Главной частью установки является соленоид, состоящий из 4 секций, каждую из которых можно подключать отдельно или в любом сочетании с помощью контактов 1÷5 на панели переключения к источнику переменного напряжения (трансформатору) через ограничительное сопротивление (реостат) R (рис.12.7). Число витков секций равно состветственно: N 1=93, N 2=39, N 3=87, N 4=30. Внешний диаметр соленоида D =82 мм. Измерительная катушка имеет диаметр dкат .=66 мм и имеет две обмотки из Nкат. =20 и Nкат =60 витков соответственно. Переключением контактов A, Б, В, Г на панели переключений обмотки можно включать последовательно, так, что магнитные потоки, создаваемые в них, либо складываются (Nкат =80), либо вычитаются (Nкат =40). Амперметр служит для измерения силы тока в обмотке соленоида. ЭДС индукции, возникающую в измерительной катушке, показывает цифровой милливольтметр.
Порядок выполнения работы
Задание 1. Проверка принципа суперпозиции.
1. Установить на блоке питания напряжение 24 В. Включить установку в сеть.
2. Установить линейку в положение «33 см» (линейка полностью введена в соленоид).
3. Включить все 4 секции соленоида. Для этого на панели переключения вставить штекеры в гнёзда «1» и «5».
4. На измерительной катушке подключить Nкат =60 витков. Для этого вставить штекеры в гнёзда «В» и «Г».
5. Записать показания милливольтметра в табл. 12.1.
6. Сдвигая линейку с измерительной катушкой по оси соленоида через 1 см, каждый раз записывать показания милливольтметра.
7. Включить первую секцию соленоида, для этого штекеры на панели переключений вставить в гнёзда «1» и «2».
 |
8. Передвигая линейку в через 1 см, записывать показания милливильтметра в табл.12.1.
9. Повторить измерения по пункту 8 для секций 2, 3 и 4. Соответствующие положения штекеров в гнёздах указаны в табл.12.1.
10. Рассчитать сумму 
, занести результаты в табл.12.1.
11. Построить графики зависимости U = f (x), U i= f (x) (для i =1÷4) и = f (x) в одних и тех же осях. Проверить по графикам, что величины U = f (x) и Uтеор. = f (x) совпадают. Сделать вывод.
Таблица 12.1
| x, см | U, мВ | U 1, мВ | U 2, мВ | U 3, мВ | U 4, мВ |  , мВ
|
| Подключены секции | Все | - | ||||
| Положение штекеров в гнёздах | 1, 5 | 1, 2 | 2, 3 | 3, 4 | 4, 5 | - |
| – | – | |||||
| – | – | |||||
| – | – | |||||
| – | ||||||
| – | ||||||
| – | ||||||
| – | ||||||
| – | ||||||
| – | ||||||
| – | ||||||
| – | ||||||
| – | ||||||
| – | ||||||
| – | ||||||
| – | ||||||
| – | ||||||
| – | ||||||
| – | ||||||
| – | ||||||
| – |
Задание 2. Измерение зависимости напряжения на измерительной катушке от числа витков на ней.
1. Подключить у соленоида одну из секций по заданию преподавателя, номер секции (i) и число витков N i записать в таблицу 12.2.
2. По графику зависимости U i= f (x) для данной секции соленоида найти координату x C её середины (точка x, где U максимально), записать в табл.12.2.
3. Используя результаты пункта 2 и передвинув линейку до нужного деления, установить измерительную катушку в середине данной секции соленоида.
Таблица 12.3
| i | N i | x C, м | l, м | I, А |
Таблица 12.3
| Положение штекеров в гнёздах | Nкат | U, мВ | 
мТл
| 
мТл
| 
мТл
| 
мТл
|
| А, Б (перемычки нет) | ||||||
| А, Г (В и Г соединить перемычкой) | ||||||
| В, Г (перемычки нет) | ||||||
| Б, Г (А и В соединить перемычкой) |
4. Измерить длину l данной секции, записать в таблицу 12.2.
5. Подключить на измерительной катушке Nкат. =20 витков, для чего штекеры установить в гнёзда «А» и «Б».
6. Записать в табл.12.2 силу тока в обмотке соленоида.
7. Записать в таблицу 12.3 показания милливольтметра.
8. Повторить измерения при 40, 60 и 80 витках. Соответствующие положения штекеров в гнёздах указаны в табл.12.3.
9. Для каждого измерения найти индукцию магнитного поля в середине секции по формуле (12.27):
(12.27)
и рассчитать её среднее значение и погрешность; все величины записать в таблицу 12.3.
10. Рассчитать теоретическое значение индукции в середине секции по формуле (12.16а):
. (12.16а)
11. Записать полученные результаты в табл.12.3.
Задание 3. Измерение и расчёт индукции магнитного поля короткой катушки.
1. Установить измерительную катушку на левом торце выбранной секции, для этого рассчитать положение х линейки по формуле: 
.
2. Записать показания вольтметра в табл.12.4.
3. Записать силу тока и число подключенных витков измерительной катушки в табл.12.4.
4. Повторить измерения по пунктам 1 и 2 для правого торца той же секции: 
. Значения Uлев. и Uпр. должны быть близки. Рассчитайте их среднее арифметическое Uср. и, используя это значение, по формуле (12.27) рассчитайте экспериментальное значение амплитуды индукции 
. магнитного поля на торце короткой катушки, запишите полученное значение в таблицу 12.4.
Таблица 12.4
| I, А | Nкат. | N i | x, м | U, мВ | Uср., мВ |  ,
мТл
|  ,
мТл
|
| Uлев = . | ||||||
| Uпр. = |
5. В формулу (12.15) вместо I следует подставить амплитудное значение тока 
, тогда получим амплитудное значение магнитной индукции:
. (12.15а)
Рассчитать теоретическое значение индукции на торце короткой катушки по формуле (12.15а), записать в таблицу 12.4, сравнить с экспериментальным.
6. Передвинуть линейку в крайнее левое положение, отключить установку от сети.
7. Сделать выводы.
Контрольные вопросы
1. Сформулируйте закон Био-Савара-Лапласа.
2. Сформулируйте принцип суперпозиции.
3. Пользуясь законом Био-Савара-Лапласа, дайте вывод формулы для индукции магнитного поля на оси кругового витка с током.
4. Пользуясь законом Био-Савара-Лапласа, получите формулу для индукции магнитного поля на оси соленоида конечной длины. Выведите из нее формулу для магнитного поля бесконечного соленоида.
5. Дайте определение потока магнитной индукции.
6. Сформулируйте закон электромагнитной индукции Фарадея и правило Ленца.
Используемая литература
[1] §§ 22.1, 22.2, 22.6, 25.1;
[2] §§ 15.2, 15.4, 15.5, 15.7, 17.1, 17.2;
[3] §§ 2.37, 2.38, 2.40, 2.54, 2.55;
[4] т. 2, §§ 42, 47, 48, 50, 60;
[5] §§ 110,119, 120, 122, 123.
Лабораторная работа 2-13
