4.3. Лабораторное оборудование
Работа выполняется на универсальном лабораторном стенде. В ходе работы исследуется два типа магнитных полей, созданных миниблоками «Цилиндрическая катушка» и «Кольцевые катушки».
Миниблок «Цилиндрическая катушка» служит для исследования магнитного поля на её оси с помощью миниблока «Тесламетр». На этикетке указаны число витков, средний диаметр и длина катушки.
Миниблок «Кольцевые катушки» предназначен для исследования магнитного поля на оси катушек и явления взаимной индукции. Одна из двух одинаковых катушек неподвижна, другая может перемещаться вдоль оси с помощью специального поводка. Минимальное расстояние между центрами катушек 5 мм. На этикетке имеется шкала, по которой можно определить текущее расстояние между катушками, указаны одноимённые зажимы, числа витков и средний диаметр катушек, а также показано расположение выводов.
Для измерения магнитной индукции на оси катушек используется миниблок «Тесламетр». Он имеет зонд с датчиком Холла на конце, который можно вводить внутрь катушек. Вдоль оси зонда нанесена шкала с шагом 5 мм. Она позволяет определять расстояние, на которое перемещается датчик внутри катушки. Датчик расположен перпендикулярно оси зонда, т.е. он измеряет аксиальную составляющую магнитной индукции. ЭДС Холла поступает в миниблок на вход усилителя напряжения, а к выходу усилителя подключается вольтметр. На этикетке указано также максимально возможное значение измеряемой индукции, равное 0,13 Тл. Для компенсации несимметрии датчика Холла и дрейфа «нуля» усилителя на миниблоке имеется ручка управления «Установка нуля». Для подготовки тесламетра к работе необходимо установить его в наборное поле, подключить к нему питание ±15 В, а к выходу - мультиметр для измерения напряжения; включить блок генераторов напряжений и, поворачивая ручку «Установка нуля», добиться как можно меньшего значения напряжения на выходе (обычно это меньше 20 мВ). Чувствительность тесламетра отрегулирована изготовителем и составляет 0,1 В/мТл. Контроль установки «нуля» и её корректировку необходимо проводить время от времени в течение всего опыта.
4.4. Рабочее задание
4.4.1 Исследование магнитного поля на оси цилиндрической катушки (соленоида).
Собрать установку для измерения магнитного поля на оси соленоида, как показано на рисунке 4.14.
Рис. 4.14. Установка для измерения магнитного поля на оси соленоида
Установить миниблок «Цилиндрическая катушка» на наборную панель и подвести к ней питание от регулируемого источника постоянного напряжения 0...15 В блока генераторов напряжений через амперметр.
Установить на наборную панель миниблок «Тесламетр» и подключить к нему питание, соединив два нерегулируемых источника постоянного напряжения 15 В последовательно.
Подключить вольтметр к выходу миниблока «Тесламетр» и средней точке двух последовательно соединенных нерегулируемых источников постоянного напряжения 15 В.
Произвести корректировку установки нуля миниблока «Тесламетр»
Выключить источник регулируемого постоянного напряжения 0...15 В блока генератора напряжений.
Переключить вольтметр на предел «200 mV-».
Включить блок генераторов напряжения, при нулевом токе в катушке установить показание вольтметра на выходе тесламетра меньше 20 мВ, используя для регулировки ручку установки нуля на миниблоке «Тесламетр».
Произвести ряд измерений магнитной индукции на оси цилиндрической катушки (соленоида).
Включить источник регулируемого постоянного напряжения 0…15 В блока генератора напряжений и установить значение тока заданного преподавателем из диапазона 100-200 mА.
Принять координату z=0 в точке находящейся на оси соленоида и удаленной от его края на половину длины (рис. 4.15).
Рис. 4.15. Расположение точки с координатой z=0 в цилиндрической катушке
Перемещая зонд с датчиком Холла из точки с координатой z=0 вдоль оси z с шагом 5 мм, записывать координаты и соответствующие им значения показания вольтметра Uвых в табл. 4.1. Значение магнитной индукции ВЭ [мТл] принять равным 10 Uвых [В].
По полученным данным построить график изменения магнитной индукции вдоль оси симметрии ВЭ=f(z). Предварительно выбрать удобные масштабы и нанести шкалы по осям.
Вычислить значения магнитной индукции для всех точек по формуле (4.8).
Все вычисления свести в таблицу 4.1.
Построить график изменения рассчитанного значения магнитной индукции вдоль оси катушки Врасч=f(z) совместно с графиком В=f(z).
Таблица 4.1
z |
мм |
-30 |
-25 |
-20 |
-15 |
-10 |
-5 |
0 |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
Uвых |
В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
BЭ |
мТл |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Врасч |
мТл |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пример расчета магнитной индукции на оси цилиндрической катушки (соленоида) с помощью программы MathCAD:
Зададим известные исходные данные:
.
Произведем расчет магнитной индукции, по формуле 4.8, найдя косинусы углов по правилам геометрии:
.
(4.18)
4.4.2 Исследование магнитного поля на оси двух последовательно соединенных соосно расположенных кольцевых катушек.
Собрать установку для измерения магнитного поля на оси двух последовательно соединенных кольцевых катушек расположенных соосно, как показано на рисунке 4.16.
Установить миниблок «Кольцевые катушки» на наборную панель. Соединить катушки между собой согласно или встречно и установить поводком расстояние между катушками Z0 заданное преподавателем (от 0 до 35 мм). Подвести к миниблоку питание от регулируемого источника постоянного напряжения 0...15 В блока генераторов напряжений через амперметр.
Установить на наборную панель миниблок «Тесламетр» и подключить к нему питание, соединив два нерегулируемых источника постоянного напряжения 15 В последовательно.
Рис. 4.16. Установка для измерения магнитного поля на оси двух последовательно соединенных соосно расположенных кольцевых катушек
Подключить вольтметр к выходу миниблока «Тесламетр» и средней точке двух последовательно соединенных нерегулируемых источников постоянного напряжения 15 В.
Произвести корректировку установки нуля миниблока «Тесламетр»
Выключить источник регулируемого постоянного напряжения 0...15 В блока генератора напряжений.
Переключить вольтметр на предел «200 mV-».
Включить блок генераторов напряжения, при нулевом токе в катушке установить показание вольтметра на выходе тесламетра меньше 20 мВ, используя для регулировки ручку установки нуля на миниблоке «Тесламетр».
Произвести ряд измерений магнитной индукции на оси симметрии кольцевых катушек.
Включить источник регулируемого постоянного напряжения 0…15 В блока генератора напряжений и установить значение тока заданного преподавателем из диапазона 100-200 mА.
Принять координату z=0 в точке находящейся на оси симметрии, расположенной посередине между катушками (рис. 4.17).
Перемещая зонд с датчиком Холла из точки с координатой z=0, вдоль оси Z, с шагом 5 мм, записывать координаты и соответствующие им значения показания вольтметра Uвых в табл. 4.2. Значение магнитной индукции ВЭ [мТл]принять равным 10 Uвых [В].
Рис. 4.17. Расположение точки с координатой z=0 двух последовательно соединенных кольцевых катушек расположенных соосно
По полученным данным построить график изменения магнитной индукции вдоль оси симметрии ВЭ=f(z). Предварительно выбрать удобные масштабы и нанести шкалы по осям.
Вычислить значения магнитной индукции для всех точек подвижной и неподвижной кольцевой катушки B1 и B2 по формуле (4.6).
Вычислить значения магнитной индукции Bрасч как результирующую. При согласном включении она равна сумме B1 и B2, а при встречном включении – разности.
Все вычисления свести в таблицу 4.2.
Построить графики изменения рассчитанных значений магнитной индукции вдоль оси катушки В1=f(z), В2=f(z), Врасч.=f(z) совместно с графиком ВЭ=f(z) в одной системе координат.
Таблица 4.2
z |
мм |
-30 |
-25 |
-20 |
-15 |
-10 |
-5 |
0 |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
Uвых |
В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
BЭ |
мТл |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В1 |
мТл |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В2 |
мТл |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Врасч |
мТл |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пример расчета магнитной индукции на оси двух последовательно соединенных кольцевых катушек расположенных соосно с помощью программы MathCAD:
Зададим известные исходные данные:
.
Магнитная индукция на оси первой катушки:
. (4.19)
Магнитная индукция на оси второй катушки:
. (4.20)
Магнитная индукция от двух сносно расположенных катушек:
. (4.21)
4.4.3 Определения коэффициента взаимной индукции (взаимной индуктивности) двух соосно расположенных кольцевых катушек.
Собрать установку для определения взаимной индуктивности двух соосно расположенных кольцевых катушек, как показано на рисунке 4.18.
Рис. 4.18. Установка для определения взаимной индуктивности двух соосно расположенных кольцевых катушек
Установить на наборную панель миниблок «Кольцевые катушки». К неподвижной катушке W1 подвести питание от генератора напряжений специальной формы через амперметр. К выводам подвижной катушки подключить вольтметр.
Установить на генераторе синусоидальное напряжение частотой 2…3 кГц и задать регулятором амплитуды ток в катушке 150…200 мА (действующее значение).
Записать эти значения и определить круговую частоту:
I =……….А; |
f =…………….Гц; |
ω =…………1/с. |
Изменяя расстояние между катушками z от минимально возможного 5 мм до 25 мм с шагом 2,5 мм, записать в табл. 4.3 значения напряжения U2 взаимной индукции.
Таблица 4.3
z |
мм |
5,0 |
7,5 |
10,0 |
12,5 |
15,0 |
17,5 |
20,0 |
22,5 |
25,0 |
U2 |
В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
M |
мГн |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
По формуле (4.17) вычислить значения коэффициента взаимной индукции и построить график М(z).