Исследование магнитного поля соленоида

 

Рис 1.1. Блок-схема установки для изучения поля соленоида

Для проведения эксперимента используется установка, состоящая из модуля ФПЭ-04м и источника питания ИП. Блок-схема установки показана на рис.1.1.

Модуль ФПЭ-04М предназначен для выполнения учебных работ по магнетизму и позволяет проводить измерение индукции магнитного поля на оси длинного соленоида с помощью датчика Холла и определять энергию магнитного поля катушки с током методом экстратока размыкания.

Модуль размещен в типовом корпусе из пластмассы и содержит:

- соленоид L, представляющий собой катушку медного провода, намотанного на немагнитный трубчатый каркас, внутри которого локализуется магнитное поле;

- тумблер S1 для размыкания цепи питания соленоида;

- диодно-конденсаторную ячейку VD для перевода энергии магнитного поля катушки в энергию электрического поля;

- разъемы для подключения источника питания соленоида (XP1) и датчика Холла (XP2);

- кнопка S2 для обнуления заряда конденсатора;

- гнезда Х1 и Х2 для подключения прибора, измеряющего ЭДС Холла (милливольтметра);

- гнезда Х3 и Х4 для подключения вольтметра, измеряющего напряжение заряженного конденсатора С.

Датчик Холла V1 по конструкции похож на обычный транзистор и размещен на конце штока, который может перемещать этот датчик вдоль оси соленоида, причем координата датчика отсчитывается по шкале, нанесенной на шток.

Рис 1.2. Схема блока ФПЭ-04м для создания и исследования магнитного поля соленоида

Схема модернизированного блока приведена на рисунке 1.2.

 

Блок ФПЭ-4М позволяет реализовать следующие режимы работы:

- измерение магнитной индукции на оси соленоида. Ток через соленоид создается источником (5….25 B), встроенным в блок ИП. ЭДС Холла измеряется мультиметром на шкале 0….200 мВ;

- переходный процесс размыкания цепи тока индуктивности (тумблер S1). ЭДС самоиндукции вызывает заряд конденсатора С, т.е. переход энергии магнитного поля в энергию поля электрического;

- сброс напряжения на конденсаторе перед очередным измерением (кнопка S2).

Питание схемы производится от типового источника типа ИП посредством многожильного кабеля через разъемы на задних стенках обоих модулей. Вольтметр или осциллограф подключаются кабелем через гнезда на задней стенке модуля ФПЭ-04м при измерении энергии магнитного поля и через гнезда на передней панели при измерении магнитной индукции.

Экспериментальная часть работы основана на приведенных в теоретическом разделе соотношениях физических величин, входящих во взаимодействие в процессе опыта, поэтому исполнителю важно овладеть базовыми определениями таких понятий, как магнитное и электрическое поле, свойства накопителей энергии (индуктивность, емкость), электрическая и магнитная индукция.

Возможны разные вариации экспериментов, но рекомендуется следующий порядок работ.

Общий вид установки

1. Измерение энергии магнитного поля катушки с током. Идея опыта вытекает из закона сохранения энергии. При размыкании цепи питания катушки на ее концах возникает ЭДС самоиндукции. Путь для зарядов открыт по цепи: катушка L, диод VD1 и конденсатор С. После достижения напряжением на конденсаторе максимального значения оно остается неизменным, если измерительный прибор, например осциллограф, не отбирает заряд. При использовании мультиметра отсчет напряжения следует производить как можно быстрее.

Рабочая формула:

,

где – ток через катушку, – напряжение на конденсаторе, и – потери энергии на активном сопротивлении.

Оценка вклада активного сопротивления не входит в задачу данной работы. Предполагается лишь, что эта величина незначительна. Успешным студентам предлагается по величине заряда конденсатора и времени спадания тока в несколько миллисекунд оценить потери энергии на нагрев проводов.

Измерения следует провести при разных токах через катушку, после чего построить график зависимости энергии магнитного поля от тока.

2. Расчет индуктивности по данным эксперимента. Предыдущий эксперимент можно использовать для измерения индуктивности катушки. В этом случае рабочая формула приобретает вид

Проведя измерения при разных токах необходимо построить график зависимости индуктивности от тока и объяснить результаты.

3. Теоретический расчет индуктивности по геометрическим размерам и моточным данным катушки. Требуется найти в учебной литературе подходящую формулу, сделать расчет и сравнить результат с экспериментом.

4. Измерение распределения магнитной индукции вдоль оси катушки. Измерение производят с помощью датчика Холла, перемещая шток с датчиком вдоль оси и записывая зависимость ЭДС Холла от координаты при разных значениях тока через катушку, который служит в качестве параметра.

5. Теоретический расчет значения магнитной индукции на оси катушки с использованием известных формул из учебной литературы. Цель расчета – оценка применимости этих формул при проектировании катушек ин-дуктивности.

Результаты работы следует оформить в виде протокола лабораторной работы, в котором привести итоги опытов в виде таблиц и графиков с собственными выводами.

 

 

Работа № 2