Název: Měření magnetického pole solenoidu

Transkript

1 Název: Měření magnetického pole solenoidu Autor: Mgr. Lucia Klimková Název školy: Gymnázium Jana Nerudy, škola hl. města Prahy Předmět (mezipředmětové vztahy) : Fyzika (Biologie) Tematický celek: Elektřina a magnetismus Ročník: 5. (3. ročník vyššího gymnázia) Popis - stručná anotace: Žák analyzuje magnetické pole kolem vodičů s proudem. Zviditelní magnetické indukční čáry kolem cívky s proudem a proměří její magnetické pole. Tento výukový materiál byl vytvořen v rámci projektu Přírodní vědy prakticky a v souvislostech inovace výuky přírodovědných předmětů na Gymnáziu Jana Nerudy (číslo projektu CZ.2.17/3.1.00/36047) financovaného z Operačního programu Praha - Adaptabilita.

2 Výukové materiály Pomůcky Zdroj stejnosměrného napětí, vodiče, odpor (může být např. žárovka), cívka na plexiskle, feromagnetické piliny, datalogger, sonda na měření velikosti magnetické indukce, délkové měřidlo Úkol Student analyzuje magnetické pole kolem vodiče s proudem pomocí magnetky. Změří magnetické pole kolem vodiče s proudem. Zviditelní magnetické indukční čáry kolem cívky s proudem a proměří její magnetické pole. Změří magnetickou indukci podél osy rovinné cívky. Teorie Magnetické pole můžeme vytvořit elektrickým proudem, neboli pohybujícím se nábojem. Magnetická indukce B tohoto magnetického pole se dá spočítat v jakémkoliv bodě. Umožňuje nám to Biotův-Savartův zákon. B= μ I 0 Pro dlouhý přímý vodič platí 2 π d, kde μ 0 je konstanta nazývaná permeabilita vakua neboli magnetická konstanta, jejíž hodnota je μ 0 =4 π 10 7 T m A 1, a d je kolmá vzdálenost bodu, ve kterém má být určena B, od vodiče. Cívce, kterou tvoří dlouhý vodič hustě navinutý na válcové ploše, se říká solenoid. Je charakterizován hustotou závitů N (počet závitů na jednotku délky). Magnetické pole l solenoidu je rovno superpozicí polí vytvořených jednotlivými závity. Směr magnetické indukce v ose solenoidu určíme podle pravidla pravé ruky: uchopíme-li solenoid do pravé ruky tak, že prsty směřují ve směru proudu v závitech, potom vztyčený palec ukazuje směr magnetického pole. Velikost magnetické indukce lze určit z Ampérova zákona celkového proudu B=μ 0 I N, kde N je počet závitů na jednotku délky. Velikost magnetické indukce se dá měřit teslametrem. Teslametr je založen na Hallově jevu. Postup práce 1. Proveďte Oerstedův pokus se střelkou kompasu. Použijte vodič s proudem. Do odvodu připojte kromě samotného vodiče i odpor R nebo žárovku. Nepřipojujte do zkratu. Zakreslete výsledek experimentu. 2. Sondou změřte velikost magnetického pole v místnosti a pak ve vzdálenostech d, 2d, 3d od vodiče s proudem. Zapište a porovnejte se vztahem uvedeným v teorii. 3. Pomocí feromagnetických pilin zviditelněte magnetické indukční čáry cívky na plexiskle. Posypte desku pilinami a zapněte elektrický obvod s cívkou do zkratu na malý okamžik. Bezprostředně po kontaktu přerušte spoj. Zakreslete a popište získaný obrazec. 4. Sondou změřte velikost magnetické indukce v ose cívky v jejím středu a na koncích. Výsledky porovnejte a vysvětlete.

3 Výukové materiály Výsledky měření 1. Zakreslete výsledek experimentu: 2. Zapište velikost magnetického pole v blízkosti vodiče a ve vzdálenostech d, 2d a 3d od vodiče. B 0 = 0,0019 mt I = 0,36 A vzdálenost vzdálenost vzdálenost d 1 = d od vodiče s proudem : B = 0,0225 mt d 2 = 2d od vodiče s proudem : B = 0,0121 mt d 3 = 3d od vodiče s proudem : B = 0,0082 mt 3. Porovnejte se vztahem uvedeným v teorii: B= I 0 2 d = ,36 2 d T m= 0, T m d d 1 = 0, m=0,0035m=0,35 cm d 2 = 0, m=0,0071m=0,71 cm d 3 = 0, m=0,0114m=1,14cm

4 Výukové materiály 4. Zakreslete a popište získaný obrazec. Pomocí pilin jsme zviditelnili siločáry magnetického pole. Vevnitř v cívce se vytvoří téměř ideální homogenní magnetické pole. 5. Velikost magnetické indukce v ose cívky v jejím středu: B = 0,482 mt na koncích: B = 0,317 mt Vysvětlete: Válcová cívka, kterou prochází proud, vytváří ve vnitřní části téměř ideální homogenní magnetické pole. Velikost vytvořeného magnetického pole (a tedy i magnetická indukce) je největší uvnitř v ose cívky a s rostoucí vzdáleností od cívky klesá. Příklady k dané problematice 1. Příklad střelka kompasu: Sbírka řešených úloh z fyziky 2. Příklad magnetické pole solenoidu: Sbírka řešených úloh z fyziky Literatura [1] D. Halliday, R. Resnick, J. Walker Fyzika, Vysoké učení technické v Brně Nakladatelství PROMETHEUS Praha, 2000 [2] VŠCHT; vscht.cz: Ústav fyziky a měřící techniky Dostupný z

5 Měření magnetického pole solenoidu Laboratorní práce č. Vypracoval: Třída, školní rok: Spolupracoval: Pracovní list pro žáka Pomůcky Zdroj stejnosměrného napětí, vodiče, odpor (může být např. žárovka), cívka na plexiskle, feromagnetické piliny, datalogger, sonda na měření velikosti magnetické indukce, délkové měřidlo Úkol Student analyzuje magnetické pole kolem vodiče s proudem pomocí magnetky. Změří magnetické pole kolem vodiče s proudem. Zviditelní magnetické indukční čáry kolem cívky s proudem a proměří její magnetické pole. Změří magnetickou indukci podél osy rovinné cívky. Teorie Magnetické pole můžeme vytvořit elektrickým proudem, neboli pohybujícím se nábojem. Magnetická indukce B tohoto magnetického pole se dá spočítat v jakémkoliv bodě. Umožňuje nám to Biotův-Savartův zákon. B= I 0 Pro dlouhý přímý vodič platí 2 d, kde μ 0 je konstanta nazývaná permeabilita vakua neboli magnetická konstanta, jejíž hodnota je μ 0 = T m A 1, a d je kolmá vzdálenost bodu, ve kterém má být určena B, od vodiče. Cívce, kterou tvoří dlouhý vodič hustě navinutý na válcové ploše, se říká solenoid. Je charakterizován hustotou závitů N (počet závitů na jednotku délky). Magnetické pole l solenoidu je rovno superpozicí polí vytvořených jednotlivými závity. Směr magnetické indukce v ose solenoidu určíme podle pravidla pravé ruky: uchopíme-li solenoid do pravé ruky tak, že prsty směřují ve směru proudu v závitech, potom vztyčený palec ukazuje směr magnetického pole. Velikost magnetické indukce lze určit z Ampérova zákona celkového proudu B= 0 I N, kde N je počet závitů na jednotku délky. Velikost magnetické indukce se dá měřit teslametrem. Teslametr je založen na Hallově jevu. Postup práce 1. Proveďte Oerstedův pokus se střelkou kompasu. Použijte vodič s proudem. Do odvodu připojte kromě samotného vodiče i odpor R nebo žárovku. Nepřipojujte do zkratu. Zakreslete výsledek experimentu. 2. Sondou změřte velikost magnetického pole v místnosti a pak ve vzdálenostech d, 2d, 3d od vodiče s proudem. Zapište a porovnejte se vztahem uvedeným v teorii. 3. Pomocí feromagnetických pilin zviditelněte magnetické indukční čáry cívky na plexiskle. Posypte desku pilinami a zapněte elektrický obvod s cívkou do zkratu na malý okamžik. Bezprostředně po kontaktu přerušte spoj. Zakreslete a popište získaný obrazec.

6 4. Sondou změřte velikost magnetické indukce v ose cívky v jejím středu a na koncích. Výsledky porovnejte a vysvětlete. Výsledky měření 1. Zakreslete schéma a výsledek experimentu: 2. Zapište velikost magnetického pole v blízkosti vodiče a ve vzdálenostech d, 2d a 3d od vodiče. velikost magnetické indukce v místě experimentu B 0 = mt, I = A vzdálenost d od vodiče s proudem : B = mt vzdálenost 2d od vodiče s proudem : B = mt vzdálenost 3d od vodiče s proudem : B = mt Porovnejte se vztahem uvedeným v teorii: 3. Zakreslete a popište získaný obrazec.

7 4. Velikost magnetické indukce v ose cívky v jejím středu: B = na koncích: B = Vysvětlete: Závěr: