Магнитное поле соленоида.

Лабораторная работа № 9

Изучение магнитного поля соленоида

1.Цель работы

Изучение распределения магнитного поля конечного соленоида при помощи явления электромагнитной индукции.

2.Краткое теоретическое введение

Соленоид – это цилиндрическая катушка, обмотка которой состоит из большого числа витков проволоки, образующих винтовую линию. Если витки расположены вплотную, то соленоид можно рассматривать как систему последовательно соединенных круговых токов, имеющих общую ось. Индукция магнитного поля в любой точке соленоида равно векторной сумме индукций магнитных полей, создаваемых в данной точке всеми витками. Вектор магнитной индукций в точке, лежащей на оси соленоида конечных размеров, направлен вдоль оси, а его значение вычисляется по формуле:

, (1)

где L - длина соленоида, R –радиус его витков,

Х – расстояние от края соленоида до исследуемой точки,

I – сила тока, протекающего по виткам,

n - число витков на единицу длина соленоида,

Относительная магнитная проницаемость среды,

μ0 - магнитная постоянная.

Единицей измерения индукции магнитного поля в системе СИ является «Тесла»: [B] = Тл

Из выражения (1) следует, что индукция магнитного поля максимальна на оси соленоида в точке, соответсвующей его середине:

. (2)

Если длина соленоида намного превышает радиус его витков, то соленоид можно условно считать бесконечно длинным. Магнитное поле внутри бесконечно длинного соленоида является однородным, при этом его индукция равна:

. (3)

Распределение магнитного поля соленоида конечной длины является более сложным по сравнению с простейшим случаем бесконечно длинного соленоида. Для многих других конфигураций магнитного поля, теоретический расчет которых затруднителен, предпочтительней определять магнитную индукцию экспериментально.

Величину можно измерить, использую, например, явление электромагнитной индукции. Если в некоторую точку магнитного поля поместить не большой контур, то при изменениях магнитного потока, пронизывающего этот контур, в последнем возникнет э. д.с., индукции, электромагнитной индукции (закону Фарадея), имеем:

В настоящей работе в качестве контура используется измерительная катушка (ИК), состоящая из большого количества витков N. Возникающая в ней э. д.с. индукции складывается из э. д.с. отдельных витков, т.е.

, (5)

где S –площадь поперечного сечения ИК.

Если в обмотке соленоида протекает переменный ток, то магнитное поле, создаваемое этим током, также является переменным, т. е.

, (6)

где В0 - амплитудное значение магнитной индукции,

– циклическая частота переменного тока.

Из формул (5) и (6) следует, что э. д.с. индукции, наведения ИК, изменяется во времени по закону:

e = e0 sin(wt) (7)

где e0 - амплитудное значение э. д.с., равное

e0 = NSwB0 = kB0 , (8)

Коэффициент называется градуировочной постоянной измерительной установки. Ее можно определить экспериментально.

Вольтметр, используемый для измерения э. д.с. индукции e, показывает эффективное значение переменного напряжения U, связанное с амплитудным значением э. д.с. (e0) соотношением:

https://pandia.ru/text/80/314/images/image011_30.gif" width="92" height="26"> . (10)

Из формул (9) и (10) следует, что отношение эффективного напряжения в любой точке нахождения ИК к его максимальному эффективному значению в центре соленоида равно отношению магнитной индукции в этой точке к максимальной магнитной индукции в центре соленоида:

. (11)

Поэтому распределение индукции магнитного поля соленоида можно изучать, не вычисляя градуировочную постоянную измерительной установки k.

3.Описание экспериментальной установки.

Внутри исследуемого соленоида при помощи стрежня с указателем, скользящим вдоль шкалы, может перемещаться измерительная катушка. Ось катушки параллельна оси соленоида. ИК можно передвигать и в направлении, перпендикулярном оси соленоида. Установка собирается по электрической схеме, приведенной на рис.1. Обмотка соленоида питается переменным током, измеряемым амперметром и изменяемым при помщи реостата. Э. д.с. индукции, возникающая в ИК, измеряется вольтметром. Это эффективное значение э. д.с. индукции, связанное с амплитудным значением индукции магнитного поля соленоида в точке нахождения ИК по формуле (9).

Измерения сводятся к фиксации координаты расположения ИК относительно соленоида и значения э. д.с. индукции, соответствующего этому положения.

4.Рабочее задание

Задание 4.1. Распределение индукции магнитного поля конечного соленоида.

4.1.1. Соберите электрическую цепь по схеме на рис.1

4.1.2. Установите фиксированный ток в обмотке соленоида 1,5А.

4.1.3. Изменяя положение ИК относительно соленоида, измерьте э. д.с. индукции. ИК следует перемещать вдоль оси соленоида 2 см, записывая для каждой координаты показания вольтметра в таблицу 4.1.

4.1.4..gif" width="84" height="45">, пользуясь расчетными формулами (1),(2). Сравните экспериментальную и теоретическую зависимости. Оцените систематическую погрешность проведенных измерений.

Таблица 4.1.

Задание 4.2. Зависимость величины магнитной индукции от силы тока в соленоиде.

4.2.1. Установите ИК в середине соленоида, где магнитное поле максимально.

4.2.2. Для разных значений тока в соленоиде измерьте э. д.с. индукции, наведенной в ИК. Для этих же значений тока рассчитайте значения магнитной индукции в центре конечного соленоида, пользуясь формулой (2). Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 4.2.

4.2.3. Постройте, желательно используя метод наименьших квадратов, график зависимости 0 " style="border-collapse:collapse;border:none">

Ток соленоида, Ic, A

Э. д.с. индукции

Индукция магнитного поля

Предел измерения

Показание прибора

Значение тока

Вmax, 10-3 Тл

Рис 1.Электрическая схема экспериментальной установки

Задание 4.3. Радиальное распределение индукции магнитного поля конечного соленоида.

4.3.1. Установите ИК на краю соленоида.

4.3.2. Установите фиксированный ток в обмотке соленоида 1,5А.

4.3.3. Передвигая Ик в направлении, перпендикулярном оси соленоида, измерьте э. д.с. индукции. ИК следует перемещать на 0,5 см, записывая для каждой координаты показания вольтметра в таблицу 4.3.

4.3.4. Зная значение градуировочной постоянной измерительной установки, вычислите по формуле (9) для каждой координаты значение индукции магнитного поля.

4.3.5. Постройте график зависимости В = f(х).

4.3.6. Установите ИК в центре соленоида.

4.3.7. Выполните для этого положения ИК задания п. п. 4.3.4.-4.3.6.

4.3.8. Перепишите в тетрадь следующие постоянные величины: длину соленоида, его диаметр, число его витков, длину измерительной катушки, ее диаметр, число ее витков.

Таблица 4.3.

В приложении приведена программа для обработки результатов лабораторной работы на ЭВМ. При вводе экспериментальных данных не забудьте перевести их в систему единиц СИ.

5.Контрольные вопросы

5.1. Что такое индукция магнитного поля?

5.2. Какие методы измерения магнитной индукции Вы знаете?

5.3. В чем заключается явление электромагнитной индукции?

5.4. Можно ли в данной работе использовать источник постоянного тока?

5.5. Какова природа возникновения э. д.с. индукции в ИК?

5.6. Выведите формулу индукции магнитного поля бесконечно длинного соленоида.

5.7. Чему равно отношение значений магнитной индукции внутри бесконечно длинного соленоида и на срезе полубесконечного соленоида?

5.8. Каков источник систематической погрешности?

6.Литература

6.1. Калашников.-М.:Наука, 1977.

6.2. Сивухин курс физики.-М.: Наука, 1977.

6.3. Матвеев и магнетизм. -М.: Высшая школа, 1991.

6.4. , Малов общей физики: Электричество и магнетизм.-М.: Просвещение, 1980.

Рис. 6.23. Магнитные силовые линии поля: 1 - соленоида; 2 - полосового магнита

Магнитное поле соленоида напоминает поле полосового магнита (рис. 6.23-2).

Если витки намотаны вплотную, то соленоид - это система круговых токов, имеющих одну ось.

Если считать соленоид достаточно длинным, то магнитное поле внутри соленоида однородно и направлено параллельно оси. Вне соленоида вдали от краев магнитное поле также должно иметь направление параллельное оси и на большом расстоянии от соленоида должно быть очень слабым. Поле убывает по закону

Подсчитаем поле внутри соленоида. Возьмем элемент соленоида длиной dh , находящийся на расстоянии h от точки наблюдения. Если катушка имеет n витков на единицу длины, то в выделенном элементе содержится ndh витков. Согласно формуле (6.11), этот элемент создает магнитное поле

Интегрируя по всей длине соленоида, получаем

Таким образом, поле в бесконечно длинном соленоиде дается выражением

На практике соленоиды бесконечно длинными не бывают. Для иллюстрации рассмотрим некоторые примеры.

Пример 1. Найти магнитное поле в середине соленоида конечной длины l (рис. 6.24). Сравнить с полем бесконечно длинного соленоида. При каких условиях разница составляет менее 0,5 %?

Рис. 6.24. Магнитное поле катушки конечной длины
В центре соленоида магнитное поле практически однородно и значительно превышает по модулю поле вне катушки

Решение. Магнитное поле в средней точке оси соленоида конечной длины l дается тем же интегралом (6.19), но с другими пределами интегрирования

Если длина соленоида много больше его диаметра (l >> 2R ), мы возвращаемся к формуле для поля в бесконечно длинном соленоиде (6.20). Относительная разница этих двух значений равна

По условию эта разница мала: , то есть мало отношение диаметра соленоида к его длине: 2R /l << 1. Поэтому можно воспользоваться формулой разложения квадратного корня

Подставляя численное значение d , находим, что разница будет менее половины процента при выполнении соотношения

Иными словами, соленоид может рассматриваться как бесконечно длинный, если его длина в двадцать или более раз превышает радиус.

Пример 2. Найти магнитное поле В е в крайней торцевой точке оси соленоида конечной длины l . Сравнить с результатом предыдущего примера.

Решение. Магнитное поле в торцевой точке оси соленоида конечной длины l дается тем же интегралом (6.19), но теперь пределы интегрирования будут выглядеть иначе

Отношение полей в средней и крайней точках оси соленоида равно

Это отношение всегда меньше единицы (то есть поле на торце меньше поля в середине соленоида). При l >> R имеем

Этот результат легко понять. Представим себе бесконечный соленоид, который мысленно рассекаем пополам в точке наблюдения. Можно считать, что поле в этой точке создается двумя одинаковыми «полубесконечными» соленоидами, расположенными по разные стороны от нее. Ясно, что при удалении одного из них точка наблюдения становится торцом оставшегося «полубесконечного» соленоида, а магнитная индукция в ней уменьшиться именно в два раза.

Это - так называемый краевой эффект. Пример демонстрирует, что недостаточно выполнения соотношения l >> R , чтобы пользоваться формулами для бесконечно длинного соленоида; надо еще, чтобы точка наблюдения находилась далеко от его концов.

На рис. 6.25 представлен опыт по исследованию распределения силовых линий магнитного поля вокруг соленоида. Поле соленоида, ось которого лежит в плоскости пластинки, сосредоточено в основном внутри соленоида. Силовые линии внутри имеют вид параллельных прямых вдоль оси катушки, а поле снаружи практически отсутствует.

Рис. 6.25. Визуализация силовых линий магнитного поля

Для создания магнитного поля в технике используется соленоид – цилиндрическая катушка, состоящая из большого числа витков, равномерно намотанных на общий сердечник (рис. 4.5).

Рассмотрим соленоид длиной L , имеющий N витков, по которому течет ток I . Длину соленоида считаем во много раз большей диаметров его витков. Магнитное поле такого соленоида целиком сосредоточено внутри него и однородно. Снаружи соленоида поле мало и его практически можно считать равным нулю.

Величину индукции магнитного поля соленоида можно найти, складывая магнитные индукции полей, создаваемых каждым витком соленоида. Так как витки соленоида намотаны вплотную друг к другу, на длине dx сосредоточено витков. Суммарный ток, протекающий по кольцу, толщиной dx , равен . В точке, находящейся на оси соленоида каждое такое кольцо создает магнитное поле, согласно (4.7), равное:

.

Суммарное поле:

(4.9)

При интегрировании соленоид считаем бесконечным. Как видно из (4.9) магнитное поле соленоида зависит от плотности намотки – числа витков на единицу длины соленоида .

Магнитный поток

Потоком вектора магнитной индукции (магнитным потоком) через площадку dS называется скалярная физическая величина, равная:

dФ = В n dS = Bcos α × dS , (4.10)

где В n – проекция вектора В на направление, перпендикулярное к площадке dS ; α – угол между вектором нормали n и вектором В .

Положительное направление нормали связано правилом правого винта с током, текущим по контуру, ограничивающему площадку dS . Магнитный поток Ф через произвольную поверхность S можно представить в виде:

Действие магнитного поля на заряды

На электрический заряд q , движущийся в магнитном поле с индукцией В со скоростью V , действует сила Лоренца:

. (4.12)

Абсолютная величина магнитной силы:

F = qvB Sin α ,

где α – угол между векторами V и В .

По правилу векторного произведения магнитная сила F перпендикулярна плоскости, в которой лежат вектора V и B .

Если q >0, магнитная сила F совпадает с направлением векторного произведения [V,B ], если q <0, то противоположно.

Для положительного заряда, движущегося в магнитном поле, как показано на рисунке 4.6, сила F направлена вдоль отрицательного направления оси Z . Продольная компонента скорости V ll под действием магнитного поля изменяться не будет и движение заряженной частицы вдоль оси Х – равномерное. Результирующее движение частицы – по винтовой линии (рис.4.6). Спираль может быть как правой, так и левой в зависимости от знака заряда q .

Радиус спирали R найдем из условия, что при равномерном движении частицы по окружности сила F является центростремительной силой:

,

где m – масса заряженной частицы. Отсюда:

.

Время, за которое частица совершит полный оборот (период):

. (4.13)

Из формулы (4.13) следует, что период обращения частицы не зависит от ее скорости. Однако надо помнить, что этот вывод справедлив только при условии V <<c , где: с – скорость света.

Если движение частицы происходит как в магнитном поле с индукцией B , так и в электрическом поле с напряженностью Е , то на нее действует обобщенная сила Лоренца:

. (4.14)

Электромагнитная индукция

Если поток магнитной индукции сквозь контур изменяется со временем, то, согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, в контуре возникает ЭДС индукции:

E = – , (4.15)

Знак (–) означает: индукционный ток всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле стремиться скомпенсировать то изменение магнитного потока, которым вызван данный индукционный ток (правило Ленца).

Ток в замкнутом контуре создает в окружающем пространстве магнитное поле, индукция которого пропорциональна току: В ~ I. Поэтому сцепленный с контуром магнитный поток пропорционален силе тока в контуре I:

Ф = LI ,

гдеL – коэффициент пропорциональности называют коэффициентом самоиндукции или индуктивностью контура.

Если по контуру протекает изменяющийся со временем ток I(t) , то изменяется магнитный поток, пронизывающий контур. В контуре возникает ЭДС самоиндукции:

Индуктивность контура L в общем случае зависит от геометрии контура и магнитной проницаемости среды µ. Если эти величины не изменяются, то L = const . Т.е., если контур жесткий и поблизости нет ферромагнетиков, то L = const .

Рассмотрим два контура 1 и 2, расположенных на некотором расстоянии друг от друга (рис. 4.7). Если по контуру 1 пропустить ток I 1 , то он создает поток магнитной индукции через контур 2:

Ф 21 = L 21 I 1 . (4.17)

Коэффициент пропорциональности L 21 называют коэффициентом взаимной индукции контуров (взаимная индуктивность контуров). Он зависит от формы и взаимного расположения контуров 1 и 2, а также от магнитных свойств окружающей среды.

При изменении силы тока в первом контуре магнитный поток сквозь второй контур изменяется; следовательно, в нем наводится ЭДС взаимной индукции:

. (4.18)

Формула справедлива в отсутствие ферромагнетиков.

Если поменять местами контуры 1 и 2 и повторить все предыдущие рассуждения, то получим:

. (4.19)

Коэффициенты взаимной индукции равны.

Найдем индукцию магнитного поля внутри соленоида – катушки, диаметр которой значительно больше ее длины l . Будем считать поле внутри катушки однородным, а вдали от катушки – пренебрежимо малым. Выберем контур обхода L в видепрямоугольника 1-2-3-4 (см. рис.). Найдем сначала циркуляцию вектора В. Запишем интеграл циркуляции в выражение . Разобьем интеграл по контуру L на четыре интеграла: 1-2, 2-3, 3-4, 4-1.

Контур 12341 охватывает N витков катушки в каждом из которых ток I . Таким образом, из теоремы следует, что B×l = m o NI . Отсюда найдем В .

Тема 9. Вопрос 8.

Поток вектора магнитной индукции (магнитный поток)

Представим себе некоторую замкнутую поверхность в магнитном поле. Линии магнитной индукции всегда замкнуты, они не имеют начала и конца, Поэтому количество входящих в поверхность линий будет равно количеству выходящих из нее линий. Магнитный поток пропорционален количеству линий индукции, следовательно, поток будет равен нулю. Равенство нулю магнитного потока через любую замкнутую поверхность свидетельствует о том, что магнитное поле не имеет источников этого поля (магнитных зарядов не существует). Таким образом, магнитное поле является вихревым , т.е. не имеющим источников его образования.

Тема 10. Вопрос 1.

Тема 10. Вопрос 2.

Магнитные силы.

Используя выражение для силы Ампера, найдем силу взаимодействия двух бесконечно длинных прямых проводников с токами I 1 и I 2 .

Мы рассматривали действие проводника с током I 1 на проводник с током I 2 . В соответствии с III законом Ньютона второй проводник действует на первый с такой же силой.

Тема 10. Вопрос 3.

Получение выражения для вращающего момента, действующего на контур с током в магнитном поле.

Учитывая векторный характер этих величин, можно записать общее выражение:

Тема 10. Вопрос 4.

Контур с током в магнитном поле.

Однородное поле.

Таким образом, во внешнемоднородном магнитном поле под действием магнитных сил:

1)свободно ориентированный контур с током будет поворачиваться до тех пор, пока плоскость контура не окажется перпендикулярной линиям индукции, т.е. пока магнитный момент не станет параллельным линиям индукции и

2)на контур будут действовать растягивающие силы.

Неоднородное поле.

В неоднородном магнитном поле кроме указанных выше сил, которые поворачивают и растягивают контур, появляется составляющая сил, которая стремится переместить контур. Если контур оказался ориентированным своим магнитным моментом по полю (как на рисунке), то составляющая силы F 1 будет растягивать контур, а составляющая F 2 будет втягивать контур в область более сильного поля. Если контур окажется в поле таким образом, что его магнитный момент будет направлен против поля, это положение контура будет неустойчивым. Контур развернется по полю, и будет втягиваться в область более сильного поля.

Приведем выражение для силы, действующей на контур с током в неоднородном магнитном поле, индукция которого изменяется только по одной координате х .

Тема 10. Вопрос 5.

Без сомнения, всем в детстве нравилось играться с магнитом. Раздобыть постоянный магнит было очень просто: для этого нужно было найти старую колонку, извлечь из нее звуковоспроизводящий динамик и, после несложных «вандальных действий», достать из нее кольцевой магнит. Неудивительно, что многие проводили опыт с металлическим опилками и листом бумаги. Опилки располагались полосами - вдоль линий напряженности поля.

В электротехнике намного большее распространение получили не постоянные, а электромагниты. Из курса физики известно, что при протекании электрического тока по проводнику, вокруг последнего создается магнитное поле, величина которого непосредственно связана с действующим значением тока.

Сомневающиеся могут повторить простейший опыт Эрстеда, когда рядом с прямолинейным проводником с током размещается компас. При этом стрелка будет отклоняться от географического северного полюса планеты (перпендикулярно проводу). Направление отклонения можно определить при помощи правила правой руки: размещаем правую руку параллельно проводнику ладонью вниз. 4 пальца должны указывать Тогда отогнутый на 90 градусов большой палец укажет сторону отклонения стрелки. Вокруг прямого провода магнитное поле имеет вид цилиндра с проводом посередине. А вот линии напряженности образуют кольца.

В электротехнике указанные используются, прежде всего, в катушках. Часто можно услышать выражение «магнитное поле соленоида». Представим себе обыкновенный гвоздь и тонкий провод в изоляции. Равномерно наматывая провод на гвоздь, получаем соленоид. В данном случае гвоздь влияет на магнитное поле соленоида, но это тема совершенно другой статьи. Важно понять, что именно понимают под термином. Если теперь подключить катушку к то вокруг нее возникнет магнитное поле.

Поля соленоида прямопропорциональна значению индуктивности и квадрату проходящего по виткам тока. В свою очередь, индуктивность зависит от квадрата числа витков. При этом нужно учитывать конструкцию обмотки: это может быть простой случай с одним слоем витков, а также многослойная структура, где направление тока в витках оказывает корректирующее действие на суммарную энергию. Соленоиды используются в схемах трамваев, режущих механизмов, контакторов и пр.

Магнитное поле соленоида представляет собой кольца, выходящие из одного конца обмотки и входящие в другой. Внутри катушки силовые линии не прерываются, а распространяются в диэлектрической среде или по проводящему сердечнику. Следствие: поле соленоида полярно. Линии выходят из магнитного северного полюса, а возвращаются в южный. Нетрудно догадаться, что магнитное поле соленоида зависит от полярности источника тока, подключенного к концам провода. Магнитные свойства соленоида практически совпадают с Это позволяет использовать соленоид в качестве электромагнита. На производстве можно увидеть краны, у которых вместо крюка размещен диск электромагнита. Это «большой брат» соленоида - обмотка на сердечнике. Особенность всех электромагнитов в том, что магнитные свойства существуют лишь при протекании тока по виткам.

Кроме соленоидов часто используются тороиды. Это те же самые витки провода, но намотанные на магнитопроводе круглой формы. Соответственно, магнитное поле соленоида и тороида различны. Главная особенность в том, что силовые линии распространяются по основе-магнитопроводу внутри самой катушки, а не вне ее, как в случае соленоида. Все это свидетельствует о более высоком КПД катушек на кольцевом магнитопроводящем материале. Следствие: надежны и обладают меньшими потерями, чем их привычные собратья.