Вивчення явища електромагнітної індукції

Теоретичні відомості

Явище електромагнітної індукції було відкрите у 1831 р. М.Фарадеєм. Фізична суть цього явища описана в пункті 5.8. Згідно з законом Фарадея (5.34) електрорушійна сила, яка виникає в провідному контурі, пропорційна швидкості зміни магнітного потоку, що пронизує цей контур. У випадку складного контуру, що складається з N однакових послідовно з'єднаних простих контурів (витків) результуюча електрорушійна сила ЕРС визначається за формулою

, або ,

де - повний магнітний потік, зчеплений з контуром (потокозчеплення). Якщо опір контуру R, то за законом Ома (3.14) індукційний струм в контурі

. (5.40)

Підставивши в ліву частину цієї формули вираз для струму , отримаємо:

.

Проінтегруємо ліву і праву частини цього виразу

,

де і - початкове і кінцеве значення повного магнітного потоку, зчепленого з контуром. Після інтегрування отримаємо:

(5.41)

У даній роботі вивчення явища електромагнітної індукції здійснюється шляхом перевірки співвідношення (5.41) на основі незалежного визначення дослідним шляхом зміни повного магнітного потоку , а також вимірювання величини електричного заряду, що протікає у цьому випадку в контурі при заданому опорі контуру R. Електрична схема даної лабораторної роботи зображена на рисунку 5.13.

Рис.5.13   Рис.5.13

Зміна магнітного потоку у вимірювальній котушці досягається за рахунок зміни напряму струму І через первинну котушку (див. Рис. 5.13). Обидві котушки намотані на спільний циліндричний каркас. Зміна повного магнітного потоку у вимірювальній котушці

= 2 N₂ B S, (5.42)

де N₂ – число витків вторинної котушки; В – індукція магнітного поля всередині котушок; s – площа перерізу котушок; ; d – діаметр котушок. Індукція магнітного поля в первинній котушці визначається за формулою

,

де = 4 π 10^-7 Гн/м; N₁ – число витків у первинній котушці – довжина первинної котушки. Підставивши цей вираз у (5.42) отримаємо:

. (5.43)

Oпip R контуру вимірювальної котушки складається з послідовно з’єднаних опорів: вимірювальної котушки R₂, додаткового опору R_дод i балістичного гальванометра R_г:

R = R₂ + R_дод + R_г. (5.44)

Величина електричного заряду q, що протікає в контурі вимірювальної котушки при зміні повного магнітного потоку на величину , визначається за допомогою балістичного гальванометра Г, який необхідно попередньо проградуювати, тобто визначити ціну поділки його шкали.

Для балістичного гальванометра максимальне відхилення світлового зайчика на шкалі n_мах пропорційне до заряду q, що протікає через гальванометр:

q = k n_max, (5.45)

де k – ціна поділки шкали гальванометра.

Ціна поділки шкали балістичного гальванометраГ визначається так:

a) зарядивши конденсатор заданої електроємності С до напруги U

(напруга вимірюється вольтметром V), за формулою

q _c = CU (5.46)

визначаємо заряд q_c, наданий конденсатору.

b) розряджаючи конденсатор С через балістичний гальванометр Г, визначаємо максимальну величину відхилення світлового зайчика на шкалі гальванометра .

Оскільки гальванометр Г при цьому шунтується опором R_ш, фактич­на величина заряду, який протікає через балістичний гальванометр

, (5.47)

або з врахуванням (5.46)

. (5.48)

Оскільки

,

то ціна поділки шкали балістичного гальванометраз врахуванням (5.46)

. (5.49)

Порядок виконання роботи

1. Вивчити монтаж електричної схеми до даної лабораторної роботи згідно з рисунком 5.13.

2. Використовуючи перемикач П₂, зарядити конденсатор С. Вольтметром V виміряти напругу U- на обкладках конденсатора.

3. Використовуючи перемикач П₂, розрядити конденсатор С через балістичний гальванометр Г, попередньо під’єднавши гальванометр до розетки " Град". За шкалою балістичного гальванометра визначити макси­мальне відхилення світлового зайчика . Вимірювання, вказані в п. 2, 3, виконати тричі.

4. Обчислити ціну поділки k, шкали гальванометра за формулою(5.49).Результати вимірювань i обчислень записати в табл. 1.

5. Переключити гальванометр до розетки “Вимір”. Використовуючи перемикач П₁ і, замкнувши вимикач К, пропустити струм через первинну котушку W₁. Величину струму I визначити за допомогою ам­перметра А.

6. Перемикачем П₁ змінити напрям струму в первинній котушці на зворотний. На шкалі балістичного гальванометра визначити максимальне відхилення світлового зайчика n_max Вказані в п. 5, 6 вимірювання виконати тричі, змінюючи за допомогою реостата силу струму І, а в коло гальванометра вмикаючи по черзі перемикачем П₃ один з трьох додаткових onopiв R _дод. Результати вимірювань записати в табл. 2.

7. За формулою (5.45) обчислити значення q i результати обчислень записати в табл. 3.

8. За формулами (5.43) і (5.44) відповідно обчислити тричі значення величин і R, визначити величини . Результати обчислень записати в табл. 3. На основі отриманих результатів перевірити для кожного з трьох вимірювань правильність співвідношення (5.41).

Контрольні запитання

1. Суть явища електромагнітної індукції.

2. Від чого залежить індукція магнітного поля В всередині довгої котушки?

3. Вивести формулу для обчислення заряду, що протікає в контурі вимірювальної котушки при зміні напряму струму в первинній котушці.

Таблиця I

С, (Ф)	U, (B)	Rг, (Ом)	Rш, (Ом)	, (под.)	k, Кл/под
Середнє значення k

Таблиця 2

Перевірка співвідношення q = .

Таблиця 3

q, (Кл)	, (Вб/Ом)