Метод измерения и описание аппаратуры. Изучение магнитного поля соленоида с помощью датчика Холла проводится на лабораторной установке, схема которой приведена на рис
Изучение магнитного поля соленоида с помощью датчика Холла проводится на лабораторной установке, схема которой приведена на рис. 4. Датчик Холла расположен внутри соленоида и может перемещаться из центра соленоида к одному из его краев с помощью координатного механизма. Для создания тока через датчик Холла используется источник постоянного тока УНИП. Контроль силы тока через датчик осуществляется при помощи миллиамперметра М45М (на рис. 4. он обозначен как PA 2). В качестве источника питания соленоида используется выпрямитель ВС-42. Контроль силы тока через соленоид производится с помощью амперметра PA 1, установленного на передней панели выпрямителя. э. д. с. Холла измеряется при помощи микровольтметра PV. В исследуемое магнитное поле помещают датчик Холла, устанавливают номинальное значение силы тока через датчик и измеряют э. д. с. Холла, которая, согласно (9), пропорциональна индукции магнитного поля.
 |
Окончательный расчет величины индукции магнитного поля соленоида производится по формуле
B = 
, (12)
где
(В/А×Тл).
Для каждой лабораторной установки численные значения k и силы тока через датчик IX заданы.
Порядок выполнения работы
I. Проверка линейной зависимости магнитной индукции
поля соленоида от величины силы тока, протекающего через него
1. Установить датчик Холла в центр соленоида (x0 = 0).
2. Включить в сеть источник питания датчика Холла и микровольтметр.
3. Установить величину силы тока через датчик Холла, указанную на установке, с помощью ручки «Установка тока датчика Холла» на источнике питания.
4. Включить источник питания соленоида и установить с помощью реостата силу тока 1,5 А. Измерить соответствующее значение э. д. с. Холла. Такие же измерения произвести для значений силы тока соленоида 2 А, 2,5 А, 3 А, 3,5А. Полученные результаты занести в табл. 1.
5. Весь процесс измерений, указанный в п. 3, 4, повторить для случая, когда датчик находится на краю соленоида (x0 = 75 мм).
6. Используя формулу (II), рассчитать значение магнитной индукции поля на оси соленоида для x0 = 0 и x0 = 75 мм, и результаты занести в табл. 1.
7. Построить график зависимости B = f(IC) для случаев x0 = 0 и x0 = 75 мм.
8. Рассчитать число витков w на единицу длины соленоида для случая x0 = 0 и x0 = 75 мм, используя выражение (4). Результаты занести в табл. 1.
9. Рассчитать предельную относительную погрешность вычисления магнитной индукции, пользуясь формулой
,
где DIX, DUY – абсолютные погрешности, даваемые приборами, считая, что Da/a = 0,05.
Таблица 1
| № п/п | x0 = 0 | x0 = 75 мм | ||||||
| Сила тока через соленоид IC, А | Э. д. с. Холла UY, В | Индукция В, Тл | w, м-1 | Сила тока через соленоид IC, А | Э. д. с. Холла Uy, В | Индукция В, Тл | w, м-1 | |
| 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 | 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 |
Таблица 2
| № п/п | Координата x, мм (x0 = 0) | Э. д. с. Холла UY, В | Индукция В, Тл |
| ... | … |
II. Изучение распределения индукции магнитного поля
вдоль оси соленоида
1. Датчик Холла установить в центр соленоида (x0 = 0).
2. Установить силу тока через соленоид IC = 2,5 А и измерить величину э. д. с. Холла.
3. Перемещая датчик из центра соленоида к краю, производить замеры э. д. с. Холла через каждые 5 мм. Полученные данные занести в табл. 2.
4. Построить график зависимости индукции магнитного поля соленоида от координаты В = f(х). На графике выделить участок соленоида, где неоднородность магнитного поля не превышает 10 %.
Контрольные вопросы
1. Какова цель работы?
2. Каким методом измеряется индукция магнитного поля
в данной работе?
3. В чем заключается эффект Холла?
4. Каков физический смысл коэффициента Холла?
5. Дайте определение вектора магнитной индукции. Какова единица измерения этой величины в СИ?
6. Напишите выражение для силы Лоренца.
7. Сформулируйте закон Био-Савара-Лапласа.
8. Выведите выражения для магнитной индукции:
а) в центре кругового тока;
б) на оси кругового тока.
9. Сделайте вывод выражения для магнитной индукции:
а) на оси бесконечно длинного соленоида;
б) на оси соленоида ограниченной длины.
10. При каком условии соленоид можно считать бесконечно длинным?
10. Как изменяется индукция магнитного поля вдоль оси соленоида?
11. Получите формулу для э. д. с. Холла.
12. Как изменится индукция магнитного поля на оси соленоида при увеличении числа витков на единицу длины в два раза при прочих равных условиях?
13. Как изменится э. д. с. Холла при увеличении в два раза продольного тока через датчик и уменьшении в два раза индукции магнитного поля?
14. Как изменится индукция магнитного поля на оси соленоида конечной длины, если его диаметр уменьшить в два раза, а ток в катушке оставить неизменным?
15. Как изменится направление силы Лоренца в случае изменения знака носителей заряда, если направление продольного тока через датчик не изменилось?
16. Как направлен вектор скорости носителей заряда в проводнике по отношению к направлению тока?
17. Какие поля называются однородными?
18. Покажите вид магнитных силовых линий внутри соленоида.
19. Изменится ли степень неоднородности магнитного поля в центре соленоида конечной длины при увеличении его длины?
20. Как должна быть ориентирована плоскость датчика Холла относительно магнитных силовых линий соленоида?
21. Нарисуйте схему экспериментальной установки и поясните назначение в ней отдельных элементов.
22. Укажите основные источники погрешности определения магнитной индукции в данной работе.
Список литературы
1. Савельев И.В. Курс общей физики. – М.: Наука, 2005. – Т. II, гл. IV, § 41, 42.
2. Трофимова Т.И. Курс физики: Учебное пособие для вузов. – М.:Высшая школа, 2004. – 544 с.
Работа 175