Электрический ток в металлах Астрономия квантовая механика электромагнитная индукция Магнитные моменты атомов Особенности структуры электронных уровней в сложных атомах

Учебник физики Примеры решения задач и лабораторных работ

Гармонические колебания (механические и электромагнитные) и их характеристики. Дифференциальное уравнение гармонических колебаний. Математический, физический маятники. Электрический колебательный контур. Энергия гармонических колебаний. Сложение гармонических колебаний одного направления и одинаковой часто ты. Биения. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний. Диф ференциальное уравнение затухающих колебаний (механических и электромагнитных) и его решение. Апериодический процесс. Диффе ренциальное уравнение вынужденных колебаний, (механических и электромагнитных) и его решение. Амплитуда и фаза вынужденных колебаний. Случай резонанса.

Лабораторная работа 230

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

 Теоретическая часть

I. Элементы земного магнетизма. Земля представляет собой огромный шаровой магнит. В любой точке пространства, окружающего Землю, и на ее поверхности обнаруживается действие магнитных сил, т.е. создается магнитное поле, которое подобно полю магнитного диполя “ав” помещенного в центре Земли (рис.I). Магнитные полюса Земли лежат вблизи географических полюсов:

вблизи северного географического полюса С расположен южный магнитный S, а вблизи южного географического Ю " северный магнитный N. Магнитное поле Земли на магнитном экваторе направлено горизонтально (точка В), а у магнитных полюсов - вертикально (точка А). В остальных точках земной по- верхности магнитное поле Земли поправлено под некоторым углом к поверхности (точка К). Убедиться в существовании магнитного поля Земли можно с помощью магнитной стрелки. Если подвесить стрелку на нити так,

Рис.1

чтобы точка подвеса совпадала с центром тяжести, то она установится по направлению касательной к силовой линии магнитного поля Земли.

 Вертикальная плоскость, в которой располагается стрелка, называется плоскостью магнитного меридиана. Все плоскости магнитных меридианов пересекаются по прямой NS, а следы магнитных меридианов на поверхности Земли сходятся в магнитных полюсах N и S. Угол, образованный плоскостями магнитного и географического меридианов называется углом склонения (на рис.1 - угол β). Угол, образованный направлением магнитного поля Земли и горизонтальной плоскостью, называется углом наклонения (на рис.2 – угол α).

Вектор напряженности магнитного поля Земли  можно разложить на две составляющие: горизонтальную  и вертикальную . На рис.2 показано положение магнитной стрелки NS подвешенной на нити L в магнитном поле Земли. Направление северного конца N стрелки совпадает с направлением напряженности магнитного поля Земли. Плоскость чертежа совпадает с плоскостью магнитного меридиана. Знание углов склонения и на-

клонения, а также горизонтальной составляющей  дает возможность определить величину и направление на­пряженности магнитного поля Земли в определенной точке поверхности. Горизонтальная составляющая ,

угол склонения β и угол наклонения α являются основными элементами земного магнетизма. С течением времени все элемента земного маг-нетизма, а также положение магнитных полюсов изменяются. Происхождение земного магнетизма в настоящее время до конца не выяснено. По последним гипотезам магнитное поле Земли связано с токами, циркулирующими по поверхности ядра Земли, а также с намагниченностью горных пород.

 2. Метод тангенс-гальванометра. Если магнитная стрелка может вращаться лишь вокруг вертикальной оси, то она будет устанавливаться под действием горизонтальной составляющей магнитного поля Земли

в плоскости магнитного меридиана. Это свойство магнитной стрелки ис­пользуется в тангенс-гальванометре. Рассмотрим круговой проводник из N витков, плотно прилегающих друг к другу, которые расположены вертикально в плоскости магнитного меридиана. В центре проводника поместим магнитную стрелку, способную поворачиваться вокруг вертикальной оси. Если по катушке пропустить ток I. то возникает магнитное поле с напряженностью  , пер­пендикулярной к плоскости витков катушки (рис.З). На магнитную стрелку N1 S1, в этом случае будут действовать два взаимно перпендикулярных магнитных поля: горизонтальная составляющая магнитного поля Земли  и магнитное поле тока . На рис.3 изображены сечения витка катушки (А и В) горизонтальной плоскостью. В сечении А ток направлен "из-за" плоскости чертежа перпендикулярно к ней. В сочетай В ток направлен за плоскость чертежа перпендикулярно к ней. Пунктирные кривые выражают силовые линии магнитного поля тока. Стрелкой NS показано направление магнитного меридиана.

Рис.З


 Магнитная стрелка N1 S1 устанавливается по направлению равнодействующей , т.е. по диагонали параллелограмма, сторонами которого является вектор напряженности магнитного поля кругового тока в центре витка  и горизонтальная составляющая магнитного поля земли .

 

 Н=Н0 tgα. (1)

С другой стороны, напряженность магнитного поля в центре катушки из N витков в системе СИ равна

  H=, (2)


где R - радиус витка.

Следовательно,

 , откуда

 , (3)

Вывод формулы (2) с использованием закона Био-Савара-Лапласа приво­дится ниже.

3. Закон Био-Савара-Лапласа. Закон позволяет определять индукцию магнитного поля, созданного элементом, проводника с током. В системе СИ закон записывается так:

, (4)

^•ъ.

где  - вектор магнитной индукции в некоторой точке поля; - вектор, численно равный длине  элемента проводника, совпадает по направлению с током;  - радиус-вектор, проведенный из элемента проводника в рассматриваемую точку поля; r - модуль радиуса-вектора; - магнитная постоянная;  - магнитная проницаемость среды.

Из уравнения (4) следует, что вектор магнитной индукции  в точке

С магнитного поля направлен перпендикулярно. к плоскости, в которой лежат векторы  и , так что из конца вектора  поворот вектора   до совмещения с вектором  (по кратчайшему пути) виден происходящим против часовой стрелки (рис.4).

Зная, что модуль векторного произве­дения  равен  найдем численное значение вектора магнитной индукции

.


 

 С помощью закона Био-Савара-Лапласа можно вычислить индукцию и на-пряженность в любой точке магнитного поля, создаваемого электрическим током. В основе этих расчетов лежит принцип суперпозиции магнитных полей, т.е. принцип независимого действия полей, который применительно к магнитному полю сводится к следующему: индукция  в каждой точке магнитного поля любого проводника с током представляет собой векторную сумму индукций  магнитных полей, создаваемых каждым элементарным участком  этого проводника.

4. Магнитное поле кругового тока. Основываясь на законе Био-Савара-Лапласа, найдем индукцию и напряженность магнитного поля в центре 0 кругового витка радиусом R, по которому течет ток I (рис.5). Выделим элемент проводника длиной . Согласно закону Био-Савара-Лапласа магнитная индукция  поля, создаваемого элементом  в точке 0, будет равна

.

В рассматриваемом случае радиус-вектор  перпендикулярен к элементу тока  и по абсолютной величине равен радиусу витка R, т.е.

 и  поэтому

  (5)

Все векторы  магнитных полей, создаваемых в точке 0 различными участками  кругового витка с током направлены перпендикулярно к плоскости чертежа "от нас". Следовательно, вектор индукции суммарного поля , создаваемого всеми элементами вятка, будет направлен так же. Для нахождения численного значения вектора  нужно просуммировать значения  (5) по всей длине проводника, т.е. взять интеграл 

 

Зная, что напряженность магнитного поля связана с индукцией соотно­шением

найдем напряженность магнитного поля в центре кругового тока

Если вместо одного витка с током взять N витков достаточно большого радиуса, то напряженность будет в N раз больше, т.е.

  .

Экспериментальная часть

 Описание установки. Тангенс-гальванометр представляет собой катушку. состоящую из N витков проводника, намотанного на узкое кольцо из немагнитного материала радиусом R . Катушка укреплена на треножной подставке, на ней же крепится вращающийся столик с градусной шкалой и магнитной стрелкой. Шкала и стрелка находятся под стеклянным колпаком, чтобы устранить влияние воздушных течений на магнитную стрелку. Стеклянный колпак в процессе работа не снимать!

Порядок выполнения работы: I. Собирают электрическую цепь по схеме (рис. 6), где к клеммам I и 2 переключателя П подключены последовательно соединенные: миллиамперметр на 150 мА, источник постоянного тока Е , потенциометр R. К клеммам 5 и 6 присоединен тангенс-гальванометр. Переключатель П позволяет изменить направление тока, текущего через тангенс-гальванометр, не изменяя при этом направления тока в миллиамперметре.

2. При разомкнутой цепи (ручка переключателя П при этой должна быть в вертикальном положении) поворачивают тангенс-гальванометр вместе с подставкой так, чтобы плоскость витков тангенс-гальванометра стала параллельна магнитной стрелке. Затем поворотом столика до­биваются совпадения концов стрелки с нулевыми делениями шкалы.

 3. Переключатель П замыкают на клеммы 5 и 6 и потенциометром R устанавливают значение силы тока 30 мА , магнитная стрелка при этом отклоняется. После того, как стрелка перестанет колебаться, фиксируют величину угла поворота .

4. Изменяют направление тока на противоположное. Для этого пе­реключатель П ставят в положение 3-4 при том же значении силы тока. Вновь определяют угол отклонения стрелки .

Примечание. Надо следить за тем, чтобы показание миллиамперметра при изменении направления тока оставалось неизменным. Находят

среднее значение угла .

5. Оставив переключатель П в положении 3-4, увеличивают силу тока на 15 мА и измеряют угол отклонения стрелки , затем переводят переключатель в положение 5-6 и измеряют угол . Измерения (пп.3,4,5) повторяют при других значениях тока. указанных в таблице результатов измерений.

Таблица результатов измерений

п/п

I

(мА)

(град)

,

(град)

(град)

Н0

(А/м)

Носр.

(А/м)

Нт

(А/м)

1

2

3

4

5

6. Вычисляют Н0 для всех значений токов по формуле

  А/м

где для данной установки N =45 витков, R = 0.18 м.

7. Вычисляют относительную ошибку измерений по формуле

где - теоретическое значение напряженности. =0,2 эрстед (I эрстед = 79,6 А/м). 

 По окончании измерений источник тока отсоединить!

Контрольные вопросы

 1. Элементы земного магнетизма.

2. Закон Био-Савара-Лапласа.

3. Вывод формулы для вычисления напряженности магнитного поля в центре кругового тока.

4. Описать установку и объяснить методику определения горизон­тальной составляющей магнитного поля Земли.

 Список литературы

1. Д е т л а ф А. А... Яворский Б.М. 10грс физики, т.2. М.: Высшая школа, 1977.

2. С а в е л ь е в И. В. Курс общей физики, т.2. М: Наука. 1978.

3. К о р т н е в А. В. Практикум по физике. М.: Высшая школа, 1965.

4. М а й с о в а Н. Н. Практикум по курсу общей физики. М.:

Ознакомиться с основами теории Максвелла, свойствами электромагнитных волн и механизмом распространения электромагнитных волн в двухпроводной линии

Магнетизм - раздел физики, изучающий взаимодействие между электрическими токами, между токами и магнитами (телами с магнитным моментом) и между магнитами.

Взаимодействие двух параллельных проводников с током. Законы Био – Савара – Лапласа и Ампера применяются для определения силы взаимодействия двух параллельных проводников с током.

Поток вектора магнитной индукции. Теорема Гаусса для магнитного поля.

ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ И ТЕРМОДИНАМИКИ

ПОЯСНЕНИЯ К РАБОЧЕЙ ПРОГРАММЕ

Приступая к изучению раздела «Основы молекулярной физики и термодинамики», студенты должны уяснить, что существуют два качественно различных и взаимодополняющих метода исследования физических свойств макроскопических систем — статистический (молекулярно-кинетический)  и термодинамический. Молекулярно-кинетический метод исследования лежит в основе молекулярной физики, термодинамический — в основе термодинамики. Молекулярно-кинетическая теория является важнейшей теорией, которая позволяет с единой точки зрения рассмотреть самые различные явления во всех состояниях вещества, вскрыть физическую сущность этих явлений и теоретическим путем вывести многочисленные закономерности, от крытые экспериментально и имеющие большое практическое зна чение.

При изучении молекулярно-кинетической теории следует уяснить, что свойства огромной совокупности молекул отличны от свойств каждой отдельной молекулы и свойства макроскопической системы и конечном счете определяются свойствами частиц системы, особен ностями их движения и средними значениями кинематических ха рактеристик частиц, т. е. их скоростей, энергий и т. д.

В отличие от молекулярно-кинетической теории термодинамика не изучает конкретно молекулярные взаимодействия, происходящие с отдельными атомами или молекулами, а рассматривает взаимопре вращения и связь различных видов энергии, теплоты и работы. Термодинамика базируется на двух опытных законах (началах), кото рые позволяют описывать физические явления, связанные с превращением энергии макроскопическим путем.

При изучении основ термодинамики студент должен четко усвоить такие понятия, как термодинамическая система, термодинамические параметры (параметры состояния), равновесное состояние, уравнение состояния, термодинамический процесс, внутренняя энергия, энтропия и т. д.

Контрольная работа № 2 построена таким образом, что она дает возможность проверить знания студентов по основным вопросам данного раздела.

В задачах на тему «Основы молекулярно-кинетической теории» внимание уделено таким вопросам программы, как уравнение Клапейрона-Менделеева, уравнение молекулярно-кинетической теории, средние кинетические энергии поступательного и вращательного движения молекул, средняя длина свободного пробега и среднее число соударений, явления переноса.

Задачи по теме «Основы термодинамики» охватывают  такие важные соотношения и понятия, как первое начало термодинамики, внутренняя энергия, работа при различных изопроцессах и адиабатном процессе. Включены также задачи, которые позволяют изучить и понять такие вопросы, как второе начало термодинамики и энтропия идеального газа, являющаяся в отличие от количества теплоты функцией состояния. В работе представлены задачи на определение КПД цикла Карно, изменение энтропии, на уравнение Ван-дер-Ваальса, которое объясняет отличие свойств реальных газов от идеальных.

Основные законы и формулы:

Количество вещества  v=N/NA или v=m/M

Уравнение Клапейрона-Менделеева (уравнение состояния идеального газа)

pV=(m/M)RT

Закон Дальтона p=p1+p2+….+pn

Концентрация молекул n=N/V=NAρ/M

Уравнение молекулярно-кинетической теории газов  p=1/3 nm0<vкв>2=2/3n<εпост>=nkt

Средняя кинетическая энергия молекулы <ε>=ikT/2

Внутренняя энергия идеального газа U=imRT/(2M)

Скорости молекул:

средняя квадратичная <v>=

 vB=

средняя арифметическая <vкв>=

Средняя длина свободного пробега молекулы <λ>=

Магнитные моменты атомов. Намагниченность. Типы магнети ков Элементарная теория диа- и парамагнетизма. Магнитная воспри имчивость вещества. Напряженность магнитного поля. Магнитная проницаемость среды. Ферромагнетики. Кривая Механизм образования механических волн в упругой среде. Продольные и поперечные волны. Уравнение бегущей волны. Волно вое уравнение. Фазовая скорость и дисперсия волн. Энергия волны. Принцип суперпозиции волн. Групповая скорость. Когерентность. Интерференция воли. Образование стоячих волн. Уравнение стоячей волны и его анализ.
Теория Максвелла для электромагнитного поля