Содержание отчета

1. Формулировка цели работы.

2. Описание методики измерений.

3. Схема подвижной части гальванометра, электрическая схема измерений.

4. Расчетные формулы и формулы оценки стандартных ошибок.

5. Результаты эксперимента в табличной форме, примеры расчета.

Контрольные вопросы

1. Каков принцип действия приборов магнитоэлектрической системы? В чем состоит назначение гальванометра?

2. Каковы конструктивные особенности измерительной части гальванометра?

3. Какая сила действует на прямоугольную рамку с током в магнитном поле?

4. Что такое чувствительность гальванометра по току? Что такое постоянная по току? Какие параметры влияют на чувствительность прибора?

5. От чего зависит угол поворота рамки с током в магнитном поле?

6. Каким элементом гальванометра обусловлено его внутреннее сопротивление и как оно определяется?

7. Почему сопротивление R₁ должно быть существенно меньше сопротивления R₂?

Работа 4. Изучение магнитного поля тока

Цель работы – исследовать магнитное поле прямого проводника с током, сравнить теоретические и экспериментальные зависимости напряженности магнитного поля от расстояния Н = f(r₀).

Общие сведения

Проводник, по которому протекает электрический ток, создает в пространстве вокруг себя магнитное поле.

Cогласно закону Био-Савара – Лапласа, напряженность магнитного поля, создаваемого отрезком проводника dl,

,

где I – сила тока в проводнике; – вектор, имеющий длину элементарного отрезка проводника и направленный по току; – радиус-вектор, соединяющий элемент с рассматриваемой точкой P.

Рассмотрим магнитное поле, создаваемое прямолинейным проводником с током конечной длины (рис.1). Отдельные элементарные участки этого проводника создают поля dH, направленные в одну сторону (перпендикулярно плоскости чертежа), поэтому напряженность магнитного поля в точке P может быть найдена интегрированием:

.

Так как l = r₀сtg, здесь r₀ – кратчайшее расстояние от точки P до проводника с током, то

.

Кроме того, Поэтому

.

После интегрирования получим

, (1)

где ₁ и ₂ – углы между крайними элементами проводника и соответствующими радиус-векторами и .

Если определять напряженность поля в точках, расположенных на перпендикуляре, восстановленном к середине проводника, то cos₂ = cos(180– ₁) = –cos₁ и, следовательно,

(cos₁ – cos₂) = 2cos₁ =  .

Тогда формулу (1) можно записать в виде

. (2)

Для исследования зависимости магнитного поля прямолинейного тока от расстояния до проводника применяется следующий метод. Прямоугольная, вытянутая по вертикали рамка ABCD (рис.2) присоединяется к генератору переменной ЭДС. По рамке течет переменный ток, изменяющийся с течением времени t следующим образом:

,

где I₀ – амплитудное (максимальное) значение тока в цепи;  – круговая частота переменного тока.

Вокруг проводника создается переменное магнитное поле напряженностью

,

где Н₀ – амплитудное значение напряженности магнитного поля.

Маленькая плоская катушка – индукционный датчик (ИД), содержащий N витков, – помещается в точке P поля так, чтобы ее центр совпал с этой точкой. По закону электромагнитной индукции в катушке возникает ЭДС

,

где Ф – магнитный поток, пронизывающий каждый виток катушки,

,

₀ – магнитная постоянная;  – магнитная проницаемость среды, в которой создано магнитное поле, в нашем случае  = 1, так как поле создано в воздухе; S – площадь измерительной катушки ИД.

Соответственно

.

Обозначив , получим

.

Так как ₀ пропорционально Н₀, то измерив ₀, можно рассчитать значение Н₀ в любой точке поля. С учетом (здесь _эф – действующее значение ЭДС), получим

. (3)

Порядок выполнения работы

Предварительно заметим, что рамка ABCD закреплена вертикально и изучаемый участок AB параллелен плоскости стола (рис.2). На лабораторном столе перпендикулярно к нижнему участку рамки AB нанесена шкала расстояний. Векторы напряженности магнитного поля, создаваемого сторонами AD и BC, параллельны плоскости стола и индукционный датчик изменения потока этих векторов не фиксирует. Напряженностью магнитного поля, созданного током, текущим через участок DC, можно пренебречь в силу его удаленности.

Порядок операций следующий:

1. Включить ламповый вольтметр и подождать несколько минут, пока он прогреется.

2. Поместить индукционный датчик ИД плоской стороной к поверхности стола на расстоянии x от рамки (по шкале расстояний). Оценить максимальную ошибку x. Отодвигая датчик от рамки, через каждые 2 см измерять напряжение _эф.

3. Результаты измерений оформить в табличной форме:

х, м	х, м	r0, м	r0, м	эф, В	эф, В	Н0, А/м	Нтеор, А/м
0
0,02
0,04
…

2r₀

Рис.3

4. Обработать результаты измерений. Вычислить расстояние от датчика до середины участка AB r₀ = x + d/2, где d – ширина участка AB рамки.

Построить график зависимости Н₀(r₀), вычисляя Н₀ по формуле (3), и график Н_теор(r₀), вычисляя Н_теор по формуле (2) для I = 1 A.

получить формулу погрешности Н₀ и вычислить Н₀ для всех значений r₀.

Каждую точку графика Н₀(r₀) окружить крестом, вертикальный размер которого должен соответствовать 2Н₀ горизонтальный – 2r₀ (рис.3).