตรอนถูกปล่อยออกมาจากแคโทดที่ได้รับความร้อนที่ความเร็วเริ่มต้นที่แตกต่างกัน การกระจายความเร็วของอิเล็กตรอนในระหว่างการปล่อยความร้อนใกล้เคียงกับกฎแม็กซ์เวลล์ที่รู้จักกันดีในเรื่องการกระจายความเร็วของโมเลกุลในก๊าซ ในเรื่องนี้สภาวะวิกฤตสำหรับอิเล็กตรอนที่แตกต่างกันนั้นเกิดขึ้นได้ที่ค่าที่แตกต่างกันของกระแสโซลินอยด์ซึ่งนำไปสู่การทำให้เส้นโค้งเรียบ Ia = ƒ(Ic) เนื่องจากตามการกระจายของแมกซ์เวลล์ การไหลของอิเล็กตรอนทั้งหมดที่ปล่อยออกมาจากแคโทด ส่วนใหญ่มีความเร็วเริ่มต้นใกล้เคียงกับความเร็วที่เป็นไปได้สำหรับอุณหภูมิแคโทดที่แน่นอน การลดลงอย่างรวดเร็วที่สุดในลักษณะการปล่อยจะสังเกตได้เมื่อกระแสไฟฟ้าของโซลินอยด์ไปถึง ค่าวิกฤต (Ic)cr สำหรับอิเล็กตรอนกลุ่มนี้โดยเฉพาะ ดังนั้นเพื่อกำหนดค่าของกระแสวิกฤติจึงใช้วิธีการสร้างความแตกต่างแบบกราฟิก เพื่อจุดประสงค์นี้บนกราฟของการพึ่งพา Ia = ƒ(Ic) การพึ่งพา ∆I a = f (I c) ∆I c ถูกพล็อตที่ค่าเดียวกันของกระแสโซลินอยด์ ∆Iа - การเพิ่มขึ้นของกระแสแอโนดโดยมีการเปลี่ยนแปลงที่สอดคล้องกันในกระแสโซลินอยด์ ∆Iс ∆I a รูปแบบโดยประมาณของคุณลักษณะการปล่อยประจุ Ia = ƒ(Ic) (a) และฟังก์ชัน = f (I c) (b) แสดงในรูปที่ 1 2. ค่าของวิกฤต ∆I c ∆I a ของกระแสโซลินอยด์ (Ic)cr ซึ่งสอดคล้องกับค่าสูงสุดของเส้นโค้ง = f (Ic) ถูกนำมาใช้ในการคำนวณ Bcr โดยใช้สูตร (8) ∆I c Ia Ia Ic ab (Ic)cr Ic รูป 2. คุณลักษณะการรีเซ็ต (a) และส่วนต่าง (b) ของหลอดไฟ คำอธิบายของการติดตั้ง การติดตั้งจะประกอบเข้ากับหลอด 6E5C ซึ่งโดยปกติจะใช้เป็นตัวบ่งชี้อิเล็กทรอนิกส์ แผนภาพไฟฟ้าของการติดตั้งแสดงไว้ในรูปที่ 1 3. หลอดไฟจ่ายไฟด้วยกระแสตรงจากวงจรเรียงกระแส VUP-2M ซึ่งใช้โพเทนชิโอมิเตอร์แบบวงกลม (ปุ่ม 0 ... 100 V ที่ด้านหน้า) แรงดันไฟฟ้าระหว่างขั้วบวกและแคโทดได้รับการควบคุม แคโทดของหลอดไฟได้รับความร้อนจากกระแสสลับที่มีแรงดันไฟฟ้า ~6.3 V ซึ่งถูกถอดออกจากขั้วต่อวงจรเรียงกระแสที่สอดคล้องกัน วงจรเรียงกระแสเชื่อมต่อกับเต้ารับหลัก 220 V ที่ติดตั้งอยู่บนม้านั่งในห้องปฏิบัติการ ข้าว. 3. แผนผังการติดตั้งไฟฟ้า: VUP-2M + R ~ 220V 10 – 100 V - V A ~ 6.3V VUP-2M – วงจรเรียงกระแส; R – โพเทนชิโอมิเตอร์ 0 ... 30 โอห์ม; เอ – แอมแปร์มิเตอร์ 0 ... 2A; แมสซาชูเซต – มิลลิแอมมิเตอร์ – 0 ... 2 แมสซาชูเซตส์; V – โวลต์มิเตอร์ 0 ... 100 V โซลินอยด์ L ได้รับพลังงานผ่านโพเทนชิโอมิเตอร์ R จากแหล่งจ่ายไฟ DC ที่เชื่อมต่อกับเต้ารับ ± 40 V ซึ่งติดตั้งอยู่บนม้านั่งในห้องปฏิบัติการเช่นกัน กระแสโซลินอยด์วัดด้วยแอมมิเตอร์ที่มีขีด จำกัด 0 ... 2 A กระแสแอโนดจะถูกบันทึกด้วยมิลลิแอมป์มิเตอร์ที่มีขีด จำกัด 0 ... 2 mA และแรงดันแอโนดถูกวัดด้วยโวลต์มิเตอร์พร้อมการวัด ขีด จำกัด 0 ... 150 V. ลำดับประสิทธิภาพและการประมวลผลผลลัพธ์ 1 ตรวจสอบการประกอบที่ถูกต้องขององค์ประกอบทั้งหมดของวงจรไฟฟ้าของการติดตั้งตามรูปแผนภาพ 3. เกี่ยวกับเครื่องมือวัดให้กำหนดขอบเขตที่เหมาะสมสำหรับค่าที่วัดได้และกำหนดราคาแบ่งของแต่ละค่า 2 เชื่อมต่อวงจรเรียงกระแส VUP-2M เข้ากับช่องเสียบ 220 V และเอาต์พุตของโพเทนชิโอมิเตอร์ R เข้ากับช่องเสียบ +40 V ตรวจสอบเอาต์พุตของไส้หลอดหลอดไฟเข้ากับขั้วต่อวงจรเรียงกระแส ~6.3 V 3 การใช้ที่จับโพเทนชิโอมิเตอร์ (0 .. 100 V) ของวงจรเรียงกระแส ให้ใช้โวลต์มิเตอร์ตั้งค่าหนึ่งในสามค่าของแรงดันแอโนด (U a1) ที่อาจารย์กำหนด 4 ที่กระแสเป็นศูนย์ในโซลินอยด์ ให้สังเกตค่าสูงสุดของกระแสแอโนด (Ia)สูงสุด จากนั้น เมื่อใช้โพเทนชิออมิเตอร์ R โดยเพิ่มกระแสในโซลินอยด์ (Ic) ในช่วงเวลาหนึ่ง (เช่น ∆Iс = 0.1 A) แต่ละครั้งจะกำหนดค่าของกระแสแอโนด ทำการวัดอย่างน้อย 15...18 ป้อนค่าที่ได้รับของ Ic และ Ia ลงในตาราง 1. ตารางที่ 1 – 3 ของกระแสแอโนด, ∆Ia ของโซลินอยด์, ∆Ic (A) กระแสไฟที่เพิ่มขึ้นของโซลินอยด์, Ic กระแสแอโนดส่วนเพิ่ม Ia e (mA) (mA) ∆I a (A) หมายเลข (Ic) cr Bcr m p/ p ∆I c (A) (T) (C/kg) แอโนด - แรงดันแคโทด U a 1 1: 18 แอโนด - แรงดันแคโทด U a2 1: 18 แอโนด - แรงดันแคโทด U a3 1: 18 5 ตั้งค่า โวลต์มิเตอร์เป็นแรงดันไฟฟ้าที่ระบุอื่น (U a 2) และทำซ้ำการดำเนินการทั้งหมดตามขั้นตอนที่ 4 ป้อนข้อมูลใหม่ลงในตาราง 2. ทำการวัดแรงดันไฟฟ้าที่คล้ายกัน (U a3) และป้อนการวัดผลลัพธ์ลงในตาราง 3. 6 สำหรับแต่ละค่าของแรงดันแอโนด ให้สร้างการขึ้นต่อกันทางกราฟิก Ia = ƒ(Ic) บนกราฟเดียวกัน ∆I พล็อตการพึ่งพาอนุพันธ์ของกระแสแอโนด (dIa) บนกระแสโซลินอยด์คือ = f (I c) และจากนั้นกำหนดค่า ∆I c วิกฤตของกระแสโซลินอยด์ (Ic)cr ดังแสดงแผนผังในรูป 2. 7 แทนค่าที่พบ (Ic)cr ลงในสูตร (8) และประมาณค่าของการเหนี่ยวนำวิกฤต (Bcr) ของสนามแม่เหล็กสำหรับค่าทั้งหมดของแรงดันแอโนด 8 ใช้สูตร (7) และ (9) คำนวณค่าสามค่าของประจุเฉพาะของอิเล็กตรอน (e / m)1,2,3 ค้นหาค่าเฉลี่ยและเปรียบเทียบกับค่าตาราง 9 คำนวณข้อผิดพลาดสัมพัทธ์ในการกำหนดค่าที่ต้องการ (e / m) โดยใช้สูตร: ∆(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 ค่าของ R, L, N, ra, rк จะได้รับในการติดตั้งและรับข้อผิดพลาดตามกฎที่ทราบสำหรับค่าคงที่ ข้อผิดพลาด ∆µ0 และ ∆N สามารถละเลยได้ ตรวจสอบข้อผิดพลาด (∆Ic)cr และ ∆Ua ตามระดับความแม่นยำของแอมมิเตอร์และโวลต์มิเตอร์ 10 ใช้ข้อผิดพลาดสัมพัทธ์ค้นหาข้อผิดพลาดสัมบูรณ์ ∆(e / m) ป้อนค่าที่คำนวณได้ทั้งหมดในตาราง 1 – 3 และให้ผลลัพธ์สุดท้ายอยู่ในรูปแบบ em = (e m) avg ± ∆ (e m) 11 วิเคราะห์ผลลัพธ์และสรุปผล คำถามทดสอบ 1 วิถีโคจรของอนุภาคมีประจุที่อยู่ในสนามแม่เหล็กเป็นวงกลมภายใต้เงื่อนไขใด 2 บอกเราเกี่ยวกับการออกแบบการติดตั้งและสาระสำคัญของ "วิธีแมกนีตรอน" ในการหาประจุจำเพาะของอิเล็กตรอน 3 กระแสไฟฟ้าวิกฤตของโซลินอยด์คืออะไร ค่าวิกฤตของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กคืออะไร? 4 อธิบายวิถีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจากแคโทดไปยังแอโนดที่กระแสโซลินอยด์ Ic< Iкр, Ic = Iкр, Ic > ไอซีอาร์ 5 หาสูตร (6) และ (8) 6 อธิบายความแตกต่างพื้นฐานระหว่างคุณลักษณะการรีเซ็ตในอุดมคติและจริงของหลอดสุญญากาศ รายชื่อวรรณกรรมที่แนะนำ 1 Savelyev I.V. หลักสูตรฟิสิกส์ทั่วไป T. 2. M.: Nauka, 1982. 2 Detlaf A. A., Yavorsky B. M. และคณะ ฟิสิกส์. อ.: อุดมศึกษา, 2532. 3 Buravikhin V. A. et al. M.: Higher School, 1979. 4 Maysova N.N. การประชุมเชิงปฏิบัติการในหลักสูตรฟิสิกส์ทั่วไป. อ.: โรงเรียนระดับอุดมศึกษา, 2513 งานในห้องปฏิบัติการ ศึกษาการสั่นของแม่เหล็กไฟฟ้าในวงจร วัตถุประสงค์ของงาน: เพื่อศึกษาอิทธิพลของพารามิเตอร์ของวงจรออสซิลเลเตอร์ที่มีต่อธรรมชาติของการสั่นของแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นรวมถึงการได้รับทักษะในการประมวลผล ข้อมูลกราฟิก อุปกรณ์และอุปกรณ์เสริม: เครื่องกำเนิดไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ของพัลส์สี่เหลี่ยมระยะสั้น, ตัวเก็บประจุวงจรชาร์จเป็นระยะ, ระบบตัวเก็บประจุที่มีความจุต่างกัน, แบตเตอรี่ของตัวเหนี่ยวนำที่เชื่อมต่อแบบอนุกรม, ชุดตัวต้านทาน, ออสซิลโลสโคปอิเล็กทรอนิกส์, สะพานวีทสโตน, สวิตช์ , กุญแจ คำแนะนำเชิงระเบียบวิธี ในวงจรออสซิลเลเตอร์ไฟฟ้า การเปลี่ยนแปลงเป็นระยะจะเกิดขึ้นในปริมาณทางกายภาพจำนวนหนึ่ง (กระแส แรงดันประจุ ฯลฯ) วงจรออสซิลเลเตอร์จริงในรูปแบบที่เรียบง่ายประกอบด้วยตัวเก็บประจุ C ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรม ตัวเหนี่ยวนำ L และความต้านทานแบบแอคทีฟ R (รูปที่ 1) หากประจุตัวเก็บประจุแล้วสวิตช์ K ปิดอยู่ การสั่นของแม่เหล็กไฟฟ้าจะเกิดขึ้นในวงจร ตัวเก็บประจุจะเริ่มคายประจุและกระแสไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นและสนามแม่เหล็กตามสัดส่วนจะปรากฏในวงจร การเพิ่มขึ้นของสนามแม่เหล็กทำให้เกิดลักษณะการเหนี่ยวนำตัวเองในวงจร EMF: คำถามทดสอบ 1 ความหมายทางกายภาพของแนวคิดของการเหนี่ยวนำและความแรงของสนามแม่เหล็ก 2 เขียนกฎ Biot-Savart-Laplace และแสดงการประยุกต์ใช้ในการคำนวณสนามไฟฟ้ากระแสตรงและสนามบนแกนของขดลวดวงกลมที่มีกระแสไฟฟ้า 3 หาสูตรการคำนวณสำหรับสนามโซลินอยด์ที่มีความยาวจำกัด 4 อธิบายความหมายทางกายภาพของทฤษฎีบทเกี่ยวกับการไหลเวียนของเวกเตอร์การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก และการประยุกต์เพื่อคำนวณสนามของโซลินอยด์ที่ยาวเป็นอนันต์ 5 อธิบายหลักการทำงาน แผนภาพการติดตั้ง และเทคนิคการวัด 6 การกระจายสนามตามแนวแกนของโซลินอยด์จะเปลี่ยนไปอย่างไรขึ้นอยู่กับอัตราส่วนระหว่างความยาวและเส้นผ่านศูนย์กลาง รายชื่อวรรณกรรมที่แนะนำ 1 Savelyev I.V. หลักสูตรฟิสิกส์ทั่วไป T. 2. M. , 1982. 2 Detlaf A. A. , Yavorsky B. M. หลักสูตรฟิสิกส์ M. , 1987. 3 Akhmatov A. S. และคณะ ห้องปฏิบัติการทางฟิสิกส์ M. , 1980. 4 Irodov I. E. กฎพื้นฐานของแม่เหล็กไฟฟ้า อ.: โรงเรียนมัธยมปลาย 2526 งานห้องปฏิบัติการการกำหนดประจุเฉพาะของอิเล็กตรอน "วิธีแมกนีตรอน" วัตถุประสงค์ของงาน: เพื่อทำความคุ้นเคยกับวิธีการสร้างสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กตั้งฉากกันการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในสนามข้ามดังกล่าว . ทดลองหาค่าประจุจำเพาะของอิเล็กตรอน เครื่องมือและอุปกรณ์เสริม: หลอดอิเล็กทรอนิกส์ 6E5S, โซลินอยด์, แหล่งจ่ายไฟ VUP-2M, มิลลิแอมป์มิเตอร์, แอมมิเตอร์, โวลต์มิเตอร์, โพเทนชิออมิเตอร์, สายเชื่อมต่อ คำแนะนำที่เป็นระบบวิธีหนึ่งในการทดลองเพื่อกำหนดประจุจำเพาะของอิเล็กตรอน (อัตราส่วนของประจุของอิเล็กตรอนต่อมวล e / m) ขึ้นอยู่กับผลการศึกษาการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุในแม่เหล็กและไฟฟ้าตั้งฉากกัน สาขา ในกรณีนี้ วิถีการเคลื่อนที่ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนประจุของอนุภาคต่อมวล ชื่อของวิธีการที่ใช้ในงานนี้เกิดจากการที่การเคลื่อนที่ที่คล้ายกันของอิเล็กตรอนในสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าที่มีการกำหนดค่าเดียวกันนั้นดำเนินการในแมกนีตรอน - อุปกรณ์ที่ใช้ในการสร้างการสั่นของแม่เหล็กไฟฟ้าที่ทรงพลังของความถี่สูงพิเศษ หลักการสำคัญที่อธิบายวิธีการนี้สามารถระบุได้โดยการพิจารณาการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่บินด้วยความเร็ว v เข้าไปในสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ ซึ่งเป็นเวกเตอร์การเหนี่ยวนำที่ตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ เพื่อความง่าย ดังที่ทราบกันดีในกรณีนี้ อิเล็กตรอนเมื่อเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็กจะได้รับผลกระทบจากแรงลอเรนซ์สูงสุด Fl = evB ซึ่งตั้งฉากกับความเร็วของอิเล็กตรอน ดังนั้นจึงเป็นแรงสู่ศูนย์กลาง ในกรณีนี้การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนภายใต้อิทธิพลของแรงดังกล่าวเกิดขึ้นในวงกลมรัศมีซึ่งถูกกำหนดโดยเงื่อนไข: mv 2 evB = , (1) r โดยที่ e, m, v คือประจุ มวลและความเร็วของอิเล็กตรอน ตามลำดับ B – ค่าของการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก r คือรัศมีของวงกลม หรือ mv r= . (2) eB จากความสัมพันธ์ (2) เห็นได้ชัดว่ารัศมีความโค้งของวิถีโคจรของอิเล็กตรอนจะลดลงเมื่อการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กเพิ่มขึ้น และเพิ่มขึ้นตามความเร็วที่เพิ่มขึ้น การแสดงมูลค่าของประจุเฉพาะจาก (1) ที่เราได้รับ: e v = . (3) m rB จาก (3) เป็นไปตามนั้นในการกำหนดอัตราส่วน e / m จำเป็นต้องทราบความเร็วของอิเล็กตรอน v ค่าของการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก B และรัศมีความโค้งของวิถีโคจรของอิเล็กตรอน r ในทางปฏิบัติ หากต้องการจำลองการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและหาพารามิเตอร์ที่ระบุ ให้ดำเนินการดังนี้ อิเล็กตรอนที่มีทิศทางความเร็วการเคลื่อนที่ที่แน่นอนนั้นได้มาจากหลอดอิเล็กตรอนสองอิเล็กโทรดที่มีขั้วบวกที่ทำในรูปของทรงกระบอกตามแกนซึ่งมีแคโทดใยอยู่ เมื่อมีการใช้ความต่างศักย์ (แรงดันแอโนด Ua) ในช่องว่างวงแหวนระหว่างแอโนดและแคโทด สนามไฟฟ้าที่มีทิศทางตามแนวรัศมีจะถูกสร้างขึ้น ภายใต้อิทธิพลของอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากแคโทดเนื่องจากการปล่อยความร้อนจะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงตามแนว รัศมีของแอโนดและมิลลิแอมมิเตอร์ที่รวมอยู่ในวงจรแอโนด จะแสดงค่าที่แน่นอนของกระแสแอโนด Ia สนามแม่เหล็กสม่ำเสมอที่ตั้งฉากกับสนามไฟฟ้าและความเร็วของการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนนั้นได้มาจากการวางหลอดไฟไว้ที่ส่วนตรงกลางของโซลินอยด์เพื่อให้แกนของโซลินอยด์ขนานกับแกนของแอโนดทรงกระบอก ในกรณีนี้ เมื่อกระแส Ic ถูกส่งผ่านขดลวดโซลินอยด์ สนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นในช่องว่างวงแหวนระหว่างขั้วบวกและแคโทดจะทำให้วิถีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนโค้งงอเป็นเส้นตรง เมื่อ Ic กระแสโซลินอยด์เพิ่มขึ้น และผลที่ตามมาคือค่าของการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก B เพิ่มขึ้น รัศมีความโค้งของวิถีโคจรของอิเล็กตรอนจะลดลง อย่างไรก็ตามที่ค่าเล็กน้อยของการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก B อิเล็กตรอนทั้งหมดที่ไปถึงขั้วบวกก่อนหน้านี้ (ที่ B = 0) จะยังคงตกอยู่บนขั้วบวกและมิลลิแอมป์มิเตอร์จะบันทึกค่าคงที่ของกระแสขั้วบวก Ia (รูปที่ 1) . ที่ค่าวิกฤตของการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก (Bcr) ที่เรียกว่า อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปตามวิถีโคจรที่สัมผัสกับพื้นผิวด้านในของแอโนดทรงกระบอก กล่าวคือ จะไม่ไปถึงขั้วบวกอีกต่อไปซึ่งจะทำให้กระแสขั้วบวกลดลงอย่างรวดเร็วและการหยุดโดยสมบูรณ์ที่ค่า B > Bcr การพึ่งพาในอุดมคติ Ia = ƒ(B) หรือสิ่งที่เรียกว่าลักษณะข้อบกพร่อง แสดงไว้ในรูปที่ 1 เส้นประประ 1 เส้น (a) รูปเดียวกันนี้แสดงวิถีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในช่องว่างระหว่างขั้วบวกและแคโทดตามแผนผังที่ค่าต่าง ๆ ของการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก B ควรสังเกตว่าในกรณีนี้วิถีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในสนามแม่เหล็กจะไม่อีกต่อไป วงกลม แต่เป็นเส้นที่มีรัศมีความโค้งแปรผัน สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าความเร็ว Ia A K V=0 V< Bкр В = Bкр В > Bkr b a V รูปที่. 1. ลักษณะการปล่อยประจุในอุดมคติ (a) และจริง (b) ของอิเล็กตรอนมีการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องเนื่องจากการเร่งความเร็วที่ส่งไปโดยแรงของสนามไฟฟ้า ดังนั้นการคำนวณวิถีอิเล็กตรอนที่แม่นยำจึงค่อนข้างยาก อย่างไรก็ตามเมื่อรัศมีแอโนด ra มีขนาดใหญ่กว่ารัศมีแคโทด (ra >> rk) มาก เชื่อกันว่าการเพิ่มขึ้นหลักในความเร็วของอิเล็กตรอนภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าเกิดขึ้นในบริเวณใกล้กับแคโทด โดยที่ ความแรงของสนามไฟฟ้ามีค่าสูงสุด ดังนั้นความเร่งที่ยิ่งใหญ่ที่สุดจึงส่งไปยังอิเล็กตรอน เส้นทางต่อไปที่อิเล็กตรอนจะใช้คือความเร็วเกือบคงที่ และวิถีโคจรของมันจะอยู่ใกล้กับวงกลม ในเรื่องนี้ที่ค่าวิกฤตของการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก Bcr รัศมีความโค้งของวิถีอิเล็กตรอนจะถูกใช้เป็นระยะทางเท่ากับครึ่งหนึ่งของรัศมีขั้วบวกของหลอดไฟที่ใช้ในการติดตั้งนั่นคือ รา rcr = . (4) 2 ความเร็วของอิเล็กตรอนถูกกำหนดจากเงื่อนไขที่ว่าพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนเท่ากับงานที่ใช้โดยสนามไฟฟ้าเพื่อให้พลังงานนี้แก่มัน mv 2 = eU a , (5) 2 โดยที่ Ua คือความต่างศักย์ ระหว่างขั้วบวกและแคโทดของหลอดไฟ แทนที่ค่าความเร็วจาก (5) รัศมีวิถี RCR จาก (4) เป็น (3) ด้วยค่าวิกฤตของการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก เราได้รับนิพจน์สำหรับอัตราส่วน e / m ในรูปแบบ: e 8U = 2 a2 (6) m ra Bcr การคำนวณอย่างละเอียดโดยคำนึงถึงรัศมีแคโทด (rк) ให้ความสัมพันธ์ในการกำหนดประจุเฉพาะของอิเล็กตรอน e 8U a = . (7) m  r2  ra 2 Bcr 2 1 − k2   r   a  สำหรับโซลินอยด์ที่มีความยาวจำกัด ค่าของการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กวิกฤติในส่วนตรงกลางควรคำนวณโดยใช้สูตร µ 0 ( I c) cr N Bcr = , (8) 4 R 2 + L2 โดยที่ N คือจำนวนรอบของโซลินอยด์ L, R – ความยาวและรัศมีเฉลี่ยของโซลินอยด์ (ไอซ์)cr. – กระแสโซลินอยด์ที่สอดคล้องกับค่าวิกฤติของการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก การแทนที่ Bcr ลงใน (7) เราจะได้นิพจน์สุดท้ายสำหรับประจุเฉพาะ e 8U a (4 R 2 + L2) = . (9) 2 2 m 2  2 µ 0 ra (I c) cr N 1 − rк   r2  a  เนื่องจากตาม (8) B ~ Ic การทดลองจึงลดลงเหลือเพียงเอาลักษณะข้อบกพร่องออก เช่น. . การพึ่งพากระแสแอโนดกับกระแสโซลินอยด์ Ia = ƒ(Ic) ควรสังเกตว่า ตรงกันข้ามกับคุณลักษณะรอยเลื่อนในอุดมคติ (รูปที่ 1, a) คุณลักษณะที่แท้จริงมีส่วนที่ตกลงมาชันน้อยกว่า (รูปที่ 1, b) สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าอิเล็กตรอนถูกปล่อยออกมาจากแคโทดที่ได้รับความร้อนที่ความเร็วเริ่มต้นที่แตกต่างกัน การกระจายความเร็วของอิเล็กตรอนในระหว่างการปล่อยความร้อนใกล้เคียงกับกฎแม็กซ์เวลล์ที่รู้จักกันดีในเรื่องการกระจายความเร็วของโมเลกุลในก๊าซ ในเรื่องนี้สภาวะวิกฤตสำหรับอิเล็กตรอนที่แตกต่างกันนั้นเกิดขึ้นได้ที่ค่าที่แตกต่างกันของกระแสโซลินอยด์ซึ่งนำไปสู่การทำให้เส้นโค้งเรียบ Ia = ƒ(Ic) เนื่องจากตามการกระจายของแมกซ์เวลล์ การไหลของอิเล็กตรอนทั้งหมดที่ปล่อยออกมาจากแคโทด ส่วนใหญ่มีความเร็วเริ่มต้นใกล้เคียงกับความเร็วที่เป็นไปได้สำหรับอุณหภูมิแคโทดที่แน่นอน การลดลงอย่างรวดเร็วที่สุดในลักษณะการปล่อยจะสังเกตได้เมื่อกระแสไฟฟ้าของโซลินอยด์ไปถึง ค่าวิกฤต (Ic)cr สำหรับอิเล็กตรอนกลุ่มนี้โดยเฉพาะ ดังนั้นเพื่อกำหนดค่าของกระแสวิกฤติจึงใช้วิธีการสร้างความแตกต่างแบบกราฟิก เพื่อจุดประสงค์นี้บนกราฟของการพึ่งพา Ia = ƒ(Ic) การพึ่งพา ∆I a = f (I c) ∆I c ถูกพล็อตที่ค่าเดียวกันของกระแสโซลินอยด์ ∆Iа - การเพิ่มขึ้นของกระแสแอโนดโดยมีการเปลี่ยนแปลงที่สอดคล้องกันในกระแสโซลินอยด์ ∆Iс ∆I a รูปแบบโดยประมาณของคุณลักษณะการปล่อยประจุ Ia = ƒ(Ic) (a) และฟังก์ชัน = f (I c) (b) แสดงในรูปที่ 1 2. ค่าของวิกฤต ∆I c ∆I a ของกระแสโซลินอยด์ (Ic)cr ซึ่งสอดคล้องกับค่าสูงสุดของเส้นโค้ง = f (Ic) ถูกนำมาใช้ในการคำนวณ Bcr โดยใช้สูตร (8) ∆I c Ia Ia Ic ab (Ic)cr Ic รูป 2. รีเซ็ตคุณลักษณะ (a) และส่วนต่าง (b) ของหลอดไฟ

กระทรวงศึกษาธิการและวิทยาศาสตร์แห่งสหพันธรัฐรัสเซีย

มหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งรัฐบอลติก "โวนเมค"

แม่เหล็กไฟฟ้า

การประชุมเชิงปฏิบัติการในห้องปฏิบัติการทางฟิสิกส์

ส่วนที่ 2

แก้ไขโดย แอล.ไอ. วาซิลีวาและ วีเอ ซิวูลินา

เซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก

รวบรวมโดย: ดี.แอล. เฟโดรอฟ, ปริญญาเอกสาขาฟิสิกส์และคณิตศาสตร์ วิทยาศาสตร์ ศาสตราจารย์; แอล.ไอ. วาซิลีวา, ศาสตราจารย์; บน. อิวาโนวา, ผู้ช่วยศาสตราจารย์; อี.พี. เดนิซอฟ, ผู้ช่วยศาสตราจารย์; วีเอ ชิวูลิน, ผู้ช่วยศาสตราจารย์; หนึ่ง. สตารูคินศาสตราจารย์

ยูดีซี 537.8(076)

อี

แม่เหล็กไฟฟ้า: ห้องปฏิบัติการปฏิบัติการทางฟิสิกส์ / คอมพ์: D.L. Fedorov [และคนอื่น ๆ ]; บาลท์. สถานะ เทคโนโลยี มหาวิทยาลัย – เซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก, 2552 – 90 น.

การประชุมเชิงปฏิบัติการประกอบด้วยคำอธิบายของผลงานในห้องปฏิบัติการหมายเลข 14-22 ในหัวข้อ "ไฟฟ้าและแม่เหล็ก" นอกเหนือจากคำอธิบายของผลงานหมายเลข 1-13 ที่นำเสนอในการประชุมเชิงปฏิบัติการที่มีชื่อเดียวกัน ซึ่งตีพิมพ์ในปี 2549

ออกแบบมาสำหรับนักเรียนทุกสาขาวิชา

45

ยูดีซี 537.8(076)

ผู้วิจารณ์: ดร.เทค วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต. แผนก เทคโนโลยีสารสนเทศและพลังงาน BSTU เอส.พี. พริสยาจนุก

ที่ได้รับการอนุมัติ

บรรณาธิการและการตีพิมพ์

© บีเอสทียู, 2009

งานห้องปฏิบัติการครั้งที่ 14 ศึกษาคุณสมบัติทางไฟฟ้าของเฟอร์โรอิเล็กทริก

เป้าหมายของการทำงาน – ศึกษาโพลาไรเซชันของเฟอร์โรอิเล็กทริกโดยขึ้นอยู่กับความแรงของสนามไฟฟ้า อี, ได้เส้นโค้ง อี = ฉ(อี) ศึกษาอิเล็กทริกฮิสเทรีซีส ตรวจสอบการสูญเสียอิเล็กทริกในเฟอร์โรอิเล็กทริก

ข้อมูลโดยย่อจากทฤษฎี

ดังที่ทราบกันดีว่าโมเลกุลไดอิเล็กทริกในคุณสมบัติทางไฟฟ้าเทียบเท่ากับไดโพลไฟฟ้าและสามารถมีโมเมนต์ไฟฟ้าได้

ที่ไหน ถาม– ค่าสัมบูรณ์ของประจุรวมของหนึ่งเครื่องหมายในโมเลกุล (เช่น ประจุของนิวเคลียสทั้งหมดหรืออิเล็กตรอนทั้งหมด) ล– เวกเตอร์ที่ดึงจาก “จุดศูนย์ถ่วง” ของประจุลบของอิเล็กตรอน ไปยัง “จุดศูนย์ถ่วง” ของประจุบวกของนิวเคลียส (แขนไดโพล)

โพลาไรเซชันของไดอิเล็กทริกมักจะอธิบายตามแนวคิดของไดโพลที่แข็งและเหนี่ยวนำ สนามไฟฟ้าภายนอกจะสั่งการวางแนวของไดโพลแบบแข็ง (โพลาไรซ์การวางแนวในไดอิเล็กทริกที่มีโมเลกุลเชิงขั้ว) หรือนำไปสู่การปรากฏตัวของไดโพลเหนี่ยวนำที่ได้รับการจัดลำดับอย่างสมบูรณ์ (โพลาไรซ์การกระจัดแบบอิเล็กทรอนิกส์และไอออนในไดอิเล็กทริกที่มีโมเลกุลที่ไม่มีขั้ว) ในกรณีเหล่านี้ทั้งหมด อิเล็กทริกจะถูกโพลาไรซ์

โพลาไรเซชันของอิเล็กทริกหมายความว่าภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าภายนอก โมเมนต์ไฟฟ้าทั้งหมดของโมเลกุลอิเล็กทริกจะกลายเป็นไม่เป็นศูนย์

ลักษณะเชิงปริมาณของโพลาไรเซชันของอิเล็กทริกคือเวกเตอร์โพลาไรเซชัน (หรือเวกเตอร์โพลาไรเซชัน) ซึ่งเท่ากับโมเมนต์ไฟฟ้าต่อหน่วยปริมาตรของอิเล็กทริก:

, (14.2)

–ผลรวมเวกเตอร์ของโมเมนต์ไฟฟ้าไดโพลของโมเลกุลไดอิเล็กทริกทั้งหมดในปริมาตรไม่สิ้นสุดทางกายภาพ
.

สำหรับไดอิเล็กตริกแบบไอโซโทรปิก โพลาไรเซชัน เกี่ยวข้องกับความแรงของสนามไฟฟ้า ณ จุดเดียวกันโดยความสัมพันธ์

æ
, (14.3)

โดยที่ æ คือสัมประสิทธิ์ที่ไม่ขึ้นอยู่กับการประมาณค่าแรก บน และเรียกความไวต่ออิเล็กทริกของสาร =
F/m – ค่าคงที่ทางไฟฟ้า

เพื่ออธิบายสนามไฟฟ้าในรูปแบบไดอิเล็กทริก นอกเหนือจากความเข้ม และโพลาไรซ์ ให้ใช้เวกเตอร์การกระจัดทางไฟฟ้า กำหนดด้วยความเท่าเทียมกัน

. (14.4)

เมื่อคำนึงถึง (14.3) เวกเตอร์การกระจัดสามารถแสดงเป็น

, (14.5)

ที่ไหน
æ เป็นปริมาณไร้มิติที่เรียกว่าค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของตัวกลาง สำหรับไดอิเล็กทริกทั้งหมด æ > 0 และ ε > 1

เฟอร์โรอิเล็กทริกเป็นกลุ่มพิเศษของไดอิเล็กทริกแบบผลึกซึ่งในกรณีที่ไม่มีสนามไฟฟ้าภายนอกในช่วงอุณหภูมิและความดันที่แน่นอน จะมีโพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเอง (เกิดขึ้นเอง) ซึ่งทิศทางของสนามไฟฟ้าสามารถเปลี่ยนทิศทางได้และในบางกรณี ความเครียดทางกล

ต่างจากไดอิเล็กทริกทั่วไป เฟอร์โรอิเล็กทริกมีคุณสมบัติเฉพาะหลายประการที่นักฟิสิกส์โซเวียต I.V. Kurchatov และ P.P. โคเบโกะ. ให้เราพิจารณาคุณสมบัติพื้นฐานของเฟอร์โรอิเล็กทริก

เฟอร์โรอิเล็กทริกมีลักษณะเฉพาะด้วยค่าคงที่ไดอิเล็กทริกที่สูงมาก ซึ่งสามารถเข้าถึงมูลค่าของคำสั่งซื้อขายได้
- ตัวอย่างเช่น ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของเกลือ Rochelle NaKC 4 H 4 O 6 ∙4H 2 O ที่อุณหภูมิห้อง (~20°C) อยู่ใกล้กับ 10,000

คุณสมบัติพิเศษของเฟอร์โรอิเล็กทริกคือลักษณะที่ไม่เป็นเชิงเส้นของการพึ่งพาโพลาไรเซชัน รและด้วยเหตุนี้การกระจัดทางไฟฟ้า ดีเรื่องความแรงของสนาม อี(รูปที่ 14.1) ในกรณีนี้ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกεของเฟอร์โรอิเล็กทริกจะขึ้นอยู่กับ อี- ในรูป รูปที่ 14.2 แสดงการพึ่งพาเกลือโรแชลที่อุณหภูมิ 20°C

เฟอร์โรอิเล็กทริกทั้งหมดมีลักษณะเป็นปรากฏการณ์ของอิเล็กทริกฮิสเทรีซีสซึ่งประกอบด้วยความล่าช้าในการเปลี่ยนแปลงโพลาไรซ์ ร(หรือออฟเซ็ต ดี) เมื่อความแรงของสนามไฟฟ้าเปลี่ยนแปลง อี- ความล่าช้านี้เกิดจากการที่มูลค่า ร(หรือ ดี) ไม่ได้ถูกกำหนดโดยค่าของฟิลด์เท่านั้น อีแต่ยังขึ้นอยู่กับสถานะโพลาไรเซชันของกลุ่มตัวอย่างก่อนหน้านี้ด้วย ด้วยการเปลี่ยนแปลงแบบวัฏจักรของความแรงของสนาม อีติดยาเสพติด รและออฟเซ็ต ดีจาก อีแสดงเป็นเส้นโค้งที่เรียกว่าฮิสเทรีซิสลูป

ในรูป 14.3 แสดงวงฮิสเทรีซิสในพิกัด ดี, อี.

ด้วยสนามที่เพิ่มขึ้น อีอคติ ดีในตัวอย่างที่ไม่ได้รับการโพลาไรซ์ตั้งแต่แรก มีการเปลี่ยนแปลงไปตามเส้นโค้ง โอเอวี- เส้นโค้งนี้เรียกว่าเส้นโค้งโพลาไรเซชันเริ่มต้นหรือหลัก

เมื่อสนามไฟฟ้าลดลง เฟอร์โรอิเล็กทริกจะมีพฤติกรรมเหมือนอิเล็กทริกทั่วไป (ในภูมิภาค เวอร์จิเนียไม่มีฮิสเทรีซีส) จากนั้น (จากจุดนั้น ก) การเปลี่ยนแปลงของการกระจัดจะช้ากว่าการเปลี่ยนแปลงของความตึงเครียด เมื่อสนามมีความแรง อี= 0 เฟอร์โรอิเล็กทริกยังคงเป็นขั้วและขนาดของการกระจัดทางไฟฟ้าเท่ากับ
เรียกว่าอคติตกค้าง

เพื่อขจัดความเอนเอียงที่ตกค้าง จำเป็นต้องใช้สนามไฟฟ้าในทิศทางตรงกันข้ามกับเฟอร์โรอิเล็กทริกที่มีความแรงเท่ากับ – - ขนาด มักเรียกว่าสนามบีบบังคับ

หากค่าสูงสุดของความแรงของสนามไฟฟ้านั้นทำให้โพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเองถึงความอิ่มตัว ก็จะได้ลูปฮิสเทรีซิส เรียกว่าลิมิตวัฏจักรลูป (เส้นโค้งทึบในรูปที่ 14.3)

หากความอิ่มตัวของสนามแม่เหล็กสูงสุดไม่บรรลุผล ก็จะได้สิ่งที่เรียกว่าวงจรวนส่วนตัว ซึ่งอยู่ภายในวงจรจำกัด (เส้นโค้งเส้นประในรูปที่ 14.3) อาจมีจำนวนรอบการรีโพลาไรเซชันบางส่วนได้ไม่จำกัด แต่เป็นค่าการกระจัดสูงสุด ดีวงจรส่วนตัวจะอยู่บนเส้นโค้งโพลาไรเซชันหลัก OA เสมอ

คุณสมบัติของเฟอร์โรอิเล็กทริกขึ้นอยู่กับอุณหภูมิอย่างยิ่ง สำหรับเฟอร์โรอิเล็กทริกทุกตัวจะมีอุณหภูมิเช่นนี้ ซึ่งเหนือคุณสมบัติเฟอร์โรอิเล็กทริกของมันจะหายไปและกลายเป็นอิเล็กทริกธรรมดา อุณหภูมิ เรียกว่าจุดกูรี สำหรับแบเรียมไททาเนต BaTi0 3 จุดกูรีคือ 120°C เฟอร์โรอิเล็กทริกบางตัวมีจุดกูรีสองจุด (บนและล่าง) และทำงานเหมือนเฟอร์โรอิเล็กทริกเฉพาะในช่วงอุณหภูมิระหว่างจุดเหล่านี้เท่านั้น ซึ่งรวมถึงเกลือโรแชล ซึ่งมีจุดกูรีอยู่ที่ +24°C และ –18°C

ในรูป รูปที่ 14.4 แสดงกราฟของการขึ้นต่ออุณหภูมิของค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของผลึกเดี่ยว BaTi0 3 (ผลึก BaTi0 3 ในสถานะเฟอร์โรอิเล็กทริกเป็นแบบแอนไอโซโทรปิก ในรูปที่ 14.4 สาขาด้านซ้ายของกราฟหมายถึงทิศทางในตั้งฉากคริสตัล ไปยังแกนของโพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเอง) ในช่วงอุณหภูมิที่มีขนาดใหญ่เพียงพอ ค่าต่างๆ BaTi0 3 เกินค่าอย่างมีนัยสำคัญ อิเล็กทริกธรรมดาซึ่ง
- ใกล้จุด Curie มีการเพิ่มขึ้นอย่างมาก (ความผิดปกติ).

คุณสมบัติเฉพาะทั้งหมดของเฟอร์โรอิเล็กทริกมีความเกี่ยวข้องกับการมีอยู่ของโพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเอง โพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเองเป็นผลมาจากความไม่สมดุลภายในของหน่วยเซลล์ของคริสตัล ซึ่งนำไปสู่การปรากฏของโมเมนต์ไดโพลไฟฟ้าในนั้น เนื่องจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างเซลล์โพลาไรซ์แต่ละเซลล์ เซลล์ทั้งสองจึงถูกวางตำแหน่งเพื่อให้โมเมนต์ทางไฟฟ้าของพวกมันวางขนานกัน การวางแนวของโมเมนต์ทางไฟฟ้าของเซลล์หลายๆ เซลล์ในทิศทางเดียวกันทำให้เกิดการก่อตัวของบริเวณโพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเอง เรียกว่าโดเมน เห็นได้ชัดว่าแต่ละโดเมนมีโพลาไรซ์จนถึงความอิ่มตัว ขนาดเชิงเส้นของโดเมนไม่เกิน 10 -6 ม.

ในกรณีที่ไม่มีสนามไฟฟ้าภายนอก โพลาไรเซชันของโดเมนทั้งหมดจะมีทิศทางที่แตกต่างกัน ดังนั้นคริสตัลโดยรวมจึงไม่โพลาไรซ์ นี่คือภาพประกอบในรูป 14.5, กโดยที่โดเมนของกลุ่มตัวอย่างถูกแสดงเป็นแผนผัง ลูกศรจะระบุทิศทางของโพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเองของโดเมนต่างๆ ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าภายนอก การปรับทิศทางของโพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเองจะเกิดขึ้นในผลึกหลายโดเมน กระบวนการนี้ดำเนินการ: ก) การกระจัดของผนังโดเมน (โดเมนที่มีโพลาไรซ์เป็นมุมแหลม กับสนามภายนอก เติบโตเนื่องจากโดเมนที่
- b) การหมุนโมเมนต์ไฟฟ้า - โดเมน - ไปในทิศทางของสนาม c) การก่อตัวและการงอกของนิวเคลียสของโดเมนใหม่ซึ่งมีโมเมนต์ทางไฟฟ้าพุ่งไปตามสนาม

การปรับโครงสร้างของโครงสร้างโดเมนซึ่งเกิดขึ้นเมื่อสนามไฟฟ้าภายนอกถูกนำไปใช้และเพิ่มขึ้น นำไปสู่การปรากฏและการเติบโตของโพลาไรซ์ทั้งหมด รคริสตัล (ส่วนไม่เชิงเส้น โอเอในรูป 14.1 และ 14.3) ในกรณีนี้ การมีส่วนร่วมของโพลาไรซ์ทั้งหมด รนอกเหนือจากโพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเองแล้ว ยังแนะนำโพลาไรเซชันเหนี่ยวนำของการกระจัดทางอิเล็กทรอนิกส์และไอออน เช่น
.

ที่ความแรงของสนามที่แน่นอน ( ณ จุดนั้น ก) ทิศทางเดียวของโพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเองถูกสร้างขึ้นทั่วทั้งคริสตัล ซึ่งสอดคล้องกับทิศทางของสนาม (รูปที่ 14.5, ข- กล่าวกันว่าคริสตัลกลายเป็นโดเมนเดียวโดยมีทิศทางของโพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเองขนานกับสนาม สถานะนี้เรียกว่าความอิ่มตัว สนามเพิ่มขึ้น อีเมื่อถึงความอิ่มตัว มันจะมาพร้อมกับการเพิ่มขึ้นอีกในโพลาไรเซชันโดยรวม รคริสตัล แต่ตอนนี้เกิดจากการโพลาไรซ์เหนี่ยวนำเท่านั้น (มาตรา เอบีในรูป 14.1 และ 14.3) ในขณะเดียวกันก็โพลาไรเซชัน รและชดเชย ดีเกือบจะขึ้นอยู่กับเชิงเส้น อี- การประมาณค่าส่วนเชิงเส้น เอบีบนแกน y เราสามารถประมาณค่าโพลาไรเซชันของความอิ่มตัวที่เกิดขึ้นเองได้
ซึ่งมีค่าเท่ากับค่าโดยประมาณ
, ตัดออกโดยส่วนที่ประมาณค่าไว้บนแกนกำหนด:
- ความเท่าเทียมกันโดยประมาณนี้ตามมาจากข้อเท็จจริงที่ว่าสำหรับเฟอร์โรอิเล็กทริกส่วนใหญ่
และ
.

ตามที่ระบุไว้ข้างต้น ที่จุดกูรี เมื่อเฟอร์โรอิเล็กทริกถูกให้ความร้อน คุณสมบัติพิเศษของมันจะหายไปและกลายเป็นอิเล็กทริกธรรมดา สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าที่อุณหภูมิกูรี การเปลี่ยนเฟสของเฟอร์โรอิเล็กทริกเกิดขึ้นจากเฟสขั้วซึ่งมีลักษณะของโพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเอง ไปเป็นเฟสที่ไม่มีขั้ว ซึ่งไม่มีโพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเอง ในกรณีนี้ ความสมมาตรของโครงตาข่ายคริสตัลจะเปลี่ยนไป เฟสเชิงขั้วมักเรียกว่าเฟอร์โรอิเล็กทริก และเฟสที่ไม่มีขั้วมักเรียกว่าพาราอิเล็กทริก

โดยสรุป เราจะหารือเกี่ยวกับปัญหาการสูญเสียอิเล็กทริกในเฟอร์โรอิเล็กทริกเนื่องจากฮิสเทรีซิส

การสูญเสียพลังงานในไดอิเล็กทริกที่อยู่ในสนามไฟฟ้ากระแสสลับที่เรียกว่าไดอิเล็กทริกสามารถเชื่อมโยงกับปรากฏการณ์ต่อไปนี้: ก) เวลาหน่วงในโพลาไรซ์ รเรื่องความแรงของสนาม อีเนื่องจากการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุล b) การปรากฏตัวของกระแสการนำขนาดเล็ก c) ปรากฏการณ์ของอิเล็กทริกฮิสเทรีซีส ในทุกกรณีเหล่านี้จะเกิดการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นความร้อนอย่างถาวร

การสูญเสียอิเล็กทริกส่งผลให้ในส่วนของวงจรไฟฟ้ากระแสสลับที่มีตัวเก็บประจุ การเปลี่ยนเฟสระหว่างความผันผวนของกระแสและแรงดันไฟฟ้าจะไม่เท่ากันทุกประการ
แต่กลับกลายเป็นว่าน้อยกว่าเสมอ
ไปที่มุม เรียกว่ามุมสูญเสีย การสูญเสียอิเล็กทริกในตัวเก็บประจุประเมินโดยการสูญเสียแทนเจนต์:

, (14.6)

ที่ไหน – รีแอกแตนซ์ของตัวเก็บประจุ ร– ความต้านทานการสูญเสียในตัวเก็บประจุกำหนดจากสภาวะ: กำลังไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาที่ความต้านทานนี้เมื่อกระแสสลับไหลผ่านจะเท่ากับกำลังไฟฟ้าที่สูญเสียในตัวเก็บประจุ

การสูญเสียแทนเจนต์เป็นส่วนกลับของปัจจัยด้านคุณภาพ ถาม:
และเพื่อพิจารณาพร้อมกับ (14.6) คุณสามารถใช้นิพจน์ได้

, (14.7)

ที่ไหน
- การสูญเสียพลังงานระหว่างคาบการสั่น (ในส่วนประกอบวงจรหรือในวงจรทั้งหมด) ว– พลังงานการสั่นสะเทือน (สูงสุดสำหรับองค์ประกอบวงจรและผลรวมสำหรับทั้งวงจร)

ให้เราใช้สูตร (14.7) เพื่อประเมินการสูญเสียพลังงานที่เกิดจากอิเล็กทริกฮิสเทรีซีส การสูญเสียเหล่านี้ เช่นเดียวกับฮิสเทรีซิสเอง เป็นผลมาจากธรรมชาติที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ของกระบวนการที่รับผิดชอบในการปรับทิศทางของโพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเอง

ให้เราเขียน (14.7) ใหม่ในรูปแบบ

, (14.8)

ที่ไหน – การสูญเสียพลังงานของสนามไฟฟ้ากระแสสลับเนื่องจากฮิสเทรีซีสของไดอิเล็กทริกต่อหน่วยปริมาตรของเฟอร์โรอิเล็กทริกในระยะเวลาหนึ่ง – ความหนาแน่นพลังงานสนามไฟฟ้าสูงสุดในผลึกเฟอร์โรอิเล็กทริก

เนื่องจากปริมาตรความหนาแน่นของพลังงานของสนามไฟฟ้า

(14.9)

แล้วเพิ่มความแรงของสนามด้วย
มันเปลี่ยนแปลงตาม พลังงานนี้ถูกใช้ไปกับการรีโพลาไรซ์หน่วยปริมาตรของเฟอร์โรอิเล็กทริก และไปเพิ่มพลังงานภายใน เช่น เพื่อให้มันร้อนขึ้น เห็นได้ชัดว่าในช่วงเวลาหนึ่งเต็ม จะมีการกำหนดมูลค่าของการสูญเสียอิเล็กทริกต่อหน่วยปริมาตรของเฟอร์โรอิเล็กทริก

(14.10)

และเป็นตัวเลขเท่ากับพื้นที่ของลูปฮิสเทรีซิสในพิกัด ดี อี- ความหนาแน่นพลังงานสูงสุดของสนามไฟฟ้าในคริสตัลคือ:

, (14.11)

ที่ไหน และ
– แอมพลิจูดของความแรงของสนามไฟฟ้าและการกระจัด

การแทนที่ (14.10) และ (14.11) ลงใน (14.8) เราจะได้นิพจน์ต่อไปนี้สำหรับแทนเจนต์การสูญเสียอิเล็กทริกในเฟอร์โรอิเล็กทริก:

(14.12)

เฟอร์โรอิเล็กทริกใช้ในการผลิตตัวเก็บประจุที่มีความจุขนาดใหญ่แต่มีขนาดเล็กเพื่อสร้างองค์ประกอบที่ไม่เป็นเชิงเส้นต่างๆ อุปกรณ์วิทยุจำนวนมากใช้ variconds - ตัวเก็บประจุเฟอร์โรอิเล็กทริกที่มีคุณสมบัติไม่เชิงเส้นเด่นชัด: ความจุของตัวเก็บประจุดังกล่าวขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับพวกมันอย่างมาก Varicondes มีคุณลักษณะเด่นคือมีความแข็งแรงเชิงกลสูง ทนทานต่อการสั่นสะเทือน การสั่น และความชื้น ข้อเสียของ variconds คือช่วงความถี่และอุณหภูมิในการทำงานที่จำกัด ค่าการสูญเสียอิเล็กทริกสูง

กระทรวงศึกษาธิการและวิทยาศาสตร์ของสหพันธรัฐรัสเซียสถาบันการศึกษางบประมาณของรัฐบาลกลางการศึกษาวิชาชีพชั้นสูง "สถาบันป่าไม้แห่งรัฐ Voronezh" ห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ปฏิบัติการแม่เหล็ก VORONEZH 2014 2 UDC 537 F-50 จัดพิมพ์โดยการตัดสินใจของสภาการศึกษาและระเบียบวิธีของงบประมาณของรัฐบาลกลาง สถาบันการศึกษาระดับอุดมศึกษาวิชาชีพ "VGLTA" Biryukova I.P. ฟิสิกส์ [ข้อความ]: แล็บ. การประชุมเชิงปฏิบัติการ แม่เหล็ก: I.P. บีริวโควา, V.N. โบโรดิน, N.S. Kamalova, N.Y. Evsikova, N.N. Matveev, V.V. ซอชกิน; กระทรวงศึกษาธิการและวิทยาศาสตร์แห่งสหพันธรัฐรัสเซีย สถาบันการศึกษาด้านงบประมาณระดับอุดมศึกษาของรัฐบาลกลาง "VGLTA" – Voronezh, 2014. – 40 น. บรรณาธิการบริหาร Saushkin V.V. ผู้วิจารณ์: ปริญญาเอก ฟิสิกส์และคณิตศาสตร์ วิทยาศาสตร์, รองศาสตราจารย์ ภาควิชาฟิสิกส์ VSAU V.A. Beloglazov ให้ข้อมูลทางทฤษฎีที่จำเป็น คำอธิบายและขั้นตอนสำหรับการปฏิบัติงานในห้องปฏิบัติการเกี่ยวกับการศึกษาแม่เหล็กโลก แรงลอเรนซ์ และแรงแอมแปร์ และการกำหนดประจุจำเพาะของอิเล็กตรอน พิจารณาอุปกรณ์และหลักการทำงานของออสซิลโลสโคปแบบอิเล็กทรอนิกส์ หนังสือเรียนนี้มีไว้สำหรับนักศึกษาเต็มเวลาและนอกเวลาในสาขาวิชาและสาขาวิชาพิเศษที่มีหลักสูตรรวมการประชุมเชิงปฏิบัติการในห้องปฏิบัติการทางฟิสิกส์ 3 สารบัญ งานห้องปฏิบัติการหมายเลข 5.1 (25) การหาองค์ประกอบแนวนอนของการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กโลก …………………………………………………………… 4 งานห้องปฏิบัติการหมายเลข 5.2 (26) คำจำกัดความของการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก ………………………………………… 12 งานห้องปฏิบัติการข้อที่ 5.3 (27) การหาประจุจำเพาะของอิเล็กตรอนโดยใช้หลอดรังสีแคโทด ………………………………………………………………………… ……. 17 งานห้องปฏิบัติการข้อที่ 5.4 (28) การหาประจุจำเพาะของอิเล็กตรอนโดยใช้ไฟแสดงสถานะ …………………………………………………………………………… …….... 25 งานห้องปฏิบัติการครั้งที่ 5.5 (29) การศึกษาสมบัติทางแม่เหล็กของเฟอร์โรแมกเนติก………………………. 32 ภาคผนวก 1. ค่าคงที่ทางกายภาพบางค่า........................................ ........... ................ 38 2. คำนำหน้าทศนิยมของชื่อหน่วย...........………… ……. 38 3. สัญลักษณ์บนมาตราส่วนของเครื่องมือวัดทางไฟฟ้า...... 38 บรรณานุกรม............................. .... ........................................... . 39 งานห้องปฏิบัติการหมายเลข 5.1 (25) การกำหนดองค์ประกอบแนวนอนของการเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็กโลก วัตถุประสงค์ของงาน: ศึกษากฎของสนามแม่เหล็กในสุญญากาศ การวัดองค์ประกอบแนวนอนของการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กของโลก สนามแม่เหล็กขั้นต่ำตามทฤษฎี สนามแม่เหล็กถูกสร้างขึ้นโดยการเคลื่อนย้ายประจุไฟฟ้า (กระแสไฟฟ้า) ตัวแม่เหล็ก (แม่เหล็กถาวร) หรือสนามไฟฟ้าที่แปรผันตามเวลา การปรากฏตัวของสนามแม่เหล็กนั้นแสดงออกมาจากแรงที่ส่งผลต่อประจุไฟฟ้าที่กำลังเคลื่อนที่ (ตัวนำที่มีกระแส) เช่นเดียวกับผลของการวางแนวของสนามบนเข็มแม่เหล็กหรือตัวนำปิด (เฟรม) ที่มีกระแส การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก B เป็นเวกเตอร์ซึ่งมีโมดูลัสถูกกำหนดโดยอัตราส่วนของโมเมนต์สูงสุดของแรง Mmax ที่กระทำต่อเฟรมที่มีกระแสในสนามแม่เหล็กต่อโมเมนต์แม่เหล็ก pm ของเฟรมนี้โดยมีกระแส M B = สูงสุด (1) pm ทิศทางของเวกเตอร์ B เกิดขึ้นพร้อมกันกับทิศทางของเส้นตั้งฉากกับกรอบกระแสไหลที่เกิดขึ้นในสนามแม่เหล็ก โมเมนต์แม่เหล็ก pm ของเฟรมที่มีกระแสมีขนาดเท่ากับผลคูณของความแรงกระแส I และพื้นที่ S ถูกจำกัดด้วยเฟรม pm = IS ทิศทางของเวกเตอร์ p m เกิดขึ้นพร้อมกับทิศทางของเส้นปกติกับเฟรม ทิศทางของเส้นปกติไปยังเฟรมที่มีกระแสถูกกำหนดโดยกฎสกรูด้านขวา: หากหมุนสกรูที่มีเกลียวขวาตามทิศทางของกระแสในเฟรมการเคลื่อนที่ของสกรูที่แปลจะตรงกัน โดยมีทิศทางของเส้นปกติไปยังระนาบของเฟรม (รูปที่ 1) ทิศทางของการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก B ยังแสดงปลายด้านเหนือของเข็มแม่เหล็กที่ตั้งขึ้นในสนามแม่เหล็ก หน่วย SI ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กคือ เทสลา (T) 2 กฎ Bio-Savart-Laplace แต่ละองค์ประกอบ dl ของตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าที่ฉันสร้างขึ้น ณ จุดหนึ่ง A จะมีสนามแม่เหล็กที่มีการเหนี่ยวนำ dB ซึ่งขนาดจะเป็นสัดส่วนกับผลคูณเวกเตอร์ของเวกเตอร์ dl และรัศมีเวกเตอร์ r ที่ดึงมาจากองค์ประกอบ dl ไปยังจุดที่กำหนด A (รูปที่ 2 ) μ μI dB = 0 3 , (2) 4π r โดยที่ dl เป็นองค์ประกอบที่เล็กที่สุดของตัวนำซึ่งมีทิศทางเกิดขึ้นพร้อมกับทิศทางของกระแสในตัวนำ r – โมดูลัสของเวกเตอร์ r; μ0 – ค่าคงที่แม่เหล็ก μคือความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กของตัวกลางซึ่งมีองค์ประกอบและจุด A ตั้งอยู่ (สำหรับสุญญากาศ μ = 1 สำหรับอากาศ μ ≅ 1) dB ตั้งฉากกับเวกเตอร์ของระนาบซึ่งมีเวกเตอร์ dl และ r อยู่ (รูปที่ 2) ทิศทางของเวกเตอร์ dB ถูกกำหนดโดยกฎสกรูด้านขวา: หากหมุนสกรูที่มีเกลียวขวาจาก dl ถึง r ไปยังมุมที่เล็กกว่า การเคลื่อนที่ในการแปลของสกรูจะตรงกับทิศทาง dB สมการเวกเตอร์ (2) ในรูปแบบสเกลาร์จะกำหนดโมดูลการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก μ μ I dl sinα dB = 0, (3) 4π r 2 โดยที่ α คือมุมระหว่างเวกเตอร์ dl และ r หลักการซ้อนทับของสนามแม่เหล็ก หากสนามแม่เหล็กถูกสร้างขึ้นโดยตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าหลายตัว (ประจุเคลื่อนที่ แม่เหล็ก ฯลฯ) การเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นจะเท่ากับผลรวมของการเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยแต่ละสนามแม่เหล็ก ตัวนำแยกกัน: B res = ∑ B i . i การสรุปจะดำเนินการตามกฎของการบวกเวกเตอร์ การเหนี่ยวนำแม่เหล็กบนแกนของตัวนำแบบวงกลมด้วยกระแส การใช้กฎ Biot-Savart-Laplace และหลักการของการทับซ้อนทำให้สามารถคำนวณการเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยตัวนำโดยพลการด้วยกระแส เมื่อต้องการทำเช่นนี้ ตัวนำจะถูกแบ่งออกเป็นองค์ประกอบ dl และการเหนี่ยวนำ dB ของสนามที่สร้างขึ้นโดยแต่ละองค์ประกอบที่จุดที่พิจารณาในอวกาศจะคำนวณโดยใช้สูตร (2) การเหนี่ยวนำ B ของสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยตัวนำทั้ง 3 ตัวจะเท่ากับผลรวมของสนามเหนี่ยวนำที่สร้างขึ้นโดยแต่ละองค์ประกอบ (เนื่องจากองค์ประกอบนั้นมีขนาดเล็กมาก ผลรวมจะลดลงเพื่อคำนวณอินทิกรัลตามความยาวของตัวนำ l) B = ∫ เดซิเบล (4) l ตามตัวอย่าง ขอให้เราพิจารณาการเหนี่ยวนำแม่เหล็กที่จุดศูนย์กลางของตัวนำทรงกลมที่มีกระแส I (รูปที่ 3,a) ให้ R เป็นรัศมีของตัวนำ ที่จุดศูนย์กลางของการเลี้ยว เวกเตอร์ dB ขององค์ประกอบทั้งหมด dl ของตัวนำจะถูกกำกับในลักษณะเดียวกัน - ตั้งฉากกับระนาบของการเลี้ยวตามกฎสกรูด้านขวา เวกเตอร์ B ของสนามผลลัพธ์ของตัวนำทรงกลมทั้งหมดมุ่งตรงไปที่จุดนี้ด้วย เนื่องจากองค์ประกอบทั้งหมด dl ตั้งฉากกับรัศมีเวกเตอร์ r ดังนั้น sinα = 1 และระยะห่างจากแต่ละองค์ประกอบ dl ถึงศูนย์กลางของวงกลมจะเท่ากันและเท่ากับรัศมี R ของการเลี้ยว ในกรณีนี้ สมการ (3) จะอยู่ในรูปแบบ μ μ I dl dB = 0 4 π R2 เมื่อรวมนิพจน์นี้เข้ากับความยาวของตัวนำ l ในช่วงตั้งแต่ 0 ถึง 2πR เราจะได้การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กที่จุดศูนย์กลางของตัวนำทรงกลมที่มีกระแส I (5) B = μ0 μ 2R ในทำนองเดียวกัน เราสามารถหานิพจน์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กบนแกนของตัวนำทรงกลมที่ระยะห่าง h จากจุดศูนย์กลางของขดลวดด้วยกระแส (รูปที่ 3,b) B = μ0 μ I R 2 2(ร 2 + ชม. 2)3 / 2. ขั้นตอนการทดลอง (6) 4 โลกเป็นแม่เหล็กธรรมชาติ ซึ่งมีขั้วตั้งอยู่ใกล้กับขั้วทางภูมิศาสตร์ สนามแม่เหล็กของโลกคล้ายกับสนามแม่เหล็กเส้นตรง เวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กที่อยู่ใกล้พื้นผิวโลกสามารถแบ่งออกเป็นส่วนประกอบ BG แนวนอนและแนวตั้ง: BEarth = VG + VV วิธีการวัดโมดูลัสขององค์ประกอบแนวนอน VG ของสนามแม่เหล็กโลกในงานนี้ขึ้นอยู่กับหลักการของ การซ้อนทับของสนามแม่เหล็ก หากเข็มแม่เหล็ก (เช่น เข็มเข็มทิศ) สามารถหมุนได้อย่างอิสระรอบแกนตั้ง จากนั้นภายใต้อิทธิพลขององค์ประกอบแนวนอนของสนามแม่เหล็กของโลก เข็มนั้นจะถูกติดตั้งในระนาบของเส้นลมแม่เหล็กตามทิศทาง B G . หากมีการสร้างสนามแม่เหล็กอีกอันใกล้กับเข็ม การเหนี่ยวนำ B ซึ่งอยู่ในระนาบแนวนอน ลูกศรจะหมุนผ่านมุม α และกำหนดทิศทางของการเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นของทั้งสองสนาม เมื่อรู้ B และวัดมุม α เราก็สามารถหา BG ได้ มุมมองทั่วไปของการติดตั้ง เรียกว่ากัลวาโนมิเตอร์แทนเจนต์ แสดงไว้ในรูปที่ 1 รูปที่ 4 วงจรไฟฟ้าดังแสดงในรูปที่ 4 5. ตรงกลางของตัวนำวงกลม (การหมุน) 1 มีเข็มทิศ 2 ซึ่งสามารถเคลื่อนที่ไปตามแกนของการหมุนได้ แหล่งที่มาปัจจุบัน ε ตั้งอยู่ในตัวเรือน 3 ที่แผงด้านหน้าซึ่งมี: ปุ่ม K (เครือข่าย); ที่จับของโพเทนชิออมิเตอร์ R ซึ่งช่วยให้คุณปรับความแรงของกระแสในตัวนำแบบวงกลมได้ mA milliammeter ซึ่งใช้วัดกระแสในตัวนำ สวิตช์ P ซึ่งคุณสามารถเปลี่ยนทิศทางของกระแสในตัวนำวงกลมของกัลวาโนมิเตอร์แทนเจนต์ได้ ก่อนเริ่มการวัด เข็มเข็มทิศแม่เหล็กจะติดตั้งอยู่ในระนาบของการหมุนวงกลมที่อยู่ตรงกลาง (รูปที่ 6) ในกรณีนี้ ในกรณีที่ไม่มีกระแสหมุน เข็มแม่เหล็กจะแสดงทิศทางขององค์ประกอบแนวนอน B Г ของการเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็กโลก หากคุณเปิดกระแสในตัวนำแบบวงกลมเวกเตอร์การเหนี่ยวนำ B ของสนามที่สร้างขึ้นจะตั้งฉากกับ B G เข็มแม่เหล็กของกัลวาโนมิเตอร์แทนเจนต์จะหมุนผ่านมุมหนึ่งαและตั้งไปในทิศทางของการเหนี่ยวนำ ของฟิลด์ผลลัพธ์ (รูปที่ 6 และรูปที่ 7) ค่าแทนเจนต์ของมุม α ของการโก่งตัวของเข็มแม่เหล็กถูกกำหนดโดยสูตร 5 tgα = จากสมการ (5) และ (7) เราได้ BГ = B BG (7) μo μ ฉัน . 2 R tgα ในการติดตั้งในห้องปฏิบัติการเพื่อเพิ่มการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก ตัวนำแบบวงกลมประกอบด้วยการหมุน N ซึ่งในแง่ของการกระทำของแม่เหล็กจะเทียบเท่ากับการเพิ่มความแรงของกระแสเป็น N ครั้ง ดังนั้นสูตรการคำนวณเพื่อกำหนดองค์ประกอบแนวนอนของการเหนี่ยวนำ VG ของสนามแม่เหล็กโลกจึงมีรูปแบบ μ μIN BG = o (8) 2 R tgα เครื่องมือและอุปกรณ์เสริม: ขาตั้งห้องปฏิบัติการ ขั้นตอนการทำงานให้เสร็จสิ้น ปริมาณงานและเงื่อนไขในการดำเนินการทดลองกำหนดโดยครูหรือตามการมอบหมายงานส่วนบุคคล การวัดองค์ประกอบแนวนอนของการเหนี่ยวนำ VG ของสนามแม่เหล็กโลก 1. โดยการหมุนตัวเครื่องที่ติดตั้ง ตรวจสอบให้แน่ใจว่าเข็มแม่เหล็กอยู่ในระนาบของการหมุน ในกรณีนี้ ระนาบของการหมุนกัลวาโนมิเตอร์แทนเจนต์จะตรงกับระนาบของเส้นเมริเดียนแม่เหล็กของโลก 2. วางปุ่มโพเทนชิออมิเตอร์ R ไปที่ตำแหน่งซ้ายสุด ตั้งค่าคีย์ K (เครือข่าย) ไปที่ตำแหน่งเปิด วางสวิตช์ P ในตำแหน่งสุดขั้วตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่ง (ในตำแหน่งตรงกลางของสวิตช์ P วงจรการหมุนจะเปิดอยู่) 3. ใช้โพเทนชิออมิเตอร์ R เพื่อตั้งค่าชุดแรกของกระแส I (เช่น 0.05 A) และหามุม α1 ของการเบี่ยงเบนของตัวชี้จากตำแหน่งเดิม 6 4. เปลี่ยนทิศทางของกระแสโดยสลับสวิตช์ P ไปที่ตำแหน่งสุดขั้วอีกตำแหน่งหนึ่ง กำหนดมุม α 2 ของการโก่งตัวของลูกศรใหม่ การเปลี่ยนทิศทางของกระแสช่วยให้คุณสามารถกำจัดข้อผิดพลาดที่เกิดจากความบังเอิญที่ไม่ถูกต้องของระนาบการเลี้ยวกับระนาบของเส้นลมปราณแม่เหล็ก ป้อนผลการวัดลงในตาราง 1. ตารางที่ 1 หมายเลขการวัด I, A α1, องศา α 2 องศา α, องศา B G, T 1 2 3 4 5 คำนวณค่าเฉลี่ยของ α โดยใช้สูตร α + α2 α = 1 2 5. ทำการวัดที่ระบุในย่อหน้าที่ 3 และ 4 ด้วยค่ากระแสที่แตกต่างกันอีกสี่ค่าในช่วงตั้งแต่ 0.1 ถึง 0.5 A 6. สำหรับแต่ละค่าปัจจุบัน ให้ใช้สูตร (8) เพื่อคำนวณองค์ประกอบแนวนอน B G ของการเหนี่ยวนำ สนามแม่เหล็กโลก แทนค่าเฉลี่ยของ α ลงในสูตร รัศมีของตัวนำทรงกลม R = 0.14 ม. จำนวนรอบ N จะถูกระบุในการติดตั้ง การซึมผ่านของแม่เหล็ก μ ของอากาศสามารถประมาณได้ว่าเท่ากับความสามัคคี 7. คำนวณค่าเฉลี่ยขององค์ประกอบแนวนอน B Г ของการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กของโลก เปรียบเทียบกับค่าตาราง B Gtable = 2 ⋅ 10 −5 T. 8. สำหรับค่าปัจจุบันค่าใดค่าหนึ่ง ให้คำนวณข้อผิดพลาด Δ B Г = ε ⋅ B Г และเขียนช่วงความเชื่อมั่นผลลัพธ์ B Г = (B Г ± ΔB Г) T ข้อผิดพลาดสัมพัทธ์ในการวัดค่า B Г ε = ε I 2 + ε R 2 + εα 2 คำนวณข้อผิดพลาดบางส่วนสัมพัทธ์โดยใช้สูตร 2Δ α ΔI ΔR ; εR = ; εα = εI = , I R sin 2 α โดยที่ Δ α คือความคลาดเคลื่อนสัมบูรณ์ของมุม α ซึ่งแสดงเป็นเรเดียน (ในการแปลงมุม α เป็นเรเดียน ค่าของมันเป็นองศาจะต้องคูณด้วย π และหารด้วย 180) 9. เขียนข้อสรุปโดย - เปรียบเทียบค่าที่วัดได้ของ BG กับค่าตาราง – เขียนช่วงความเชื่อมั่นผลลัพธ์สำหรับค่า B Г; 7 - ระบุว่าการวัดใดมีส่วนทำให้เกิดข้อผิดพลาดในค่า B G การศึกษาการพึ่งพาของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กกับความแรงของกระแสในตัวนำ 10 เพื่อให้งานนี้สำเร็จ ให้ทำตามขั้นตอนที่ 1 ถึง 5 ป้อนผลการวัดใน โต๊ะ. 2. ตารางที่ 2 หมายเลขการวัด I, A α1, องศา α 2 องศา α , deg Vexp, T Vteor, T 1 2 3 4 5 11. ใช้ค่าตารางของ B Gtable = 2 ⋅ 10 −5 T สำหรับแต่ละค่ากระแสโดยใช้สูตร (7) คำนวณค่าทดลองของการเหนี่ยวนำ Vexp ของแม่เหล็ก สนามที่สร้างขึ้นโดยการเลี้ยว แทนค่าเฉลี่ย α ลงในสูตร ป้อนผลลัพธ์ลงในตาราง 2. 12. สำหรับแต่ละค่าปัจจุบัน โดยใช้สูตร μ μI N (9) Bทฤษฎี = o 2R คำนวณค่าทางทฤษฎีของการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยการหมุน รัศมีของตัวนำทรงกลม R = 0.14 ม. จำนวนรอบ N จะถูกระบุในการติดตั้ง การซึมผ่านของแม่เหล็ก μ ของอากาศสามารถประมาณได้ว่าเท่ากับความสามัคคี ป้อนผลลัพธ์ลงในตาราง 2. 13. วาดระบบพิกัด: แกน x คือความแรงกระแส I ในรอบต่างๆ แกนพิกัดคือความเหนี่ยวนำแม่เหล็ก B โดยที่พล็อตการขึ้นต่อกันของ Vexp กับความแรงกระแส I ในรอบต่างๆ อย่าเชื่อมต่อคะแนนการทดลองที่ได้รับด้วยเส้น 14. บนกราฟเดียวกัน ให้พรรณนาการพึ่งพาของบีธีออร์กับ I โดยลากเส้นตรงผ่านจุดของบีธีออร์ 15. ประเมินระดับของข้อตกลงระหว่างการพึ่งพาเชิงทดลองและเชิงทฤษฎีที่ได้รับ B(I) ระบุเหตุผลที่เป็นไปได้สำหรับความคลาดเคลื่อน 16. เขียนข้อสรุปโดยระบุว่าการทดลองยืนยันการพึ่งพาเชิงเส้น B(I) หรือไม่ – ทำค่าการทดลองของการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยขดลวดให้ตรงกับค่าทางทฤษฎี ระบุสาเหตุที่เป็นไปได้สำหรับความคลาดเคลื่อน 17. เข็มทิศกัลวาโนมิเตอร์แทนเจนต์สามารถเคลื่อนที่ตั้งฉากกับระนาบของขดลวดได้ โดยการวัดมุม α ของการโก่งตัวของเข็มแม่เหล็กสำหรับระยะทางต่าง ๆ h จากศูนย์กลางของการหมุนด้วยความแรงของกระแสคงที่ I ในการหมุนและทราบค่าของ B Г คุณสามารถตรวจสอบความถูกต้องของสูตรทางทฤษฎี (6) . 8 คำถามตรวจสอบ 1. อธิบายแนวคิดเกี่ยวกับสนามแม่เหล็ก การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก 2. กฎหมาย Biot-Savart-Laplace คืออะไร? 3. ทิศทางคืออะไรและค่าใดที่การเหนี่ยวนำแม่เหล็กในศูนย์กลางของตัวนำแบบวงกลมที่มีกระแสไฟฟ้าขึ้นอยู่กับค่าใด? 4. หลักการซ้อนทับของสนามแม่เหล็กคืออะไร? ใช้ในงานนี้อย่างไร? 5. เข็มแม่เหล็กติดตั้งอย่างไร: ก) ในกรณีที่ไม่มีกระแสในการหมุนของกัลวาโนมิเตอร์แทนเจนต์; b) เมื่อกระแสไหลผ่านรอบ? 6. เหตุใดตำแหน่งของเข็มแม่เหล็กจึงเปลี่ยนไปเมื่อทิศทางของกระแสในรอบเปลี่ยน? 7. เข็มแม่เหล็กของกัลวาโนมิเตอร์แทนเจนต์จะถูกติดตั้งอย่างไร หากการติดตั้งถูกป้องกันจากสนามแม่เหล็กโลก? 8. เพื่อจุดประสงค์ใดที่ไม่ได้ใช้เพียงครั้งเดียว แต่ใช้หลายสิบรอบในกัลวาโนมิเตอร์แทนเจนต์? 9. เหตุใดเมื่อทำการทดลอง ระนาบของการหมุนของกัลวาโนมิเตอร์แทนเจนต์จึงควรตรงกับระนาบของเส้นเมริเดียนแม่เหล็กของโลก? 10. เหตุใดเข็มแม่เหล็กจึงต้องมีขนาดเล็กกว่ารัศมีวงเลี้ยวมาก? 11. เหตุใดการทดลองด้วยกระแสสองทิศทางที่ตรงกันข้ามในรอบต่างๆ จึงเพิ่มความแม่นยำในการวัด B G ข้อผิดพลาดในการทดลองใดที่ไม่รวมในกรณีนี้ บรรณานุกรม 1. Trofimova, T.I. หลักสูตรฟิสิกส์ 2000. §§ 109, 110. 12 งานห้องปฏิบัติการหมายเลข 5.2 (26) การกำหนดความเหนี่ยวนำแม่เหล็ก วัตถุประสงค์ของงาน: การศึกษาและตรวจสอบกฎของแอมแปร์; ศึกษาการพึ่งพาการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กของแม่เหล็กไฟฟ้ากับความแรงของกระแสไฟฟ้าในขดลวด สนามแม่เหล็กขั้นต่ำตามทฤษฎี (ดูหน้า 23) 4) การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก (ดูหน้า 4) กฎของแอมแปร์ แต่ละองค์ประกอบ dl ของตัวนำที่มีกระแส I ซึ่งอยู่ในสนามแม่เหล็กที่มีการเหนี่ยวนำ B จะถูกกระทำโดยแรง dF = I dl × B (1) ทิศทางของเวกเตอร์ dF ถูกกำหนดโดยกฎผลคูณเวกเตอร์: เวกเตอร์ dl, B และ dF รวมกันเป็นสามเท่าของเวกเตอร์ทางขวา (รูปที่ 1) เวกเตอร์ dF ตั้งฉากกับระนาบที่เวกเตอร์ dl และ B อยู่ ทิศทางของแรงแอมแปร์ dF สามารถกำหนดได้ตามกฎมือซ้าย: หากเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กเข้าไปในฝ่ามือ และนิ้วทั้งสี่ที่ขยายออกนั้นอยู่ในทิศทางของกระแสในตัวนำ นิ้วหัวแม่มืองอ 90° จะแสดงขึ้น ทิศทางของแรงแอมแปร์ที่กระทำต่อองค์ประกอบของตัวนำนี้ โมดูลัสแรงของแอมแปร์คำนวณโดยสูตร dF = I B sin α ⋅ dl โดยที่ α คือมุมระหว่างเวกเตอร์ B และ dl (2) 13 วิธีการทดลอง แรงแอมแปร์ในการทำงานถูกกำหนดโดยใช้สเกล (รูปที่ 2) ตัวนำที่กระแส I ไหลผ่านถูกแขวนไว้จากคานทรงตัว เพื่อเพิ่มแรงที่วัดได้ ตัวนำจะถูกสร้างขึ้นในรูปของกรอบสี่เหลี่ยม 1 ซึ่งมี N รอบ ด้านล่างของเฟรมอยู่ระหว่างขั้วแม่เหล็กไฟฟ้า 2 ซึ่งทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก แม่เหล็กไฟฟ้าเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายกระแสตรงด้วยแรงดันไฟฟ้า 12 V กระแส I EM ในวงจรแม่เหล็กไฟฟ้าถูกควบคุมโดยใช้ลิโน่ R 1 และวัดด้วยแอมป์มิเตอร์ A1 แรงดันไฟฟ้าจากแหล่งกำเนิดเชื่อมต่อกับแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านขั้วต่อ 4 ที่อยู่บนตัวเครื่องชั่ง กระแส I ในเฟรมถูกสร้างขึ้นโดยแหล่งจ่ายไฟ DC 12 V วัดโดยแอมมิเตอร์ A2 และควบคุมโดยลิโน่ R2 แรงดันไฟฟ้าจะจ่ายให้กับเฟรมผ่านขั้วต่อ 5 บนตัวเครื่องชั่ง ผ่านตัวนำเฟรมที่อยู่ระหว่างขั้วของแม่เหล็กไฟฟ้ากระแสจะไหลไปในทิศทางเดียว ดังนั้น แรงแอมแปร์ F = I lBN ทำหน้าที่ที่ด้านล่างของเฟรม (3) โดยที่ l คือความยาวของด้านล่างของเฟรม; B คือการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กระหว่างขั้วของแม่เหล็กไฟฟ้า หากเลือกทิศทางของกระแสในกรอบให้แรงแอมแปร์พุ่งลงในแนวตั้งลงในแนวตั้ง ก็จะสามารถปรับสมดุลได้ด้วยแรงโน้มถ่วงของตุ้มน้ำหนักที่วางบนกระทะ 3 สเกล หากมวลของน้ำหนักคือ m ดังนั้นแรงโน้มถ่วง mg และตามสูตร (4) การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก มก. (4) B= IlN เครื่องมือและอุปกรณ์เสริม: การติดตั้งสำหรับวัดแรงแอมแปร์และการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก ชุดตุ้มน้ำหนัก 14 ขั้นตอนการปฏิบัติงาน ปริมาณงานและเงื่อนไขในการทำการทดลองกำหนดโดยครูหรือตามการมอบหมายงานส่วนบุคคล 1. ตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้ประกอบวงจรไฟฟ้าของการติดตั้งอย่างถูกต้อง ที่รีโอสแตต R 1 และ R 2 ต้องป้อนค่าความต้านทานสูงสุด 2. ก่อนเริ่มการวัด มาตราส่วนจะต้องสมดุล การเข้าถึงจานชั่งทำได้ทางประตูด้านข้างเท่านั้น ตาชั่งจะถูกปล่อย (ถอดออกจากล็อค) โดยหมุนที่จับ 6 ไปที่ตำแหน่งเปิด (รูปที่ 1) ควรใช้เครื่องชั่งอย่างระมัดระวัง หลังจากตรวจวัดเสร็จแล้ว ให้หมุนที่จับ 6 ไปที่ตำแหน่งปิด 3. ครูเชื่อมต่อการติดตั้งเข้ากับเครือข่าย 4. กรอกตาราง 1 คุณลักษณะของเครื่องมือวัดทางไฟฟ้า ตารางที่ 1 ชื่ออุปกรณ์ ระบบอุปกรณ์ ขีดจำกัดการวัด แอมมิเตอร์สำหรับวัดกระแสในเฟรม แอมมิเตอร์สำหรับวัดกระแสในแม่เหล็กไฟฟ้า ระดับราคา ข้อผิดพลาดในการแบ่งความแม่นยำของเครื่องมือ ΔI pr ΔI EM pr การตรวจสอบกฎของแอมแปร์ 5. วางน้ำหนักของมวลที่ต้องการบน ถ้วยที่มีเกล็ดอยู่ในกรง (เช่น m = 0.5 กรัม) ใช้ลิโน่ R 1 ตั้งค่ากระแสในวงจรแม่เหล็กไฟฟ้าให้เป็นค่าที่ต้องการ (เช่น I EM = 0.2 A) 6. ปล่อยตาชั่งและใช้ลิโน่ R 2 เลือกกระแส I ในเฟรมเพื่อให้ตาชั่งมีความสมดุล บันทึกผลลัพธ์ที่ได้รับในตารางที่ 2 ตารางที่ 2 จำนวนการวัด I EM, A t, g I, A F, H 1 2 3 4 5 7. ที่ค่า I EM เท่ากัน ให้ทำการวัดเพิ่มเติมอีกสี่ครั้งตามที่ระบุไว้ในย่อหน้าที่ 5 แต่ละครั้งจะเพิ่มมวลของน้ำหนัก ประมาณ 0.2 15 8. ในแต่ละการทดลองให้คำนวณแรงแอมแปร์เท่ากับแรงโน้มถ่วงของน้ำหนัก F = มก. 9. สร้างกราฟของการพึ่งพา F กับความแรงของกระแส I ในตัวนำโดยพล็อตค่าตามแกน I abscissa การพึ่งพานี้ได้มาที่ค่าคงที่ของกระแสแม่เหล็กไฟฟ้า I EM ดังนั้นค่าของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กก็คงที่เช่นกัน ดังนั้นผลลัพธ์ที่ได้ทำให้เราสามารถสรุปความเป็นไปได้ของกฎของแอมแปร์ในแง่ของสัดส่วนของแรงของแอมแปร์ต่อความแรงของกระแสในตัวนำ: F ~ I การพิจารณาการพึ่งพาของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กกับกระแสแม่เหล็กไฟฟ้า 10. วางภาระของมวลที่กำหนดบนจานชั่ง (เช่น m = 1 g) สำหรับค่าที่แตกต่างกันห้าค่าของกระแสแม่เหล็กไฟฟ้า I EM (เช่นจาก 0.2 ถึง 0.5 A) ให้เลือกกระแส I ในวงจรเฟรมที่ปรับสมดุลสเกล บันทึกผลลัพธ์ลงในตาราง 3. ตารางที่ 3 จำนวนการวัด m, g I EM, A I, A B, T 1 2 3 4 5 11. ใช้สูตร (5) คำนวณค่าการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก B ในการทดลองแต่ละครั้ง ค่าของ l และ N ระบุไว้ในการติดตั้ง พล็อตการพึ่งพา B กับกระแสแม่เหล็กไฟฟ้าโดยพล็อตค่าของ I EM ตามแนวแกน abscissa 12. สำหรับการทดลองรายการใดรายการหนึ่ง ให้ระบุข้อผิดพลาด Δ B คำนวณข้อผิดพลาดบางส่วนสัมพัทธ์โดยใช้สูตร Δl ΔI εl = ; ε ฉัน = ; ε ม. = 10 −3 ฉันบันทึกช่วงความเชื่อมั่นที่เกิดขึ้นในรายงาน โดยสรุป ให้อภิปราย: – การทดสอบกฎของแอมแปร์แสดงให้เห็นอะไร ไม่ว่าจะสำเร็จหรือไม่ ข้อสรุปได้จัดทำขึ้นบนพื้นฐานใด – การเหนี่ยวนำแม่เหล็กของแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้นอยู่กับกระแสในขดลวดอย่างไร – การพึ่งพานี้จะถูกรักษาไว้หรือไม่โดยเพิ่มขึ้นใน I EM (คำนึงว่าสนามแม่เหล็กเกิดจากการทำให้เป็นแม่เหล็กของแกนเหล็ก) 16 คำถามตรวจสอบ 1. กฎของแอมแปร์คืออะไร? แรงของแอมแปร์มีทิศทางเป็นอย่างไร? มันขึ้นอยู่กับตำแหน่งของตัวนำในสนามแม่เหล็กอย่างไร? 2. สนามแม่เหล็กสม่ำเสมอถูกสร้างขึ้นในการทำงานอย่างไร? เวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กมีทิศทางเป็นอย่างไร? 3. เหตุใดจึงควรกระแสตรงไหลในเฟรมในงานนี้? การใช้กระแสสลับจะนำไปสู่อะไร? 4. เหตุใดจึงใช้เฟรมที่ประกอบด้วยการหมุนหลายสิบรอบในการทำงาน? 5. เหตุใดจึงจำเป็นต้องเลือกทิศทางของกระแสในเฟรมสำหรับการทำงานปกติของการติดตั้ง? การเปลี่ยนแปลงทิศทางของกระแสจะนำไปสู่อะไร? คุณจะเปลี่ยนทิศทางของกระแสในเฟรมได้อย่างไร? 6. การเปลี่ยนแปลงทิศทางของกระแสในขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้าจะนำไปสู่อะไร? 7. ความสมดุลของตาชั่งบรรลุภายใต้เงื่อนไขใดในการทำงาน? 8. งานนี้มีข้อพิสูจน์ข้อพิสูจน์ของกฎของแอมแปร์อะไรบ้าง? บรรณานุกรม 1. Trofimova T.I. หลักสูตรฟิสิกส์ 2000. §§ 109, 111, 112. 17 งานห้องปฏิบัติการหมายเลข 5.3 (27) การกำหนดประจุเฉพาะของอิเล็กตรอนโดยใช้ CHODE RAY TUBE วัตถุประสงค์ของงาน: เพื่อศึกษารูปแบบการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุในไฟฟ้าและแม่เหล็ก สาขา; การกำหนดความเร็วและประจุเฉพาะของอิเล็กตรอน แรงลอเรนซ์ขั้นต่ำตามทฤษฎี ประจุ q เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว v ในสนามแม่เหล็กไฟฟ้าจะกระทำโดยแรงลอเรนซ์ F l = qE + q v B , (1) โดยที่ E คือความแรงของสนามไฟฟ้า; B - การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก แรงลอเรนซ์สามารถแสดงเป็นผลรวมของส่วนประกอบทางไฟฟ้าและแม่เหล็ก: F l = Fe + F m ส่วนประกอบทางไฟฟ้าของแรงลอเรนซ์ F e = qE (2) ไม่ได้ขึ้นอยู่กับความเร็วของประจุ ทิศทางของส่วนประกอบทางไฟฟ้าถูกกำหนดโดยเครื่องหมายของประจุ: สำหรับ q > 0 เวกเตอร์ E และ Fe จะถูกกำกับในลักษณะเดียวกัน ที่คิว< 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) เวกเตอร์สามเท่าด้านขวาถูกสร้างขึ้นโดยเวกเตอร์ v, B และ Fm (รูปที่ 1) สำหรับประจุลบ (q< 0) – векторы v , B и − F м. Направление магнитной составляющей силы Лоренца можно определить и с помощью правила левой руки. Правило левой руки: расположите ладонь левой руки так, чтобы в нее входил вектор B , а четыре пальца направьте вдоль вектора v , тогда отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Fм, действующей на положительный заряд. В случае отрицательного заряда направление вектора Fм противоположно. В любом случае вектор Fм перпендикулярен плоскости, в которой лежат векторы v и B . Движение заряженных частиц в магнитном поле Если частица движется вдоль линии магнитной индукции (α = 0 или α = π), то sin α = 0 . Тогда согласно выражению (4) F м = 0 . В этом случае магнитное поле не влияет на движение заряженной частицы (рис. 2). Если заряженная частица движется перпендикулярно линиям магнитной индукции (α = π 2) , то sin α = 1 . Тогда согласно (4) Fм = qvB . Так как вектор этой силы всегда перпендикулярен вектору скорости v частицы, то сила Fм создает только нормальное (центростремительное) ускорение v2 an = , при этом скорость заряженной частицы изменяется только по наr правлению, не изменяясь по модулю. Частица в этом случае равномерно движется по дуге окружности, плоскость которой перпендикулярна линиям индукции (рис. 3). Если вектор скорости v заряженной частицы составляет с вектором B угол α , то магнитная составляющая силы Лоренца будет определяться согласно (3), а модуль согласно выражению (4). В этом случае частица участвует одновременно в двух движениях: поступательном с постоянной скоростью v || и равномерном вращении по окружности со скоростью v ⊥ . В результате траектория заряженной частицы имеет форму винтовой линии (рис. 4). 19 Удельный заряд частицы Удельный заряд частицы – это отношение заряда q частицы к ее массе q m. Величина – важная характеристика заряженной частицы. Для электрона m q e Кл = = 1,78 ⋅ 1011 . m me кг МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА В работе изучается движение электронов в однородных электрическом и магнитном полях. Источником электронов является электронная пушка 1 электроннолучевой трубки осциллографа (рис. 5). Электрическое поле создается между парой вертикально отклоняющих пластин 2 электроннолучевой трубки при подаче на них напряжения U. (Горизонтально отклоняющие пластины 3 в работе не используются.) Напряженность E электрического поля направлена вертикально. Магнитное поле создается двумя катушками 4, симметрично расположенными вне электроннолучевой трубки, при пропускании по ним электрического тока. Вектор магнитной индукции B направлен горизонтально и перпендикулярно оси трубки. В отсутствии электрического и магнитного полей электроны движутся вдоль оси трубки с начальной скоростью v o , при этом светящееся пятно на- 20 ходится в центре экрана. При подаче напряжения U на пластины 2 между ними создается электрическое поле, напряженность которого E перпендикулярно вектору начальной скорости электронов. В результате пятно смещается. Величину y этого смещения можно измерить, воспользовавшись шкалой на экране осциллографа. Однако в электрическом поле на электрон действует согласно (2) электрическая составляющая силы Лоренца FЭ = eE , (5) где е – заряд электрона. Заряд электрона отрицательный (е < 0), поэтому сила FЭ направлена противоположно полю. Эта сила сообщает электрону ускорение a y в направлении оси Y, не влияя на величину скорости электрона вдоль оси X: v x = v 0 . Из основного закона динамики поступательного движения eE FЭ = ma y и (5) a y = , где m – масса электрона. В результате, пролетая m l область электрического поля за время t = 1 , где l1 – длина пластин, электрон vo смещается по оси Y на расстояние a y t 2 eE l12 y1 = = . 2 2mvo2 После вылета из поля электрон летит прямолинейно под некоторым v y a y t eE l1 = = . углом α к оси Х, причем согласно рисунку tgα = v x v o mvo2 21 Окончательно смещение пятна от центра экрана (рис. 2) в электрическом поле равно y = y1 + y 2 , где eE l 1 ⎛ l 1 ⎞ ⎜⎜ + l 2 ⎟⎟ . (6) y = y1 + l 2tgα = mvo2 ⎝ 2 ⎠ Если по катушкам 4 (рис. 5) пропустить электрический ток, то на пути электронов возникнет магнитное поле. Изменяя силу тока I в катушках, можно подобрать такую величину и направление магнитной индукции B , что магнитная составляющая силы Лоренца FМ скомпенсирует электрическую составляющую FЭ. В этом случае пятно снова окажется в центре экрана. Это будет при условии равенства нулю силы Лоренца eE + e v o B = 0 или E + v o B = 0 . Как видно из рис. 7, это условие выполняется, если вектор магнитной индукции B перпендикулярен векторам E и v o , что реализовано в установке. Из этого условия можно определить скорость электронов E (7) vo = . B Поскольку практически измеряется напряжение U, приложенное к пластинам, и расстояние d между ними, то пренебрегая краевыми эффектами можно считать, что E = [ U d ] , тогда U . (8) Bd Измеряя смещение у электронного пучка, вызванное электрическим полем Е, а затем подбирая такое магнитное поле В, чтобы смещение стало равным нулю, можно из уравнений (6) и (8) определить удельный заряд электрона yU e . (9) = m ⎛ l1 ⎞ 2 B dl 1 ⎜ + l 2 ⎟ ⎝2 ⎠ Схема установки показана на рис. 8. Электроннолучевая трубка расположена в корпусе осциллографа 1, на передней панели которого находится экран трубки 2 и две пары клемм. Клеммы ПЛАСТИНЫ соединены с вертикально отклоняющими пластинами трубки. Клеммы КАТУШКИ соединены с катушками 4 электромагнита, создающего магнитное поле. (Расположение катушек видно через прозрачную боковую стенку осциллографа.) Выпрямитель 5 и блок 6 служат для создания, регулировки и измерения постоянного напряжения на управляющих пластинах трубки и постоянного тока через катушки электромагнита. Переключатель K1 позволяет изменить полярность vo = 22 напряжения на пластинах, а переключатель K 2 – направление тока через катушки электромагнита. Параметры установки: d = 7,0 мм; l1 = 25,0 мм; l 2 = 250 мм. Приборы и принадлежности: осциллограф с электроннолучевой трубкой; выпрямитель; блок коммутации с электроизмерительными приборами. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1. Заполните табл. 1 характеристик электроизмерительных приборов. Таблица 1 Наименование прибора Вольтметр Миллиамперметр Система прибора Предел измерения Цена Класс Приборная деления точности погрешность ΔU пр ΔI пр 2. Тумблером 3 (рис. 8) включите осциллограф. Ручками ЯРКОСТЬ и ФОКУС, расположенными на верхней панели осциллографа, добейтесь четкости пятна на экране. Ручкой ↔ установите пятно в центр экрана. 3. Тумблером К включите выпрямитель. Ручками П 1 и П 2 установите нулевые показания вольтметра и миллиамперметра. 4. Условия проведения эксперимента (значения напряжения U на пластинах) задаются преподавателем или вариант индивидуального занятия. 23 5. Ручкой П 1 установите нужное напряжение на пластинах и измерьте смещение у луча от центра экрана. Результат измерения в зависимости от направления смещения («вверх» или «вниз») запишите в табл.2. Таблица 2 U, В y y вверх, вниз, мм мм у, мм I1, А I2, А I , А В, Тл vo , м/с e/m, Кл/кг 6. С помощью ручки П 2 и переключателя K 2 подберите такой ток I1 в катушках, чтобы пятно вернулось в центр экрана. Значение силы тока запишите в табл. 2. 7. Измерения, указанные в пункте 5 и 6, проведите при двух других значениях напряжения U . 8. Тумблером K 1 измените полярность напряжения на пластинах и повторите измерения, указанные в пунктах 5, 6 и 7. 9. По приложенному к установке градуировочному графику электромагнита и по среднему значению силы тока I в каждом испытании определите значения магнитной индукции В и занесите их в табл. 2. 10. По формуле (8) рассчитайте скорость электронов в каждом опыте и среднее значение v o по всем испытаниям. 11. Используя формулу eU a = m vo 2 2 , рассчитайте анодное напряжение в электронной пушке. 12. По формуле (9) рассчитайте значение удельного заряда электрона в e по всем испытаниям. каждом опыте и среднее значение m 13. По результатам одного из опытов рассчитайте абсолютную погрешность удельного заряда электрона Δ me = ε e me . Здесь ε = ε y2 + εU2 + ε B2 + ε d2 + ε l21 + ε l22 . Относительные частные погрешности рассчитайте по формулам Δy ΔU 2ΔB Δd Δ l (l +l) Δl εy = ; εU = ; εB = ; εd = ; ε l1 = 1l 1 2 ; ε l 2 = l 2 . ⎞ ⎛ 1 +l y U B d l1 ⎜ 1 +l 2 ⎟ 2 ⎝2 ⎠ 2 В качестве Δу используйте приборную погрешность шкалы на экране осциллографа, в качестве ΔU – приборную погрешность вольтметра. Погрешность ΔВ определяется по градуировочному графику по величине ΔI пр. Запишите в отчет полученный доверительный интервал величины e m . 24 15. В выводах – укажите, что наблюдалось в работе; e ; согласие считается хоро– сравнить полученное и табличное значения m шим, если табличное значение попадает в найденный доверительный интервал; – указать, измерение какой величины внесло основной вклад в погрешe . ность величины m КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Сила Лоренца. Направление ее составляющих. 2. Зависит ли от знака заряда сила, действующая на него со стороны: а) электрического поля; б) магнитного поля? 3. Зависит ли от скорости и направления движения заряда сила, действующая на него: а) в электрическом поле; б) в магнитном поле? 4. Как движется электрон: а) в поле между пластинами; б) слева от пластин; в) справа от пластин? 5. Отличается ли скорость электрона до и после пластин? 6. Как изменится смещение пятна на экране, если а) скорость электронов увеличить вдвое; б) анодное напряжение увеличить вдвое? 7. Изменяется ли при движении заряда в однородном магнитном поле: а) направление скорости; б) величина скорости? 8. Каким должно быть взаимное расположение однородных электрического и магнитного полей, чтобы электрон мог двигаться в них с постоянной скоростью? При каком условии возможно такое движение? 9. Какую роль в электронной пушке играют катод, модулятор, аноды? 10. Какую роль в электроннолучевой трубке играют: а) электронная пушка; б) отклоняющие пластины; в) экран? 11. Как в установке создаются однородные поля: а) электрическое; б) магнитное? 12. Как изменяется смешение пятна на экране при изменении направления тока в катушках? Библиографический список 1. Трофимова Т.И. Курс физики. 2000. §§ 114, 115. 25 Лабораторная работа № 4 (28) ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА С ПОМОЩЬЮ ИНДИКАТОРНОЙ ЛАМПЫ Цель работы: изучение закономерностей движения заряженных частиц в электрическом и магнитном полях; определение удельного заряда электрона. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МИНИМУМ Магнитная индукция (смотрите с. 4) Сила Лоренца (смотрите с. 17) Движение заряженных частиц в магнитном поле (смотрите с. 18) Удельный заряд электрона (смотрите с. 19) МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА В работе удельный заряд me электрона определяется путем наблюдения движения электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях. Электрическое поле создается в пространстве между анодом и катодом вакуумной электронной лампы. Катод К расположен по оси цилиндрического анода А (рис.1), между ними приложено анодное напряжение U a . На рис. 2 показано сечение лампы плоскостью XOY . Как видим, напряженность электричеr ского поля E имеет радиальное направление. Лампа расположена в центре соленоида (катушки), создающего однородное магнитное поле, вектор индукции r B которого параллелен оси лампы. На электроны, выходящие из катода благодаря термоэлектронной эмиссии, со стороны электрического поля действует электрическая составляющая r r силы Лоренца FЭ = eE , которая ускоряет электроны к аноду. Со стороны магr r r нитного поля действует магнитная составляющая силы Лоренца FM = e , r которая направлена перпендикулярно скорости v электрона (рис. 2), поэтому его траектория искривляется. 26 На рис. 3 показаны траектории электронов в лампе при различных значениях индукции В магнитного поля. В отсутствии магнитного поля (В = 0) траектория электрона прямолинейна и направлена вдоль радиуса. При слабом поле траектория несколько искривляется. При некотором значении индукции B = B 0 траектория искривляется настолько, что касается анода. При достаточно сильном поле (B > B 0) อิเล็กตรอนไปไม่ถึงขั้วบวกเลยและกลับสู่ขั้วลบ ในกรณีของ B = B 0 เราสามารถสรุปได้ว่าอิเล็กตรอนเคลื่อนที่เป็นวงกลมโดยมีรัศมี r = ra / 2 โดยที่ ra คือรัศมีของขั้วบวก แรง FM = evB สร้างความเร่งปกติ (สู่ศูนย์กลาง) ดังนั้นตามกฎพื้นฐานของพลศาสตร์การเคลื่อนที่เชิงแปล mv 2 (1) = evB r ความเร็วการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนหาได้จากเงื่อนไขที่ว่าพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนเท่ากับการทำงานของแรงสนามไฟฟ้าบนเส้นทางของอิเล็กตรอนจากแคโทดถึงขั้วบวก mv 2 = eU a โดยที่ 2 โวลต์ = 2eU ก. m (2) 27 แทนที่ค่านี้ด้วยความเร็ว v ลงในสมการ (1) และเมื่อพิจารณาว่า r = ra / 2 เราจะได้นิพจน์สำหรับประจุเฉพาะของอิเล็กตรอน 8U e = 2 a2 m B o ra สูตร (3) ช่วยให้คุณคำนวณค่า (3) em หากค่าที่กำหนดของแรงดันแอโนด U a คุณพบค่าของการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก Bo ซึ่งวิถีโคจรของอิเล็กตรอนสัมผัสกับพื้นผิวแอโนด ไฟแสดงสถานะใช้สังเกตวิถีโคจรของอิเล็กตรอน (รูปที่ 4) แคโทด K ตั้งอยู่ตามแนวแกนของแอโนดทรงกระบอก A แคโทดถูกให้ความร้อนด้วยไส้หลอด ระหว่างแคโทดและแอโนดจะมีหน้าจอ E ซึ่งมีรูปร่างเป็นพื้นผิวทรงกรวย หน้าจอถูกปกคลุมไปด้วยชั้นฟอสเฟอร์ ซึ่งจะเรืองแสงเมื่ออิเล็กตรอนโดนมัน ขนานกับแกนของหลอดไฟใกล้กับแคโทดจะมีลวดเส้นเล็ก - เสาอากาศ U เชื่อมต่อกับขั้วบวก อิเล็กตรอนที่ผ่านไปใกล้เสาอากาศจะถูกจับ ดังนั้นจึงเกิดเงาบนหน้าจอ (รูปที่ 5) ขอบเขตของเงาสอดคล้องกับวิถีโคจรของอิเล็กตรอนในหลอดไฟ วางหลอดไฟไว้ที่กึ่งกลางของโซลินอยด์ซึ่งสร้างสนามแม่เหล็ก โดยมีเวกเตอร์การเหนี่ยวนำ r ซึ่ง B กำกับไปตามแกนของหลอดไฟ โซลินอยด์ 1 และหลอดไฟ 2 ติดตั้งอยู่บนขาตั้ง (รูปที่ 6) ขั้วต่อที่อยู่บนแผงเชื่อมต่อกับขดลวดโซลินอยด์ กับไส้หลอดแคโทด กับแคโทดและขั้วบวกของหลอดไฟ โซลินอยด์ใช้พลังงานจากวงจรเรียงกระแส 3 แหล่งกำเนิดแรงดันแอโนดและแรงดันไส้หลอดแคโทดคือวงจรเรียงกระแส 4 ความแรงของกระแสในโซลินอยด์วัดโดยใช้แอมป์มิเตอร์ A แรงดันแอโนด U a วัดด้วยโวลต์มิเตอร์ V สวิตช์ P อนุญาต คุณสามารถเปลี่ยนทิศทางของกระแสในขดลวดโซลินอยด์ได้ 28 การเหนี่ยวนำแม่เหล็กที่ศูนย์กลางของโซลินอยด์และภายในไฟแสดง ถูกกำหนดโดยความสัมพันธ์ μo I N , (4) B= 2 2 4R + l โดยที่ μ0 = 1.26·10 – 6 H/m - ค่าคงที่แม่เหล็ก; ผม - ความแรงของกระแสในโซลินอยด์; N คือจำนวนรอบ R คือรัศมี l คือความยาวของโซลินอยด์ แทนที่ค่า B นี้เป็นนิพจน์ (3) เราจะได้สูตรสำหรับหาประจุเฉพาะของอิเล็กตรอน e 8U a (4R 2 + l 2) , = m μo2 I o2 N 2ra2 (5) โดยที่ I o คือกระแส ค่าในโซลินอยด์ที่วิถีโคจรของอิเล็กตรอนสัมผัสกับขอบด้านนอกของตะแกรง เมื่อพิจารณาว่า Ua และ I0 นั้นวัดได้จริงและค่า N, R, l, ra เป็นพารามิเตอร์ของการติดตั้งจากสูตร (5) เราได้รับสูตรการคำนวณเพื่อกำหนดประจุเฉพาะของอิเล็กตรอน U e (6 ) = A ⋅ 2a, m Io โดยที่ A คือค่าคงที่การติดตั้ง A= (8 4R 2 + l 2 μo2 N 2ra2) (7) 29 เครื่องมือและอุปกรณ์เสริม: ม้านั่งในห้องปฏิบัติการพร้อมไฟแสดงสถานะ โซลินอยด์ แอมมิเตอร์ และโวลต์มิเตอร์ วงจรเรียงกระแสสองตัว ลำดับการปฏิบัติงาน 1. กรอกตาราง 1 คุณลักษณะของแอมมิเตอร์และโวลต์มิเตอร์ ตารางที่ 1 ชื่อ ระบบเครื่องมือ โวลต์มิเตอร์ ขีดจำกัดการวัด ราคาส่วน ระดับความแม่นยำ ΔI pr แอมมิเตอร์ 2 3. 4. ข้อผิดพลาดของอุปกรณ์ ΔU pr ตรวจสอบการเชื่อมต่อสายไฟที่ถูกต้องตามรูป 6. เลื่อนปุ่มปรับวงจรเรียงกระแสไปที่ตำแหน่งซ้ายสุด จดบันทึกพารามิเตอร์ที่ระบุในการติดตั้งลงในรายงาน: จำนวนรอบ N, ความยาว l และรัศมี R ของโซลินอยด์ รัศมีขั้วบวก ra = 1.2 ซม. เขียนในตาราง 2 ผลลัพธ์ของการวัดค่า U ที่ระบุโดยครูหรือตัวเลือกการมอบหมายงานส่วนบุคคล ตารางที่ 2 การวัดหมายเลข Ua , V I o1 , A I o2 , A Io , A em , C/kg 1 2 3 5 6. เชื่อมต่อวงจรเรียงกระแสเข้ากับเครือข่าย ~220 V ไม่กี่นาทีต่อมา หลังจากอุ่นแคโทดของหลอดไฟแล้ว ให้ติดตั้งโดยใช้ปุ่มปรับวงจรเรียงกระแส 4 ค่าแรงดันไฟที่ต้องการ U a ในเวลาเดียวกัน หน้าจอหลอดไฟก็เริ่มเรืองแสง ค่อยๆ เพิ่มกระแส I ในโซลินอยด์โดยใช้ปุ่มปรับวงจรเรียงกระแส 3 และสังเกตความโค้งของวิถีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน เลือกและเขียนลงในตาราง 2 คือค่าปัจจุบัน I o1 ที่วิถีโคจรของอิเล็กตรอนสัมผัสกับขอบด้านนอกของตะแกรง 30 7. 8. 9. ลดกระแสในโซลินอยด์ให้เป็นศูนย์ เลื่อนสวิตช์ P ไปที่ตำแหน่งอื่น ซึ่งจะเป็นการกลับทิศทางของกระแสในโซลินอยด์ เลือกและบันทึกลงในตาราง 2 คือค่าปัจจุบัน I o 2 ที่วิถีโคจรของอิเล็กตรอนสัมผัสกับขอบด้านนอกของหน้าจออีกครั้ง ทำการวัดที่ระบุในย่อหน้าที่ 5-7 ด้วยค่าแรงดันแอโนด U a อีกสองค่า สำหรับแต่ละค่าของแรงดันแอโนด ให้คำนวณและบันทึกลงในตาราง 2 ค่าเฉลี่ยปัจจุบัน I o = (I o1 + I o 2) / 2 10. ใช้สูตร (7) คำนวณค่าคงที่การติดตั้ง A และเขียนผลลัพธ์ลงในรายงาน 11. ใช้ค่า A และค่าเฉลี่ยของ I o คำนวณโดยใช้สูตร (6) e สำหรับแต่ละค่าของ U a เขียนผลลัพธ์การคำนวณลงในตาราง 2. จ. 12. คำนวณและเขียนค่าเฉลี่ย t 13. จากผลการทดลองใด ๆ ให้คำนวณข้อผิดพลาดสัมบูรณ์ e e e Δ ในการกำหนดประจุเฉพาะของอิเล็กตรอนโดยใช้สูตร Δ = ⋅ε, m m m เฉพาะ ประจุโดยที่ 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 โดยที่ ΔU a คือข้อผิดพลาดของเครื่องมือของโวลต์มิเตอร์ เนื่องจากข้อผิดพลาดปัจจุบัน ΔI o ให้เลือกข้อผิดพลาดที่ใหญ่ที่สุดจากสองข้อผิดพลาด: สุ่มใน εU a = ข้อผิดพลาด ΔI 0sl = I o1 − I o 2 2 และข้อผิดพลาดของเครื่องมือของแอมป์มิเตอร์ ΔI pr (ดูตารางคุณลักษณะของอุปกรณ์) ข้อผิดพลาด Δra, Δl, ΔR ถูกกำหนดให้เป็นข้อผิดพลาดของปริมาณที่ระบุเป็นตัวเลข 14. ผลลัพธ์สุดท้ายของการพิจารณาประจุจำเพาะของอิเล็กตรอนจะถูกเขียนในรูปแบบของช่วงความเชื่อมั่น: = ±Δ mm m m 31 15. ในข้อสรุปของคุณเกี่ยวกับงาน ให้เขียน: - สิ่งที่ศึกษาในงาน; - รัศมีความโค้งของวิถีอิเล็กตรอนขึ้นอยู่กับขนาดของสนามแม่เหล็ก (ในเชิงคุณภาพ) อย่างไร - ทิศทางของกระแสในโซลินอยด์ส่งผลต่อวิถีโคจรของอิเล็กตรอนอย่างไรและทำไม - ได้รับผลลัพธ์อะไร; - ค่าตารางของประจุอิเล็กตรอนจำเพาะอยู่ภายในช่วงความเชื่อมั่นที่เกิดขึ้นหรือไม่ - ข้อผิดพลาดในการวัดใดที่มีส่วนทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการวัดประจุเฉพาะของอิเล็กตรอน ตรวจสอบคำถาม อะไรเป็นตัวกำหนดและทิศทางของสิ่งเหล่านี้: ก) ส่วนประกอบทางไฟฟ้าของแรงลอเรนซ์; b) องค์ประกอบแม่เหล็กของแรงลอเรนซ์? 2. มีการกำกับอย่างไรและมีการเปลี่ยนแปลงขนาดในไฟแสดงสถานะอย่างไร: ก) สนามไฟฟ้า; ข) สนามแม่เหล็ก? 3. ความเร็วของอิเล็กตรอนในหลอดไฟเปลี่ยนไปตามระยะห่างจากแคโทดอย่างไร? สนามแม่เหล็กส่งผลต่อความเร็วหรือไม่? 4. วิถีโคจรของอิเล็กตรอนในหลอดที่มีการเหนี่ยวนำแม่เหล็กคืออะไร: a) B = 0; ข) B = โบ; ค) บี< Bo ; г) B >โบ? 5. ความเร่งของอิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้ขั้วบวกเป็นเท่าใด และอิเล็กตรอนมีทิศทางที่การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก B = Bo อย่างไร 6. บทบาทต่อไปนี้มีบทบาทอย่างไรในไฟแสดงสถานะ: ก) หน้าจอ; b) ลวดเลื้อย? 7. ทำไมความสว่างของหน้าจอหลอดไฟจึงเพิ่มขึ้นเมื่อแรงดันแอโนด Ua เพิ่มขึ้น? 8. สิ่งต่อไปนี้สร้างขึ้นในหลอดไฟได้อย่างไร: ก) สนามไฟฟ้า; ข) สนามแม่เหล็ก? 9. โซลินอยด์มีบทบาทอย่างไรในงานนี้? ทำไมโซลินอยด์จึงต้องมีจำนวนรอบค่อนข้างมาก (หลายร้อยรอบ)? 10. ทำงาน: ก) ไฟฟ้า; b) องค์ประกอบแม่เหล็กของแรงลอเรนซ์? 1. บรรณานุกรม 1. Trofimova T.I. หลักสูตรฟิสิกส์ 2000 § 114, 115 32 งานห้องปฏิบัติการหมายเลข 5.5 (29) การศึกษาคุณสมบัติทางแม่เหล็กของเฟอร์โรแม็กเน็ต วัตถุประสงค์ของงาน: การศึกษาคุณสมบัติทางแม่เหล็กของสสาร การกำหนดวงแม่เหล็กฮิสเทรีซีสของเฟอร์โรแมกเนติก ขั้นต่ำตามทฤษฎี คุณสมบัติแม่เหล็กของสาร เมื่อนำเข้าไปในสนามแม่เหล็ก สารทั้งหมดจะมีคุณสมบัติทางแม่เหล็กในระดับหนึ่งหรืออย่างอื่น และตามคุณสมบัติเหล่านี้ จะแบ่งออกเป็นไดอะแมกเนติก พาราแมกเนติก และเฟอร์โรแมกเนติก คุณสมบัติทางแม่เหล็กของสสารถูกกำหนดโดยโมเมนต์แม่เหล็กของอะตอม สารใดๆ ที่วางอยู่ในสนามแม่เหล็กภายนอกจะสร้างสนามแม่เหล็กของตัวเองขึ้นมา ซึ่งจะถูกทับทับบนสนามแม่เหล็กภายนอก ลักษณะเชิงปริมาณของสถานะของสสารคือการทำให้เป็นแม่เหล็ก J ซึ่งเท่ากับผลรวมของโมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมต่อหน่วยปริมาตรของสาร การดึงดูดแม่เหล็กเป็นสัดส่วนกับความแรง H ของสนามแม่เหล็กภายนอก J = χH (1) โดยที่ χ คือปริมาณไร้มิติที่เรียกว่าความไวต่อแม่เหล็ก คุณสมบัติทางแม่เหล็กของสาร นอกเหนือจากค่า χ แล้ว ยังมีคุณสมบัติพิเศษคือการซึมผ่านของแม่เหล็ก μ = χ +1 (2) ความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็ก μ รวมอยู่ในความสัมพันธ์ที่เชื่อมโยงความเข้ม H กับการเหนี่ยวนำ B ของสนามแม่เหล็กในสาร B = μo μ H, (3) โดยที่ μo = 1.26 ⋅10 −6 H/m คือแม่เหล็ก คงที่. โมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมไดอะแมกเนติกในกรณีที่ไม่มีสนามแม่เหล็กภายนอกคือศูนย์ ในสนามแม่เหล็กภายนอก โมเมนต์แม่เหล็กเหนี่ยวนำของอะตอมตามกฎของเลนซ์นั้นพุ่งตรงไปที่สนามแม่เหล็กภายนอก การดึงดูดด้วยแม่เหล็ก J ก็ถูกกำหนดทิศทางเช่นกัน ดังนั้นสำหรับวัสดุที่เป็นแม่เหล็ก 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