Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Физика : электричество и магнетизм. Ч. II

Покупка
Артикул: 751974.01.99
Доступ онлайн
2 000 ₽
В корзину
Лабораторный практикум содержит описания экспериментальных работ по курсу «Электричество и магнетизм». Материал представлен в объеме, достаточном для самостоятельной подготовки к допуску, практическому выполнению, обработки экспериментальных данных и теоретической защиты работ. Предназначен для студентов всех направлений подготовки, обучающихся на кафедре физики.
Физика : электричество и магнетизм. Ч. II : лабораторный практикум / Л. Н. Экономова, Л. В. Мудрецова, И. И. Логачёв, Р. З. Муратов ; под. ред. Е. Б. Черепецкой. - Москва : Изд. Дом МИСиС, 2015. - 110 с. - ISBN 978-5-87623-878-8. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1227287 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
№ 2520           министерство образования и науки рф
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
     «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»


  Кафедра физики








                Физика




  Электричество и магнетизм

  Лабораторный практикум

  Под редакцией профессора Е.Б. Черепецкой



   Рекомендовано учебно-методической комиссией в качестве учебного пособия для студентов направления подготовки (специальности) «Физические процессы горного или нефтегазового производства»




Москва 2015

УДК 537
    Ф50



Рецензенты:
д-р физ.-мат. наук, проф. Ю.К. Фетисов;
д-р техн. наук, проф. В.Л. Шкуратник

Авторы:
Л.Н. Экономова, Л.В. Мудрецова, И.И. Логачёв, Р.З. Муратов





Физика : электричество и магнетизм : лаб. практикум. Ч. II / Ф50 Л.Н. Экономова [и др.] ; под ред. Е.Б. Черепецкой. - М. : Изд. Дом МИСиС, 2015. - 110 с.
        ISBN 978-5-87623-878-8




         Лабораторный практикум содержит описания экспериментальных работ по курсу «Электричество и магнетизм». Материал представлен в объеме, достаточном для самостоятельной подготовки к допуску, практическому выполнению, обработки экспериментальных данных и теоретической защиты работ.
         Предназначен для студентов всех направлений подготовки, обучающихся на кафедре физики.

УДК 537



ISBN 978-5-87623-878-8

© Коллектив авторов, 2015

        СОДЕРЖАНИЕ


Предисловие................................................4
Тема. Электростатическое поле в вакууме....................6
  Лабораторная работа Э.1. Графическое моделирование электростатических полей.................................6
Тема. Проводники и диэлектрики в электрическом поле.......22
  Лабораторная работа Э.2. Определение диэлектрических проницаемостей различных веществ........................22
Тема. Магнитостатическое поле в вакууме...................40
  Лабораторная работа Э.3. Определение горизонтальной составляющей магнитного поля земли......................40
Тема. Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях.........................................51
  Лабораторная работа Э.4. Определение удельного заряда электрона...............................................51
Тема. Явление электромагнитной индукции...................65
  Лабораторная работа Э.5. Экспериментальный метод изучения магнитных полей различной конфигурации.........65
Тема. Нестационарные электромагнитные поля................77
  Лабораторная работа Э.6. Определение взаимных инуктивностей электропроводящих катушек.................77
Тема. Магнитостатическое поле в веществе..................89
  Лабораторная работа Э.7. Изучение магнитных свойств ферромагнетика..........................................89
Библиографический список.................................108
Приложение...............................................109

3

        ПРЕДИСЛОВИЕ

   В начале каждой работы изложены теоретические аспекты темы, которые необходимы для понимания физической сути выполняемой работы.
   Особое внимание уделено экспериментальному исследованию изучаемого явления: поставлена цель эксперимента и раскрыта его физическая идея; описана используемая аппаратура; даны рисунки и схемы; указаны способы наблюдений; приведена методика измерений; выведены расчетные формулы, необходимые для получения окончательного результата; изложен подробный поэтапный план проведения упражнения, требования по обработке результатов измерений и оценки их погрешности. В конце каждой работы приведены вопросы для самоконтроля знаний по данной теме.

Методические указания студентам для получения допуска к лабораторной работе
   I.   Внимание! График выполнения лабораторных работ индивидуален для каждого звена и его необходимо строго соблюдать в течение семестра.
   II.   Иметь тонкую тетрадь, в которой в соответствии с требованиями, изложенными в лабораторном практикуме к части I «Механика», подготовлено оформление для выполнения работы по графику заданий звеньев группы.
   III.  Подготовиться самостоятельно к выполнению работы. Для этого знать ответы на следующие вопросы:
   1. Цель работы и ее окончательный результат.
   2. Используемое в работе физическое явление и его суть.
   3.   Определения физических величин и законов, используемых при выполнении эксперимента.
   4.   Расчетные формулы и экспериментальные методы определения всех параметров в них входящих.
   5. Описание составных частей экспериментальной установки.
   6.   Приборы и устройства, необходимые для выполнения поставленной цели; их назначение.
   7. Понимание предложенных в упражнениях принципиальных схем.
   8.   Последовательность действий каждого лабораторного упражнения; их содержание и конечный результат.
   9.   Правила построения и оформления требуемых графиков по экспериментальным данным.


4

   10.   Оценка случайных абсолютной и относительной ошибок экспериментов. Правила округления среднего результата в соответствии с погрешностью опыта. Представление окончательных результатов, полученных в лабораторной работе.

5

        Тема. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ В ВАКУУМЕ

Лабораторная работа Э.1

Графическое моделирование электростатических полей

        1.1. Цель работы

   Для постоянных электрических полей, созданных различными конфигурациями распределений зарядов, произвести экспериментальное графическое построение эквипотенциальных линий и восстановить по их виду карты силовых линий.

        1.2. Теоретическое введение

   Электрический заряд. Закон Кулона. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции
   Электрический заряд является физической величиной, характеризующей интенсивность электромагнитного взаимодействия.
   В природе существует два вида электрических зарядов, условно названных «положительными» и «отрицательными». Причем одноименные заряды отталкиваются, разноименные - притягиваются друг к другу.
   Единица измерения заряда - кулон; его размерность [ q ] = А-с = Кл.
   Все заряды кратны элементарному. Наименьшим по величине (элементарным) зарядом является заряд электрона, модуль которого равен заряду протона:
|-е| = + р = 1,6-10 '" Кл.
   Протоны и электроны входят в состав атомов любого вещества. В атоме алгебраическая сумма зарядов равна нулю, т.е. атомы нейтральны. Любая электрически нейтральная система содержит одинаковое количество зарядов разных знаков (положительных и отрицательных).
   Заряд системы равен сумме зарядов, составляющих систему: Q=Е q. i

6

   Для описания физических явлений, происходящих с заряженными телами, обычно рассматривают две модели.
   I. Модель точечного заряда, в которой размерами заряда q можно пренебречь по сравнению с расстояниями до других заряженных тел или до заданной точки пространства.
   Точечные заряды q ₁ и q ₂ взаимодействуют между собой с силой F, которая описывается экспериментально полученным законом Кулона:


1 qi q 2 r 4ле₀е r² r ’

(1.1)



где I — I - единичный вектор, который указывает направление век    У r )
    тора силы F, здесь r - расстояние между зарядами;
    е₀= 8,85-10⁻¹² Кл² /(Н-м²) - электрическая постоянная в СИ,
    а       9-109 Н-м²/Кл²;
      4ле₀
    е > 1 - диэлектрическая проницаемость среды, причем в воздухе и в вакууме е = 1.
   Закон Кулона (1.1) позволяет найти и величину, и направление силы, действующей со стороны одного заряда на другой. Пусть сила F₁₂ действует со стороны заряда 2 на заряд 1, как показано, например, на рис. 1.1.


Рис. 1.1

   Тогда в законе (1.1) вектор f = r₂ и направлен от заряда 2 к заряду
1. Учитывая это, из закона (1.1) получаем: при совпадении направле

7

ния вектора F₂ с направлением ^₂, когда [(±q1) ■ (±q₂)] > 0, одноименные заряды отталкиваются (рис. 1.1, a) и разноименные заряды [(±q 1) • (+q₂)] < 0 притягиваются (рис. 1.1, б), поскольку направление вектора F₂ противоположно направлению г1₂.
   Опыт показывает, что взаимодействие зарядов осуществляется на расстоянии без непосредственного контакта. Поэтому в классической физике для описания действия одних зарядов на другие используют модель электрического поля, которое существует вокруг каждого заряда. Векторным полем (гравитационным, электрическим, магнитным) считают некоторую область пространства, в каждой точке М которого задан определенный вектор A(М) : сила тяжести F(г), напряженность E(г) или магнитная индукция B(г) .
   Для обнаружения и изучения электрического поля можно использовать пробный заряд q', который помещают в любую точку электрического поля, созданного зарядом q , считающимся источником поля.
   По величине силы F, действующей на пробный заряд q', судят об «интенсивности» или «величине» поля. Если использовать пробные заряды разной величины, то и величины сил, действующих на них в одной и той же точке поля, будут отличаться. Однако отно-\
        F 1.................
        — I одинаково в данной точке, не зависит от величины вно
симого заряда q', а значит, характеризует само поле. Эта векторная (силовая) характеристика, равная

—*
E = F;. q

(1.2)

называется напряженностью электрического поля. Напряженность - основная силовая характеристика электрического поля.
   Напряженность равна отношению силы, действующей на пробный заряд, помещенный в данную точку электрического поля, к величине этого заряда.
   Определение (1.2) можно трактовать и так: напряженность в любой точке электрического поля по величине и направлению совпадает с силой, действующей на единичный положительный (q' =+1 Кл) заряд, помещенный в данную точку поля.

8

   Напряженность - векторная величина. Ее размерность из определения (1.2) - [ Е ]= Н/Кл.
   Из равенств (1.1) и (1.2) следует, что в вакууме напряженность поля, созданного точечным зарядом q на расстоянии r от него, равна

Е = q          r' 4лв₀ r² r

(1.3)

   Поля, созданные неподвижными зарядами, называются электростатическими. Физические параметры (напряженность, потенциал), описывающие такие поля, не зависят от времени, но могут меняться по величине и направлению от точки к точке пространства.
   Заметим, если во всех точках некоторой области пространства вектор напряженности электрического поля остается постоянным Е (г) = const, т.е. сохраняет неизменным свое направление и абсолютную величину, то в этой области пространства электростатическое поле является однородным.
   Если электрическое поле создано системой нескольких электрических зарядов, то в любой точке пространства происходит суперпозиция (наложение) полей, создаваемых каждым зарядом в отдельности. Этот закон называется принципом суперпозиции полей.
   Для напряженности принцип суперпозиции гласит: напряженность электрического поля, создаваемая системой зарядов, равна векторной сумме напряженностей полей Eₜ, создаваемых каждым зарядом в отдельности, т.е.
Е = £ Ei .                        (1.4)
i

   Электрические поля могут создаваться не только точечными зарядами, но и заряженными телами. При этом используют другую модель.
   II. Модель непрерывного распределения заряда по отрезку, поверхности или объему.
   Для этой модели распределение зарядов характеризуют величинами его линейной - т, поверхностной - ст или объемной - р плотностями, которые соответственно равны

dq       dq       dq
т = — ; ст = —; р = —.
dl       dS       dV

(1.5)

   Для такой модели выражение (1.3) будет иметь вид

9

dE = dq r = p dV r 4ne₀r² r        4ne₀r² r


а принцип суперпозиции должен использоваться в виде


E = i J dEₓ + j J dEy + k J dEz,


(1.6)

где E = JE²X + Ey + E².

(Метод решения задан с помощью принципа суперпозиции и примеры решений изложены в теме 1 [5].)


   Теорема Гаусса. Iуравнение Максвелла для электростатического поля
   Для электростатического поля выполняется теорема Гаусса [1-3], которая записывается так:

                      f (EdS) = - £ q..                    (1.7)
s       so i
   Теорема (1.7) гласит: поток вектора [5] напряженности через любую замкнутую (кружок на знаке интеграла) поверхность S равен алгебраической сумме зарядов, заключенных внутри этой поверхности, деленной на е₀. Если зарядов внутри поверхности Гаусса нет, то
ф (ЕdS) = 0.
                         S
   Заметим, что для электростатического поля в вакууме, созданного телом, равномерно заряженным с объемной плотностью р, теорема Гаусса (1.7) запишется так:

ф (ЕdS) = — jp dV.                   (1.8)
                      S        S0 VS
   Интеграл справа от знака равенства представляет заряд, заключенный в объеме VS, который ограничен замкнутой поверхностью Гаусса S.
   Равенство (1.8) является I уравнением Максвелла для электростатического поля. Его физический смысл: электрические поля создаются электрическими зарядами (покоящимися и движущимися). То есть в при

10

роде существуют источники электрического поля в виде электрических зарядов, которые создают потоки электростатического поля.
(Метод решения задан с помощью теоремы Гаусса и примеры решений изложены в теме 2 [5].)


   IIуравнение Максвелла для электростатического поля
   Предположим, что пробный заряд q' перемещается из точки 1 в точку 2 по криволинейной траектории в поле неподвижного точечного заряда q, который является источником поля (рис. 1.2).

Рис. 1.2

   Поскольку в любой точке на пробный заряд действует сила F (1.1), то при таком перемещении будет совершаться работа

2         2
A₁₂ ⁼ f (Fdl j = ЦF| • |dl| • cos a,


где dl - бесконечно малое перемещение;
    a - угол между векторами силы F и перемещения dl (см. рис. 1.2);
    |df| cos a = \dr\ - бесконечно малое приращение радиус-вектора заряда q'.
    Используя выражение (1.1), получаем

A _? qq' dr
  ¹²    4ns₀ r'
r1    ⁰

qq' । 1     1
4tcss₀ r1 r₂

(1.9)

11

Доступ онлайн
2 000 ₽
В корзину