Физика : электричество и магнетизм. Ч. II
Покупка
Тематика:
Электричество и магнетизм. Физика плазмы
Издательство:
Издательский Дом НИТУ «МИСиС»
Авторы:
Экономова Людмила Николаевна, Мудрецова Людмила Вячеславовна, Логачев Игорь Иванович, Муратов Родэс Зинятович
Под ред.:
Черепецкая Елена Борисовна
Год издания: 2015
Кол-во страниц: 110
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-87623-878-8
Артикул: 751974.01.99
Доступ онлайн
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.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 03.03.01: Прикладные математика и физика
- 13.03.02: Электроэнергетика и электротехника
- ВО - Магистратура
- 03.04.02: Физика
ГРНТИ:
Скопировать запись
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
В корзину