- •Изучение электростатического поля
- •Определение электродвижущей силы источника тока методом компенсации
- •Исследование законов постоянного тока
- •Определение емкости конденсатора с помощью вольтметра
- •Определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля земли
- •Магнитная индукция поля, создаваемого бесконечно длинным прямым проводником с током, –
- •Изучение магнитного гистерезиса ферромагнетиков
- •Определение коэффициента самоиндукции катушки индуктивности
Определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля земли
Цель работы: определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли при помощи тангенс-буссоли.
Приборы и оборудование: тангенс-буссоль, миллиамперметр, резистор, источник питания, коммутатор.
Теоретические сведения
Подобно тому как в пространстве, окружающем электрические заряды, возникает электростатическое поле, в пространстве, окружающем токи и постоянные магниты, возникает силовое поле, называемое магнитным. Особенностью магнитного поля является то, что оно действует только на движущиеся электрические заряды. Характер влияния магнитного поля на электрический ток зависит от формы проводника, его расположения и направления тока.
При исследовании магнитного поля используются магнитная стрелка или замкнутый плоский контур с током (рамка с током), размеры которого малы по сравнению с расстоянием до проводника с током, образующего магнитное поле. Ориентация контура характеризуется направлением нормали к нему. В качестве положительного принимается направление, связанное с правилом правого винта, т.е. направление поступательного движения винта, головка которого вращается в направлении тока, идущего по рамке (рис. 1а). За направление магнитного поля в данной точке принимается направление, вдоль которого располагается положительная к рамке нормаль.
Рамка с током в магнитном поле испытывает ориентирующее влияние поля, т.к. на нее действует пара сил (Рис. 1б). Вращающий момент сил определяется векторным произведением , где d – плечо силы.
Рис. 1
Силовой характеристикой поля служит индукция магнитного поля, Магнитная индукция в данной точке однородного магнитного поля определяется отношением максимального вращающего момента, действующего на рамку с током к величине магнитного момента этой рамки.
(1)
- вектор магнитного момента рамки с током; Для плоского контура с током
где I - сила тока; S - площадь контура; - единичный вектор нормали к поверхности рамки. За единицу магнитной индукции принята индукция такого поля, в котором на контур площадью 1м2 при силе тока 1А со стороны поля действует максимальный момент сил 1 Н∙м. Эта единица - тесла (Тл):
Линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора , называют силовыми линиями магнитной индукции. Величина магнитной индукции прямо пропорциональна числу силовых линий, пересекающих единицу площади. Их направление определяется правилом правого винта: головка винта, ввинчиваемого в направлении тока, вращается в направлении линий магнитной индукции (рис. 2).
Линии индукции магнитного поля, созданного катушкой с током, показаны на рис. 3.
Рис. 2 Рис. 3
Эти линии всегда замкнуты и охватывают проводники с током. Поле, обладающее замкнутыми силовыми линиями, называется вихревым.
Магнитное поле постоянных токов изучалось Био и Саваром; окончательная формулировка найденного ими закона принадлежит Лапласу. Поэтому этот закон носит название закона Био-Савара-Лапласа.
Рис. 4
Закон Био-Савара-Лапласа для проводника с током I, элемент которого создает в некоторой точке А (рис. 4) индукцию поля dB записываются в виде:
, (2)
где - магнитная постоянная ; - магнитная проницаемость среды; - вектор, по модулю равный длине элемента проводника и совпадающий по направлению с током; - радиус-вектор, проведенный из элемента проводника в некоторую точку А поля. Направление перпендикулярно плоскости, натянутой на и .
Модуль вектора В определяется выражением
(3)
где - угол между вектором и радиус-вектором .
Для магнитного поля справедлив принцип суперпозиции: магнитная индукция результирующего поля, создаваемого несколькими токами или движущимися зарядами, равна векторной сумме магнитных индукций полей, создаваемых каждым током или движущимся зарядом в отдельности.
Согласно принципу суперпозиции
(4)
Если распределение тока симметрично, то применение закона Био-Савара-Лапласа совместно с принципом суперпозиции позволяет довольно просто рассчитать индукцию магнитного поля.
Так, магнитная индукция в центре кругового проводника с током равна
,
где R – радиус кривизны проводника.