- •Электричество и магнетизм
- •Введение
- •Правила техники безопасности при работе с электрическими приборами и схемами
- •Основные электроизмерительные приборы физической лаборатории
- •Определение диэлектрической проницаемости твердого диэлектрика
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы
- •Перепишем соотношение (2.7) в виде
- •Так как объемная плотность энергии электрического поля
- •Экспериментальная часть
- •Методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Определение емкости конденсаторов при помощи мостиковой схемы
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы
- •1. Что такое ёмкость уединённого проводника? От чего она зависит? в каких единицах измеряется?
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Определение удельного сопротивления проводника
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов измерений
- •Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Электростатика
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Описание установки и методика эксперимента
- •Зарядка установки
- •Методика определения ёмкости установки
- •Методика определения ёмкости проводника (шара)
- •Порядок выполнения работы
- •Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы
- •1. Как можно зарядить диэлектрическое тело?
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Методика измерений
- •Экспериментальная установка
- •Порядок выполнения работы
- •Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Изучение зависимости мощности и кпд источника тока от величины нагрузки
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Проверка закона Био-Савара-Лапласа и определение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Экспериментальная установка и методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов измерений
- •Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Изучение магнитного поля короткой катушки
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Методика измерений
- •Экспериментальная установка
- •Порядок выполнения работы
- •Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная установка №1
- •Методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Экспериментальная установка №2
- •Методика измерений
- •Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Порядок выполнения работы
- •Экспериментальная часть
- •Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Экспериментальная установка и методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Изучение электрических процессов в простых линейных цепях при действии гармонической электродвижущей силы (фпэ-09)
- •Теоретическое введение
- •Методика измерений
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Изучение эффекта Холла в полупроводнике
- •Теоретическое введение
- •Измерительная установка и методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •1. Диамагнетики
- •2. Парамагнетики
- •3. Ферромагнетики
- •4. Ферримагнетизм
- •Приборы и оборудование: звуковой генератор гз-118 (pq), электронный осциллограф с1-150 (ро), модуль “явление гистерезиса” фпэ–07. Экспериментальная установка и методика измерений
- •Из выражений (16.22) и (16.23) получаем
- •Порядок выполнения работы
- •Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы
1. В чём состоит эффект Холла?
2. Как объясняется эффект Холла?
3. Почему в пластинке,
по которой течёт ток, возникает
дополнительное электрическое
поле
,
если пластинку поместить в магнитное
поле
,
перпендикулярное току?
4. Как ориентирован
вектор напряжённости поля
относительно вектора плотности тока
и индукции магнитного поля
?
Нарисуйте эти векторы для двух случаев:
1) носители тока – электроны, 2) носители
заряда – дырки.
5. Изменится ли
направление вектора
,
если изменить направление магнитного
поля
на противоположное? Если изменить
направление тока на противоположное?
Если взять образец с носителями тока
противоположного знака?
6
.
Зачем в данной работе производят
измерения при двух противоположных
направлениях магнитного поля? Нельзя
ли добиться того же результата, изменяя
направление тока?
7. Что такое постоянная Холла?
Контрольные вопросы
В чем заключается эффект Холла?
Чем объясняется эффект Холла?
Чему равна и как направлена сила Лоренца?
Для каких целей практически используется эффект Холла?
Выведите формулу для Холловской разности потенциалов.
Как расположены эквипотенциальные поверхности при прохождении постоянного тока через образец: а) в отсутствие магнитного поля; в) при включенном магнитном поле?
Как исключается погрешность, связанная с несимметричностью контактов подключения миллиамперметра к образцу?
Что такое подвижность носителей тока? Какова её размерность?
Что такое постоянная Холла? Чему равна её размерность?
Как связана подвижность носителей тока с постоянной Холла? С удельной электропроводимостью?
Каков знак носителей тока в изучаемом образце?
Используемая литература
[1] §§ 23.1 – 23.3;
[2] §§ 14.2, 14.5;
[3] §§ 11.3 79;
[4] §§ 114, 117.
Лабораторная работа 2-16
Изучение гистерезиса ферромагнитных материалов (ФПЭ-07)
Цель работы – изучение гистерезиса ферромагнитных материалов, расчет и графическое построение основной кривой намагничивания, определение магнитной проницаемости, расчёт работы перемагничивания и коэрцитивной силы.
Теоретическое введение
Электрические
токи создают в окружающем пространстве
магнитное поле. Поле, в свою очередь,
действует на другие проводники с токами
(сила Ампера). Можно сказать, что токи
взаимодействуют посредством магнитного
поля: поле – материальный посредник в
таком взаимодействии. Силовая векторная
характеристика магнитного поля – это
магнитная индукция
.
М
агнитное
поле создают также любые намагниченные
тела, например постоянный магнит.
Магнитная стрелка компаса, взаимодействуя
с магнитным полем Земли, устанавливается
в этом поле параллельно линиям магнитной
индукции (рис. 16.1), указывая своим северным
концом (N)
на южный магнитный полюс Земли (S),
приблизительно совпадающий с географическим
Северным полюсом.
Намагниченные
тела, а также замкнутые витки с током
(рис. 16.2), обладают магнитным моментом
.
Магнитный момент витка равен
.
(16.1)
Здесь
– единичный
вектор нормали к контуру (
),
– площадь витка,
I
– сила тока.
Магнитный момент
– вектор,
направленный перпендикулярно плоскости
витка по правилу буравчика (правого
винта), если вращать буравчик по
направлению тока.
Механический
вращающий момент силы, действующий на
магнитную стрелку или виток с током,
пропорционален величине
:
,
(16.2)
где
α – угол между вектором магнитной
индукции и магнитным моментом
магнитной стрелки или витка (16.1). То же
самое можно записать в виде векторного
произведения:
.
(16.3)
Соотношение (16.2)
позволяет ввести определение магнитной
индукции
:величина
магнитной индукции в данной точке поля
численно равна максимальному вращающему
моменту силы, действующему на виток
(или магнитную стрелку) с единичным
магнитным моментом:
.
(16.4)
Магнитные свойства вещества в конечном итоге сводятся к наличию магнитных моментов у молекул, атомов, атомных ядер и электронов. Орбитальное движение электрона в атоме – это замкнутый виток с током (рис.16.3), обладающий магнитным моментом.
О
днако
магнитные свойства наиболее значимых
для нашей жизни материалов – ферромагнетиков
– определяются не орбитальным моментом
электрона, а его спиновым (собственным)
моментом
.
Можно считать, что каждый электрон –
это маленький магнитик. Однако
нельзя представлять электрон как
заряженный шарик, вращающийся вокруг
своей оси и поэтому имеющий механический
и магнитный моменты. Спин имеет не
классическую природу, а квантовую, и не
связан с движением электрона.
Спином обладают
многие частицы: у протона и нейтрона
спин, как у электрона, равен
,
а у фотона спин равен 1.
Спин – неотемлемое свойство электрона,
как его масса или заряд.
Полный магнитный
момент атома складывается из орбитальных
и спиновых
моментов всех
электронов и ядер. Моменты ядер малы
вследствие их большой массы; ими
пренебрегают.
Магнитные моменты электронов в атоме
складываются векторно, и результирующий
момент атома может оказаться нулевым,
если моменты отдельных электронов
компенсируют друг друга.
В ненамагниченном состоянии магнитные моменты атомов вещества ориентированы хаотично, и суммарный магнитный момент макроскопического объёма магнетика равен нулю. Намагничивание вещества во внешнем магнитном поле – это появление ненулевого суммарного магнитного момента у вещества. Суммарный магнитный момент единицы объема магнетика называется намагниченностью:
.
(16.5)
Здесь
–
магнитный момент i-того
атома (молекулы); суммирование идёт по
всем атомам в малом объёме
.
Размерность намагниченности:
.
Обозначим
индукцию магнитного поля в вакууме, в
отсутствие магнетика. Она создается
только макротоками (токами проводимости).
По определению, индукция магнитного
поля в вакууме связана с напряженностью
магнитного поля
формулой:
.
(16.6)
Напряженность
магнитного поля
– характеристика магнитного поля,
описывающая только поле макротоков.
Напряжённость
– вспомогательная характеристика
магнитного поля, аналогичная вектору
электростатического поля, который
описывает только поле свободных зарядов
и не зависит от наличия индуцированных
зарядов в диэлектрике. Величина
в (16.6) называется магнитной постоянной;
это константа системы единиц СИ.
Намагниченный
магнетик создаёт своё собственное
магнитное поле
,
накладывающееся на внешнее поле
.
По гипотезе Ампера, поле
создаётся молекулярными токами (термин
«молекулярные токи» не совсем удачен,
в дальнейшем будет использоваться
термин «микротоки»). Поле микротоков
пропорционально намагниченности:
.
(16.7)
Полная индукция поля в магнетике по принципу суперпозиции
,
(16.8)
или с учётом (16.6) и (16.7)
.
(16.9)
Для большинства магнетиков намагниченность пропорциональна напряжённости внешнего поля:
,
(16.10)
где
– магнитная восприимчивость вещества;
она безразмерна:
.
Магнитная
восприимчивость
может быть как положительной, так и
отрицательной величиной.
Полная индукция из (16.9) и (16.10):
.
Обозначим
,
(16.11)
тогда
.
(16.12)
Здесь
–
магнитная
проницаемость вещества.
Её смысл можно сформулировать так:
магнитная
проницаемость показывает, во сколько
раз индукция магнитного поля в веществе
больше, чем в вакууме
:
.
(16.13)
Магнитная проницаемость, как и восприимчивость, безразмерна:
.
Магнитная проницаемость вакуума, по определению, равна 1.
Формула связи индукции и напряжённости (16.12) работает не всегда, в общем случае эти векторы не параллельны; так что лучше использовать (16.9), откуда получим:
![]()
![]()
.
(16.14)
В зависимости от знака и величины магнитной восприимчивости все вещества делятся на три группы:
диамагнетики;
парамагнетики;
ферромагнетики.
