Определение основных параметров

Электричество И МАГНЕТИЗМ

Лабораторная работа № 301

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ

ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ.

ПРОВЕРКА ЗАКОНОВ ОМА ДЛЯ ОДНОРОДНОГО УЧАСТКА ЦЕПИ И ДЛЯ ПОЛНОй ЦЕПИ

Цель работы: получить навыки работы с электроизмерительными приборами, экспериментально проверить законы Ома для однородного участка цепи и для полной цепи.

Приборы и оборудование: вольтметр, миллиамперметр, источник питания, набор резисторов, установленных на монтажной панели, соединительные провода, таблица с условными обозначениями.

Основные требования к теоретической подготовке: При подготовке к лабораторной работе необходимо проработать разделы курса общей физики "Законы Ома для однородного участка цепи и для полной цепи", "Последовательное и параллельное соединение сопротивлений" и методические указания к данной работе.

Теория метода и описание установки

Проверка законов Ома

Для однородного участка электрической цепи, который не содержит источник электродвижущей силы (гальванического элемента, аккумулятора, термопары, источника фотоЭДС и др.) закон Ома заключается в том, что сила тока на этом участке прямо пропорциональна падению напряжения на этом участке и обратно пропорциональна его сопротивлению:

,

где I - сила тока, А;

U - падение напряжения на участке, В;

R - сопротивление участка цепи, Ом.

Закон Ома для полной цепи утверждает, что сила тока в цепи постоянного тока прямо пропорциональна полной электродвижущей силе (ЭДС) во всей цепи и обратно пропорциональна полному сопротивлению всей цепи:

,

где I - сила тока в цепи, А;

ε - ЭДс в цепи, В;

R = (R_н + r) - полное сопротивление весь цепи, Ом;

R - внешнее сопротивление, Ом;

r - внутреннее сопротивление источника тока, Ом.

Полная ЭДС ε всей цепи равняется алгебраической сумме всех ЭДС, которые действуют в этой цепи.

Полная ЭДС всей цепи численно равняется работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда по всей цепи:

Сторонние силы - это силы неэлектрического происхождения, которые действуют на свободные заряды внутри источников тока и необходимые для поддержания постоянной разности потенциалов и тока в проводнике. Эти силы могут быть обусловлены химическими процессами в аккумуляторах и гальванических элементах, вихревым электрическим полем, переменным магнитным полем и др.

Порядок выполнения работы

1. Получить электроизмерительные приборы, монтажную панель, источник питания, соединительные провода и таблицу «Обозначения на шкалах электроизмерительных приборов».

2. Ознакомиться с лицевой панелью приборов. Определить назначение каждого прибора, принцип действия (систему), предел измерения, рабочее положение, вид тока.

3. Определить цену деления каждого прибора для каждого предела измерения по формуле (1).

4. Определить R_внА и R_внV по формуле (3) и (4). Сравнить значение внутренних сопротивлений амперметра и вольтметра.

5. Заполнить таблицу 1.

 

Таблица 1 - результаты измерений и вычислений

№ п/п	Наименование прибора	Предел измерения	Цена деления	Класс точности	Рабочее положение	Система	Вид тока	Внутр .сопр, Ом
...

 

6. Ознакомиться с расположением резисторов и контактов на монтажной панели.

7. Собрать цепь согласно рис. 4.

8. Подключить источник питания к клеммам а и b с соблюдением полярности.

9. Соединить гибкими проводниками П₁ и П₂ клеммы 2 и 3, 2' и 3'.

10. Замкнуть цепь, включив миллиамперметр с соблюдением полярности к клеммам 5 и 6. (С разрешения лаборанта или преподавателя подключить собранную цепь к электросети).

11. Определить силу тока , который протекает в цепи. Результат занести в таблицу 2.

12. Измерить вольтметром поочередно падения напряжения соответственно между клеммами а и b, 1 и 4, 5 и 6, 7 и 8, 8 и 9, (так как показано на рис. 4 для проводника R₃). Результаты занести в таблицу 2.

13. Отсоединить миллиамперметр от клемм 5 и 6, закоротив их гибким проводом П₃.

14. Измерить токи I₁ и , которые идут через сопротивления R₁ и . Для этого отсоединить гибкий провод П₁ и подключить миллиамперметр между клеммами 2 и 3. Это будет . При этом провод П₂ замкнут. Аналогично определить . Результаты занести в таблицу 2.

15.Определить неизвестные сопротивления R₁ и R₄, используя закон Ома для участка цепи (численное значение сопротивлений R₂ и R₃ указано на лабораторном стенде)

16. Рассчитать полное сопротивление цепи, соответствующей рис. 4, пренебрегая внутренним сопротивлением источника

, где

17. Рассчитать силу тока в цепи по закону Ома ().

18. Результаты расчетов занести в таблицу 2.

19. Проверить, выполняется ли условие .

20. Сравнить экспериментальные и теоретические значения токов.

21. Проверить, выполняется ли условие

22. Сделать вывод о степени выполнения законов Ома.

 

Таблица 2 - Результаты измерений и вычислений

Iв

IТ

Iё

I2

Iё = I1 +I2

Uab

U1

UA

U3

U4

Uab = U1+ UA+ U3+ U4

R1

R4

R

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как классифицируются электроизмерительные приборы, которые используются для измерения электрических величин?

2. Что такое предел измерения прибора? Как определить цену деления?

3. Что такое класс точности прибора?

4. Как определяется внутреннее сопротивление амперметра и вольтметра?

5. Как подключают в электрическую схему амперметр, вольтметр?

6. Что такое электрический ток? В каких единицах измеряется?

7. Какой ток называют постоянным?

8. Какие условия существования электрического тока?

9. Что такое напряжение? В каких единицах измеряется?

10. Что такое сопротивление материала? В каких единицах измеряется?

11. Что утверждает закон Ома для однородного участка цепи, для замкнутой цепи?

12. Что такое ЭДС?

13. Как определить полезную мощность и мощность источника? В каких единицах измеряется мощность?

14. Как определить общее сопротивление последовательно соединенных проводников?

15. Как определить общее сопротивление параллельно соединенных проводников?

 

Лабораторная работа № 302

ТОКА В ЕГО ОБМОТКЕ

Цель работы - определить напряженность магнитного поля в центре соленоида по периоду колебаний магнитной стрелки при разных значениях силы тока в его обмотке, построить график зависимости напряженности от силы тока.

Приборы и оборудование: соленоид, магнитная стрелка, которая подвешена на неупругой нити, миллиамперметр, реостат, двухполюсный переключатель, секундомер.

Основные требования к теоретической подготовке: При подготовке к лабораторной работе необходимо проработать разделы курса общей физики "Магнитное поле и его характеристики", "Закон Био-Савара-Лапласа", "Закон Ампера" и методические указания к данной работе.

 

Порядок выполнения работы

1. Собрать (проверить) схему установки (рис. 4).

2. Установить панель с соленоидом так, чтобы магнитная стрелка расположилась вдоль его оси. В противном случае в формулах (6) – (11) и (14) необходимо вместо В₀ использоватьее проекцию на магнитный меридиан поля Земли.

 

Рисунок 4 - Схема установки

 

3. При отсутствии тока в соленоиде определить период колебаний стрелки в поле Земли . Для этого необходимо отклонить стрелку на небольшой угол и предоставить ей колебаться относительно оси, совпадающей с нитью подвеса. Секундомером измерить время t нескольких (например, десяти) полных N колебаний стрелки. Тогда

. (15)

4. Повторить пункт 3 несколько раз. Найти среднее значение . Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 1.

Для определения и :

5. Включить установку в сеть. Замкнуть цепь (переключатель П перевести из среднего положения, например, вправо). Реостатом установить меньшее значение силы тока из указанных на лабораторном стенде.

6. Определить время 5 - 10-ти полных колебаний стрелки при постоянном колебательном движении. В случае прекращения колебаний установку выключить (ключ в среднее положение) и снова включить. Вычислить аналогично (15). Результаты занести в таблицу 2.

7. Не меняя численного значения силы тока, изменить его направление (переключатель П перевести влево). Определить период колебаний стрелки (смотри п.6). Результаты занести в таблицу 2.

8. Повторить п.п. 6, 7 для других значений силы тока.

9. По формуле (14) вычислить напряженность магнитного поля в центре соленоида для каждого значения силы тока в обмотке. В качестве использовать его среднее значение (смотри табл. 1). Результаты расчетов записать в таблицу 2.

10. По данным таблицы 2 построить график зависимости напряженности магнитного поля в центре соленоида от силы тока в его обмотке . Сравнить ее с теоретической зависимостью (3) при условии, что число витков п на единицу длины соленоида в экспериментах не изменялось.

 

Таблица 1 - результаты измерений и вычислений

№ п/п	N	t, с	, с	, с
1.
2.
3.

 

Таблица 2 - Результаты измерений и вычислений

№ п/п		вправо		,с	влево		,с
…

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое напряженность и индукция магнитного поля? Какая связь между ними? В каких единицах они измеряются?

2. Как определить направление вектора индукции и вектора напряженности магнитного поля?

3. Сформулируйте закон Био-Савара-Лапласа, закон Ампера.

4. В чем заключается принцип суперпозиции магнитных полей?

5. От чего зависит механический момент, который действует на магнитную стрелку в магнитном поле, как определить его направление?

6. Что такое вектор магнитного момента контура с током?

7. Почему магнитная стрелка должна быть малых размеров, а нить неупругой? Как это условие влияет на уравнение динамики стрелки (4)?

8. Что учитывает знак "- " в уравнении (7)?

9. Вывести расчетную формулу (14).

10. Используя теорему о циркуляции вектора и соотношение (1) получить теоретическую зависимость (3).

 

Лабораторная работа № 303

МЕТОДОМ МАГНЕТРОНА

Цель работы - определение удельного заряда электрона методом магнетрона.

Приборы и оборудование: электронная лампа с цилиндрическим анодом, соленоид, амперметр, миллиамперметр, реостат, выпрямитель.

Основные требования к теоретической подготовке: При подготовке к лабораторной работе необходимо проработать разделы курса общей физики "Сила Лоренца". Движение заряженных частиц в магнитном поле", и методические указания к данной работе.

Порядок выполнения работы

1. Собрать (проверить) электрические схемы согласно рис. 5.

 

 

2. Проверить отсутствие тока в цепи соленоида. Если он есть, реостатом уменьшить до нуля.

3. Установить на миллиамперметре анодный ток, соответствующий анодному напряжению, которое используется при расчете (, и указаны на лабораторном стенде).

4. Увеличивая ток в цепи соленоида (предельное значение указано на лабораторном стенде), снять зависимость анодного тока от тока соленоида. Результаты измерений занести в таблицу 1.

5. Построить график зависимости анодного тока от тока соленоида (смотри рис.4).

6. По графику определить значение критического тока I_кр.

7. По формуле (8) вычислить удельный заряд электрона.

 

Таблица 1 – Результаты измерений

, А

, мА

 

В выводе сравнить полученный результат с табличным, для определения которого можно использовать численные значения е и т, которые приведены в работе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое удельный заряд электрона?

2. Объяснить выражение (3).

3. Почему ни сила Лоренца, ни сила, которая действует на электрон со стороны электрического поля, не имеют составляющих по оси Z (рис.2)? Объяснить направление действия этих сил.

4. Чему равняется работа при перемещении электрона от катода до анода? Постоянна ли ее величина?

5. Объяснить направление векторов и на рисунке 1.

6. Почему сила Лоренца не выполняет работы?

7. В чем заключается метод магнетрона, который используется для определения удельного заряда электрона?

8. От чего зависит вид траектории движения электрона в межэлектродном просторные?

9. Выведите формулу для определения радиуса кривизны траектории электрона, который движется в однородном магнитном поле.

 

 

Лабораторная работа № 304

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с рабочей установкой, схема которой изображена на рисунке 5.

2. Ознакомиться с рисунком 6, на котором приведено две кривые: нижняя - график градуировки термопары (строится по данным на лабораторном стенде); верхняя - экспериментальная. Обратить внимание на точку А, которая соответствует резкому падению тока во вторичной обмотке.

3. Ручкой, регулирующей исходное напряжение на трансформаторе, подать на печь (нагревательную обмотку) переменное напряжение, указанное на лабораторном стенде

4. При повышении температуры сердечника (смотри показания цифрового вольтметра 7 и таблицу градуировки термопары) снять зависимость индукционного тока во вторичной обмотке катушки от величины термо ЭДС термопары (верхняя кривая на рисунке 6). Измерение силы тока проводить микроамперметром таким образом: к началу резкого падения тока через каждые 0,5 mV на цифровом вольтметре, а дальше через 0,1 mV. Результаты занести в таблицу 1

5. По полученным данным и по данным градуировки термопары построить графики (см. рис.6).

Рисунок 6

6. Для определения температуры Кюри из точки А перегиба экспериментальной кривой провести пунктирную прямую до пересечения с графиком градуировки термопары (точка В). Ордината точки В - температура Кюри исследуемого ферромагнетика.

 

Таблица 1 – Результаты измерений

U, mV	I, µA
0,5
1,0
…
…

 

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Теория Ампера - теория микротоков и микрополей. Орбитальный магнитный момент электрона. Магнитный момент атома и магнетика.

2. Что такое магнетики? В чем заключается процесс намагничивания? Какие виды магнетиков вы знаете?

3. Что такое намагниченность, магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость вещества?

4. Как объясняются магнитные свойства диамагнетиков?

5. Как объясняются магнитные свойства парамагнетиков?

6. Что такое домены? Как объясняются магнитные свойства ферромагнетиков? Какая роль доменов в процессах намагничивания и размагничивания ферромагнетиков?

7. Какой порядок величины магнитной восприимчивости и магнитной проницаемости в диа-, пара- и ферромагнетиков?

8. Что такое магнитный гистерезис, петля гистерезиса? Объяснить явление магнитного насыщения ферромагнетика. Что такое остаточная индукция, коэрцитивная сила?

9. Что такое точка (температура) Кюри? Как объясняется резкое изменение магнитных свойств ферромагнетиков при температуре Кюри?

10. Метод определения точки Кюри. Почему ЭДС взаимной индукции и индукционный ток во вторичной обмотке резко уменьшаются при достижении ферромагнитным сердечником температуры Кюри?

 

Лабораторная работа № 305

ИЗУЧЕНИЕ ЭФФЕКТА ХОЛЛА

Цель работы: экспериментальное определение постоянной Холла и концентрации электронов в металле.

Приборы и оборудование: электромагнит, исследуемый образец, амперметры, вольтметр, источник постоянного тока.

Основные требования к теоретической подготовке: При подготовке к данной работе необходимо проработать раздел курса общей физики "Эффект Холла" и данные методические указания.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с рабочей схемой и приборами.

2. С разрешения преподавателя включить питание установки.

Потенциометром с помощью амперметра А₁ установить в образце ток I₁ = 3А.

3. В отсутствие магнитного поля определить напряжение U₁, между точками а и б, которое появляется в результате того, что практически невозможно закрепить проводники в контактах по эквипотенциальной линии, т.е. чтобы между точками а и б отсутствовала разность потенциалов.

4. Включить ток в электромагните 3, по амперметру А₂ определять величину тока I₂, по вольтметру V определить соответствующее напряжение U₂.

5. Холловскую разность потенциалов U_х в данном эксперименте определяют как разность

6. Эксперимент повторить, установив в образце ток I₁ = 5 и 7А.

7. Результаты занести в таблицу 1.

8. Отключить питание установки.

9. Определить индукцию магнитного поля В по формуле:

,

где N – число витков;

h – ширина воздушного зазора электромагниту;

μ₀ = 4π ·10^-7 Гн/м– магнитная постоянная. Значения N и h обозначены на установке.

10. По формуле (3) для трех значений I₁ определить три значения постоянной Холла. Результат занести в таблицу 1.

 

Таблица 1 - Результаты измерений и вычислений

I1, А

U1, В

I2, А

U2, В

Uх, В

В, Тл

R м/Кл

n, 1/м3

Результаты

11. Оформить результаты расчета постоянной Холла по методу Стьюдента.

12. Из соотношения, которое определяет величину постоянной Холла (), найти значение концентрации электронов в образце, взяв R как среднее по п.11.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. В чем заключается эффект Холла?

2. От чего зависит сила Лоренца?

3. Как определить направление действия силы Лоренца?

4. Как определяется постоянная Холла?

5. О чем говорит знак постоянной Холла?

6. Как вычислить среднюю скорость электрона в образце?

7. Как определить концентрацию электронов в образце?

 

 

Электричество И МАГНЕТИЗМ

Лабораторная работа № 301

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ