Оформления отчетов по лабораторным работам

Оглавление

 

 

Общие положения по выполнению лабораторного практикума. Структура, требования и правила оформления отчетов по лабораторным работам ……………………………………
Лабораторная работа № 2.10. Изучение эффекта Холла …
Лабораторная работа № 2.11. Исследование распределения магнитного поля вдоль оси соленоида …………………………..
Лабораторная работа № 2.12. Изучение явления взаимной индукции ……………………………………………………………….
Лабораторная работа № 2.13. Определение удельного заряда электрона ……………………………………………………….
Лабораторная работа № 2.14. Изучение свойств ферромагнетика. Гистерезис …………………………………………….
Лабораторная работа № 2.15. Определение магнитной проницаемости ферромагнетика …………………………….
Список рекомендуемой литературы ………………………….
Приложение 1 ………………………………………………
Приложение 2 ………………………………………………
Приложение 3 ………………………………………………

 

 

Общие положения по выполнению

Лабораторного практикума.

Структура, требования и правила

Оформления отчетов по лабораторным работам

  Составлены на основе действующего постановления пленума НМС МВО СССР и ГОСТ… Основная задача лабораторных занятий заключается в закреплении и углублении теоретических знаний, полученных…

Требования к содержанию разделов отчета

 

3.1. Введение.

Раздел должен содержать краткий теоретический обзор вопросов, необходимых для выполнения лабораторной работы, необходимые физические законы и соотношения, расчетные формулы с обозначением входящих в них величин и т.п.

3.2. Описание установки.

Раздел состоит из краткого технического описания и работы установки, рисунков или принципиальных схем установки с перечнем и нумерацией основных узлов, приборов и пр. деталей установки.

3.3. Порядок выполнения измерений.

Раздел должен содержать описание измерительных операций работы; таблицы с результатами измерений. Он должен быть структурирован на пункты по измерительным операциям.

3.4. Обработка результатов измерений.

Раздел должен содержать расчеты для получения результатов измерений (при необходимости в форме таблиц и графиков); расчеты по определению точности и надежности измерений (по требованиям методического руководства или по заданию преподавателя); анализ и объяснение полученных результатов в соответствии с теоретическими представлениями, сравнение измеренных величин с теоретическими или табличными значениями. Раздел должен быть структурирован на подразделы в соответствии с характером расчетов. Каждый подраздел должен иметь текстовое описание выполняемых расчетов. При необходимости подразделы структурируются на пункты.

3.5. Заключение.

Раздел включает в себя выводы о проделанной работе в произвольной форме. Заключение должно быть кратким и четким.

Правила оформления отчета

4.1. Общие требования. 4.1.1. Отчет должен быть оформлен в школьной тетради в «клеточку». Объем… 4.1.2. Текст отчета следует писать чернилами или пастой одного (черного или синего) цвета, разборчивым подчерком,…

Лабораторная работа № 2.10

Изучение эффекта Холла

Цель работы: изучить эффект Холла, научиться определять постоянную Холла.

Введение

Эффектом Холла называется возникновение разности потенциалов в металле или полупроводнике, поперечной протекающему по нему электрическому току и магнитному полю В, в которое он помещен.

 

а б

 

Рис. 1. Эффект Холла в металлах и полупроводниках n- типа (а),

в полупроводниках p- типа (б).

 

На рис. 1 показано направление сил, действующих на носители тока в металлах и полупроводниках, помещенных в магнитное поле, при протекании по ним электрического тока.

Если в магнитное поле помещена металлическая или полупровод-никовая n- типа (с электронной проводимостью) пластинка (рис. 1, а), то электроны, движущиеся со скоростью в магнитном поле , под действием магнитной составляющей силы Лоренца отклоняются к верхней грани пластинки, и на ней образуется избыток отрицательных зарядов.

. (1)

На противоположной грани, соответственно, образуется избыток положительных зарядов и возникает электрическое поле , перпендикулярное и , действующее на заряд силой:

. (2)

По мере смещения электронов напряженность электрического поля растет до тех пор, пока сила, действующая со стороны электрического поля, не уравновесит силу Лоренца :

, (3)

где е – заряд электрона; α – угол между векторами и .

Напряженность электрического поля находится как градиент электрического потенциала . Из рис. 1 видно, что потенциал изменяется в вертикальном направлении, перпендикулярном векторам и . Следовательно, градиент потенциала равен производной, взятой по вертикальному направлению. При этом напряженность электрического поля находится по формуле , где b – ширина пластинки в направлении, перпендикулярном векторам и , а – разность потенциалов между верхней и нижней гранями, которая носит название напряжение Холла. Найдем напряжение Холла, подставив значение Е_Х в (3) с учетом перпендикулярности векторов и :

. (4)

Из классической электронной теории электропроводности известно выражение для плотности тока в проводнике:

, (5)

где n₀ – концентрация носителей тока; – площадь грани пластинки, перпендикулярной направлению силы тока; d – толщина пластинки в направлении . Подставив скорость из (5) в (4) и сократив на b, получим:

или , (6)

где – постоянная Холла для данного металла или полупроводника.

В реальных металлах и полупроводниках приходится учитывать статистический характер распределения скоростей носителей заряда, для этого вводится поправочный коэффициент k, приблизительно равный единице. С его учетом постоянная Холла находится по формуле:

. (7)

В полупроводниках обычно преобладает электронная или дырочная проводимость, это оказывает существенное влияние на процесс формирования электрического поля в полупроводнике (рис. 1) и в конечном итоге определяет знак напряжения Холла.

Описание установки

Сила тока I, протекающего через датчик Холла, создается источником постоянного напряжения ε2, изменяется реостатом R2 и регистрируется… Переменное магнитное поле создается электромагнитом ЭМ. Обмотка электромагнита…  

Обработка результатов измерения

3.1. По полученным данным построить графики зависимости напряжения Холла от тока датчика I.

3.2. Пользуясь МНК, определить угловой коэффициент а.

3.3. Пользуясь уравнением (12), определить постоянную Холла R.

3.4. Сравнить результаты определения постоянной Холла R при разных токах электромагнита и сделать выводы.

Контрольные вопросы

1. Эффект Холла в металлах и полупроводниках.

2. Как с помощью эффекта Холла определить знак заряда основных носителей тока полупроводников?

3. Объясните направление векторов на рис. 1.

4. От чего зависит постоянная Холла?

5. В каком случае эффект Холла в полупроводнике обнаруживаться не будет?

 

Лабораторная работа № 2.11

 

Исследование распределения магнитного поля вдоль

Оси соленоида

  Введение На основании многочисленных опытов Эрстед установил, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. Для…

Описание установки

Если проводящую пластинку толщиной d и током поместить в магнитное поле B, перпендикулярное току, то на противоположных гранях пластинки,… , (10) где UХ – разность потенциалов Холла; RХ – постоянная Холла, Uсм – разность потенциалов, появляющаяся из-за…

Порядок выполнения измерений

2.1. С помощью штока датчик Холла установить в центре соленоида (нулевая отметка на штоке).

2.2. Увеличивая ток соленоида от 0,4 до 2,4 А с шагом 0,2 А, каждый раз измерять напряжение Холла. Данные занести в таблицу.

2.3. Установить силу тока в соленоиде в соответствии с заданием.

2.4. Пользуясь шкалой на штоке, перемещать датчик от начала до конца соленоида с шагом в 1 см, каждый раз записывать напряжение Холла. Данные занести в таблицу.

Обработка результатов измерения

3.2. По соотношению (10), пользуясь данными пункта 2.2, рассчитать индукцию В при разных токах соленоида I. 3.3. Пользуясь данными пунктов 3.1 и 3.2, построить в одной координатной сетке… 3.4. По формуле (7) рассчитать теоретическую зависимость В(I).

Контрольные вопросы

1. Сформулировать закон Био-Савара-Лапласа для индукции магнитного поля тока.

2. Как распределяется магнитное поле по оси кругового тока и соленоида?

3. Используя закон Био-Савара-Лапласа, вывести формулу, описывающую магнитное поле проводника простой формы (форма проводника задается преподавателем).

4. Вывести формулу (9).

 

 

Лабораторная работа № 2.12

Изучение явления взаимной индукции

Цель работы: измерение коэффициентов взаимной индуктивности двух катушек при их различном взаимном расположении и на разных частотах.

Введение

 

Рассмотрим магнитное взаимодействие двух близко расположенных соленоидов (рис. 1).

 

 

Рис. 1. Магнитные поля двух соленоидов

 

Пусть в первом соленоиде протекает ток I₁. Он создает магнитный поток, сцепленный с контуром, равный

, (1)

где N₁ – число витков в первом соленоиде; В₁ – магнитная индукция, созданная током I₁, протекающим в первом соленоиде; S₁ – площадь витка этого соленоида; L₁ – его индуктивность.

Не все линии магнитной индукции, созданные первым соленоидом, пронизывают второй соленоид, поэтому магнитный поток, пронизывающий второй соленоид, равен:

, (2)

где k₁ – коэффициент, определяющий долю потока Ψ₁, пронизывающего замкнутый контур, образованный вторым соленоидом.

 

Если ток I₁ переменный, то возбудит во втором соленоиде ЭДС, которая с учетом (1) и (2) равна:

, (3)

где N₂ – количество витков второго соленоида, а величина – носит название взаимной индуктивности второго и первого соленоидов.

 

Если пропустить ток I₂ по второму соленоиду, то в замкнутом контуре, образованном первым соленоидом, будет наведена ЭДС:

. (4)

 

Коэффициенты взаимной индуктивности М₂₁ и М₁₂ в общем случае равны друг другу. Однако в реальных соленоидах это выполняется недостаточно точно, причина неточности хорошо видна на рис. 1, где густота линий магнитной индукции В₁, пронизывающих второй соленоид, не равна густоте линий В₂, пронизывающих первый соленоид. Кроме того, не всегда соблюдается равенство площадей витков двух обмоток и количества витков. Для получения строгого равенства коэффициентов М₂₁ и М₁₂ необходимо соленоиды сделать соосными и плотно намотать их один на другой с одинаковым количеством витков (для получения большей точности необходимо наматывать двумя проводниками сразу два соленоида), при этом коэффициенты взаимной индуктивности будут равны:

, (5)

где l – длина намотки; S – площадь витка.

Описание установки

   

Порядок выполнения измерений

2.2. Установить тумблеры S1 и S2 в положение, соответствующее рис. 2, при этом напряжение подается на подвижную катушку, а снимается с… 2.3. Установить подвижную катушку L1 в крайнем положении. Перемещая ее с шагом… 2.4. Переключить положение тумблеров S1 и S2 и произвести замеры ε01.

Обработка результатов измерения

3.2. Построить графики зависимости М21 и М12 от расстояния r. Для каждой частоты построить отдельный график. 3.3. Сравнить полученные графики и сделать выводы. Контрольные вопросы

Лабораторная работа № 2.13

 

Определение удельного заряда электрона

Методом магнетрона

Цель работы: иучение действия обобщенной силы Лоренца на электрон при определении его удельного заряда по сбросовым характеристикам магнетрона.

Введение

Удельным зарядом электрона называют отношение его заряда к массе . Это отношение показывает величину заряда, приходящегося на единицу массы частицы. Удельный заряд является основной характеристикой, по которой осуществляется идентификация микрочастицы.

Наличие у частицы заряда может быть установлено по характеру ее перемещения в электрическом или магнитном полях.

В электрическом поле на заряженную частицу действует сила Кулона:

, (1)

где q – заряд частицы; – напряженность электрического поля. В соответствии с (1), частица в электрическом поле движется равноускоренно вдоль силовых линий напряженности электрического поля. Скорость движения положительно заряженной частицы сонаправлена с , а для отрицательно заряженной – направлена противоположно.

Магнитное поле взаимодействует только с подвижной частицей. Силу, действующую на перемещающуюся со скоростью заряженную частицу q, во внешнем, однородном магнитном поле с индукцией называют силой Лоренца:

.

Рис. 1. Положительная заряженная частица в магнитном поле

 

Из свойств векторного произведения следует, что сила перпендикулярна векторам и (рис. 1), поэтому она не влияет на величину скорости движения частицы, а только изменяет направление ее движения. При произвольном направлении векторов и заряженная частица движется по спиральной траектории. Если эти векторы взаимно перпендикулярны, то частица движется по окружности радиуса R. При этом на нее действует центростремительная сила:

. (3)

Сила Лоренца исполняет роль центростремительной силы, поэтому возьмем модуль (2) и подставим его в (3), при этом получим:

, (4)

где a – угол между векторами и , в рассматриваемом случае . Следовательно, .

Зная радиус траектории частицы и ее линейную скорость, можно найти ее циклическую частоту вращения:

. (5)

Из (4) и (5) найдем период обращения частицы:

. (6)

Из (6) следует, что период обращения частицы не зависит от скорости ее линейного движения и является функцией величины магнитного поля и удельного заряда частицы. Направление движения частицы определяется знаком ее заряда.

Если частица движется в двух полях – магнитном с индукцией и электрическом с напряженностью , то на нее действует сила:

, (7)

называемая обобщенной силой Лоренца. В этом случае электрическое поле разгоняет или тормозит частицу, а магнитное поле меняет траекторию ее движения. Совместное использование этих двух полей позволяет создавать установки для определения удельного заряда различных частиц.

Описание установки

Рис. 2. Схема магнетрона и распределение в нем электрического и магнитного полей

Порядок выполнения измерений

2.2. Установить анодное напряжение в пределах 50¸100 В (задается преподавателем) и ток накала 0,4 А. 2.3. Изменяя силу тока соленоида в пределах 0,4¸2,4 А с шагом 0,1 А,… 2.4. Повторить пункт 2.3 еще для двух анодных напряжений.

Обработка результатов измерения

3.2. Для каждого значения по формуле (14) рассчитать величину индукции магнитного поля Вкр. 3.3. По формуле (13) рассчитать удельный заряд электрона и погрешность его… 3.4. Полученное значение удельного заряда сравнить с табличным значением.

Лабораторная работа № 2.14

 

Изучение свойств ферромагнетиков. Гистерезис

Цель работы: изучение зависимости магнитной индукции от напряженности магнитного поля в ферромагнетике.

Введение

Магнетиками называются макроскопические тела, способные намагничиваться – приобретать магнитные свойства. Для них вектор магнитной индукции связан с вектором напряженности магнитного поля и вектором намагниченности соотношением:

, (1)

где (Гн/м) – магнитная постоянная.

По магнитным свойствам магнетики подразделяются на три основные группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Вещества, способные обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля, называются ферромагнетиками. Ферромагнетики являются сильномагнитными веществами. Их намагниченность в огромное (до 10¹⁰) число раз превосходит намагниченность диа- и парамагнетиков, являющихся слабомагнитными веществами. На рис. 1 приведена кривая намагничивания полностью размагниченного ферромагнетика.

 

 

Рис. 1. Кривая начального намагничивания ферромагнетика

Кривая намагничивания впервые была получена и подробно исследована А.Г. Столетовым, а основы теории ферромагнетизма были созданы Я.И. Френкелем и В. Гейзенбергом в 1928 г. Согласно этой теории, ферромагнетики состоят из спонтанно намагниченных до насыщения областей, называемых доменами, имеющими размеры 1¸10 мкм. Домены намагничены путем параллельной ориентации спиновых магнитных моментов электронов. Для полностью размагниченного ферромагнетика направления ориентации магнитных моментов доменов различны, и суммарный момент всего тела равен нулю.

Процесс намагничивания ферромагнетиков связан с изменением границ и переориентацией доменов. На кривой начального намагничивания (рис. 1) можно выделить несколько характерных участков. Начало кривой (нулевая точка) соответствует случаю, когда ферромагнетик размагничен (магнитные моменты доменов ориентированы хаотично и компенсируют друг друга). На участке 0 – 1 происходят упругие обратимые смещения границ доменов. В результате чего происходит увеличение границ тех доменов, магнитные моменты которых составляют меньший угол с напряженностью за счет «невыгодно» ориентированных доменов. Этот процесс происходит до полного поглощения доменов с большими углами между и , его окончанию соответствует точка 2 на рис. 1. Если уменьшить напряженность магнитного поля, то доменная структура в первоначальное состояние уже не вернется, появится остаточная намагниченность ферромагнетика. При дальнейшем увеличении Н происходит поворот магнитных моментов перестроенных доменов, при этом моменты всех электронов в пределах домена поворачиваются синхронно, без нарушения строгой параллельности. Точка 3 соответствует состоянию ферромагнетика, в котором магнитные моменты всех доменов ориентированы по направлению поля Н, намагниченность достигла насыщения J_нас и больше не увеличивается. Дальнейший рост индукции магнитного поля В возможен только за счет роста Н, чему соответствует линейная зона рис. 1 после точки 3.

Необратимость изменений, происходящих в ферромагнетике, на участках 1-2-3 кривой первоначального намагничивания (рис. 1) приводит к тому, что величина индукции магнитного поля в зависит не только от величины напряженности магнитного поля Н, но и от того, какова она была в предыдущем состоянии. Такая сложная зависимость называется гистерезис.

При действии напряженности магнитного поля, меняющего свою величину, например, по гармоническому закону, величина В будет изменяться циклически, и кривая зависимости В = f(Н) образует замкнутую кривую, называемую петлей гистерезиса (рис. 2).

 

 

Рис. 2. Петля гистерезиса

 

Если при максимуме напряженности магнитного поля Н намагниченность достигает насыщения (точка 1, рис. 2), то индукция магнитного поля В будет меняться в соответствии с кривой 1–2–3–4–5–1 (рис. 2), которая называется максимальной петлей гистерезиса (сплошная петля, рис. 2). Если при амплитудных значениях Н насыщение не достигнуто, полученная петля называется частным циклом (пунктирная линия, рис. 2), которых может быть бесконечное множество. При этом любому значению Н₁ (кроме зоны насыщения) соответствует бесконечное множество значений индукции магнитного поля в пределах от до (рис. 2).

На кривой видны характерные точки: В_нас соответствует насыщению намагниченности; В_r – остаточная индукция; Н_с – коэрцитивная сила, которая равна величине напряженности магнитного поля, которую необходимо приложить к ферромагнетику для достижения размагниченного состояния.

Остаточная намагниченность В_r и коэрцитивная сила Н_с – характеристические величины ферромагнетика. Если величина Н_с велика, ферромагнетик называется жестким, для него характерна широкая петля гистерезиса. Соответственно, ферромагнетики с малой коэрцитивной силой Н_с и узкой петлей гистерезиса называются мягкими.

Площадь петли гистерезиса характеризует потери энергии на перемагничивание.

Достичь размагниченного состояния ферромагнетика можно тремя способами. Первый – поместить максимально намагниченный ферромагнетик в магнитное поле напряженностью Н_с, направленное противоположно В_r. Второй – поместить ферромагнетик в переменное магнитное поле, напряженность которого изменять от величины Н, заведомо большей Н_с, и плавно уменьшать ее до нуля, при этом петля гистерезиса от предельного цикла перейдет в частные, уменьшающиеся по величине циклы. Третий – нагреть ферромагнетик до температуры Кюри, при которой доменные структуры разрушатся. При остывании в отсутствии магнитного поля домены вновь образуются, но их магнитные моменты будут компенсировать друг друга, что соответствует размагниченному состоянию ферромагнетика.

Описание установки

  Рис. 3. Принципиальная схема установки

Порядок выполнения измерений

2.2. Скопировать на бумагу в координатах сетки экрана полученную петлю гистерезиса. Координаты точек петли занести в таблицу. 2.3. Измерить площадь петли в масштабе сетки экрана Sn. 2.4. С помощью координатной сетки осциллографа найти координаты х и у вершины петли гистерезиса. Занести их в…

Обработка результатов измерения

3.2. По найденным величинам В и Н, соответствующим координатам вершин, построить график кривой первоначального намагничивания. 3.3. Используя данные пункта 2.2, по формулам (9) и (11) рассчитать величины В… 3.4. По петле гистерезиса определить величины НС и Вr (рис. 1.).

Контрольные вопросы

1. Что такое магнитный гистерезис?

2. Каков физический смысл коэрцитивной силы и остаточной намагниченности?

3. Как достичь размагниченного состояния ферромагнетика?

4. Чем отличаются магнитомягкие и магнитожесткие ферромагнетики?

5. Объясните кривую первоначального намагничивания.

 

Лабораторная работа № 2.15

 

Определение магнитной проницаемости ферромагнетиков

Цель работы: изучение зависимости магнитной проницаемости ферромагнетика от напряженности магнитного поля.

Введение

Любое вещество в магнитном поле может увеличивать или уменьшать величину вектора магнитной индукции , поэтому все вещества при рассмотрении их магнитных свойств принято называть магнетиками. Способность магнетика влиять на величину вектора магнитной индукции характеризует безразмерная величина – магнитная проницаемость среды:

, (1)

которая показывает, во сколько раз величина индукция магнитного поля В в магнетике отличается от индукции магнитного В₀ поля в вакууме. При известной напряженности магнитного поля и величине вектора магнитной индукции магнитная проницаемость находится по формуле:

, (2)

где (Гн/м) – магнитная постоянная.

В зависимости от величины магнитной проницаемости среды делятся на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Диамагнитная среда ослабляет величину внешней магнитной индукции. Для нее магнитная проницаемость чуть меньше единицы (μ < 1). Парамагнетики незначительно усиливают величину магнитного поля, магнитная проницаемость немного больше единицы (μ > 1). Для ферромагнетиков характерно многократное усиление вектора магнитной индукции ().

Большая величина магнитной проницаемости ферромагнетиков обусловлена наличием спонтанно намагниченных областей, называемых доменами. В отсутствии действия внешнего магнитного поля вектора микрополей, создаваемых доменными областями, направлены хаотично, и все эти поля скомпенсированы, при этом ферромагнетик размагничен. При появлении внешнего поля напряженностью Н доменные области, сонаправленные с вектором , поглощают невыгодно ориентированные доменные области, и величина индукции магнитного поля возрастает многократно. На рис. 1 изображена кривая начального намагничивания ферромагнетика и зависимость его магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля Н.

 

 

Рис. 1. Кривая начального намагничивания и зависимость магнитной

проницаемости среды от напряженности магнитного поля

 

Выберем на кривой начального намагничивания точку 1 и проведем через нее из начала координат прямую. Тангенс угла наклона этой прямой пропорционален отношению В/Н, т.е. магнитной проницаемости m для соответствующего значения напряженности поля. При увеличении Н угол наклона (а значит и m) сначала растет; в точке 2 он достигает максимума (прямая 0-2 является касательной к кривой), а затем убывает. Из рис. 1 видно, что максимум m достигается несколько раньше, чем насыщение. При бесконечном возрастании Н магнитная проницаемость асимптотически стремится к единице.

Процесс переориентации доменов по направлению напряженности магнитного поля протекает за конечное время, зависящее от конкретного типа ферромагнетика. При увеличении скорости изменения напряженности переменного магнитного поля, соответствующего увеличению частоты, доменные структуры перестают успевать перестраиваться. Это приводит к уменьшению магнитной проницаемости и к зависимости ее величины от частоты.

Существует особый класс ферромагнитных полупроводников с низкими потерями на перемагничивание и вихревые токи, который употребляется для магнитных цепей в устройствах, работающих на высоких частотах. Эти ферромагнетики называются ферритами и отличаются заметными ферромагнитными свойствами, являясь плохими проводниками электричества.

Описание установки

. (3) В данной лабораторной работе используется установка, состоящая из генератора…

Порядок выполнения измерений

2.1. Включить генератор низкой частоты и дать ему прогреться в течение десяти минут.

2.2. Установить заданную преподавателем частоту генератора в пределах 40 ¸ 150 Гц.

2.3. Изменяя выходное напряжение U генератора, провести не менее семи замеров его величины, величины силы тока I в цепи и мощности активных потерь P; данные занести в таблицу.

2.4. Повторить измерения для еще двух частот, заданных преподавателем.

Обработка результатов измерения

3.2. Используя формулу (10), найти напряженность магнитного поля Н в тороиде, значение которой занести в таблицу. 3.3. Построить графики зависимости для разных частот. 3.4. Найти ошибку определения магнитной проницаемости.

Лабораторная работа №

(название работы)   Цель работы: