Інформація для викладачів
Опис
Експериментальна установка
Суперпозиція магнітних полів є базовим принципом для багатьох наукових досліджень і застосувань. Наприклад, розташувавши дві котушки так, щоб сформувати так звані котушки Гельмгольца, можна досягти однорідного поля у великому об'ємі, доступному з усіх боків.
Прикладами застосування з області передових досліджень є відхиляючі і фокусуючі магніти у вигляді дипольних і квадрупольних магнітів або стелларатор в термоядерному реакторі. Останній являє собою пристрій у формі тора (схожий на пончик/рятувальне кільце) для магнітного утримання гарячої плазми для здійснення керованого термоядерного синтезу.
Додаткова інформація для викладачів (1/3)
попередні знання
Студенти мають бути знайомі з поняттям густини магнітного потоку, магнітної індукції всередині котушки і знати, що струм, який протікає через котушку, генерує магнітне поле. Це може бути добре пов'язано із суперпозицією двох електричних полів.
Принцип
Принцип суперпозиції двох і більше полів - це принцип векторного додавання. Для цього обчислюється векторна сума окремих полів. Це також стосується, зокрема, магнітних полів:
відповідно
Додаткова інформація для викладачів (2/3)
Мета навчання
У цьому експерименті необхідно виміряти індукцію магнітного поля (густину магнітного потоку) двох котушок. Досліджується суперпозиція двох магнітних полів циліндричних котушок. У першій частині два магнітні поля спрямовані в одному напрямку, а в другій - у протилежних напрямках.
Завдання
Виміряйте індукцію магнітного поля (густину магнітного потоку) двох циліндричних котушок.
1. Котушки мають однакову полярність, тож магнітні поля котушок позитивно доповнюють одне одного.
2. Котушки мають зворотну полярність, так що магнітні поля котушок взаємно погашають одна одну.
Додаткова інформація для викладачів (3/3)
Примітка: Під час вимірювання магнітного поля котушок переконайтеся, що густина магнітного потоку вимірюється на кінчику датчика магнітного поля. Крім того, слід звернути увагу на те, як підключаються котушки. Струми в обмотках двох котушок рухаються в протилежних напрямках, але обидві котушки мають однакову орієнтацію спіралі, що робить ще більш важливим, щоб звертати увагу на полярність.
з однаковою полярністю
зі зворотною полярністю
Інструкції з техніки безпеки
До цього експерименту застосовуються загальні інструкції щодо безпечного проведення експериментів на уроках під час викладання природничих наук.
Інформація для студентів
Мотивація
Експериментальні установки для визначення питомого заряду електрона та ефекту Зеємана
Деякі з найбільш фундаментальних і важливих фізичних відкриттів базуються на фундаментальному принципі суперпозиції двох магнітних полів струмопровідних котушок. Визначення питомого заряду електрона за допомогою електронно-променевої трубки і демонстрація так званого ефекту Зеємана - розщеплення енергетичних рівнів у магнітному полі - два з багатьох прикладів, які були настільки революційними, що навіть були відзначені Нобелівською премією.
У цьому експерименті Ви дізнаєтеся, як перекриваються (векторно складаються) магнітні поля двох циліндричних котушок.
Завдання
Виміряйте індукцію магнітного поля (густину магнітного потоку) двох коротких циліндричних котушок (діаметром 41 мм і по 100 витків).
1. Котушки мають однакову полярність.
2. Котушки мають протилежну полярність.
Матеріал
| Позиція | Матеріал | Пункт №. | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Cobra SMARTsense 3-Axis Magnetic field - Датчик для вимірювання магнітного поля по 3 осях ±130 мТл / ±5 мТл (Bluetooth + USB) | 12947-00 | 1 |
| 2 | Індукційна котушка, 100 витків, d=40 мм | 11007-05 | 2 |
| 3 | Лінійка, пластмасова, l = 30 см | 09851-40 | 1 |
| 4 | З'єднувальний провідник, 500 мм, червоний | 07361-01 | 2 |
| 5 | З'єднувальний провідник, 500 мм, синій | 07361-04 | 2 |
| 6 | measureAPP - безкоштовне програмне забезпечення для вимірювання для всіх кінцевих пристроїв | 14581-61 | 1 |
| 7 | PHYWE Джерело живлення пост. струм: 0...12 В, 2 A / змін. струм: 6 В, 12 В, 5 A | 13506-93 | 1 |
Підготовка (1/4)
Для вимірювання за допомогою датчиків Cobra SMARTsense необхідне додаток PHYWE measureAPP. Цей застосунок можна безкоштовно завантажити з відповідного магазину додатків (QR-коди дивіться нижче). Перед запуском додатка, будь ласка переконайтеся, що на Вашому пристрої (смартфоні, планшеті, персональному комп'ютері) активовано Bluetooth.
iOS
Android
Windows
Підготовка (2/4)
Зберіть експериментальну установку як показано на рисунку зліва: підключіть обидві котушки з 100 витків паралельно одна до одної і послідовно до джерела живлення (постійний струм). Розташуйте обидві котушки поруч, як показано на рисунку. Переконайтеся, що полярність обох котушок однакова.
Встановіть блок живлення на 0 А при 12 В (вправо до упору). Тепер силу струму можна регулювати, увімкнувши обмежувач струму.
Увімкніть блок живлення.
Підготовка (3/4)
Запустіть програму measureAPP на планшеті та увімкніть датчик магнітного поля Cobra SMARTsense (Cobra SMARTsense magnetic field) (утримуйте кнопку вводу/виводу приблизно 3 секунди).
Виберіть датчик в measureAPP і підключіть його до програми. Необхідно виконати такі налаштування:
Тонкий діапазон вимірювання (- 5 мТл ... + 5 мТл)
Частота вимірювання: 200 Гц
Також виберіть вимірювання одним натисканням кнопки.
Підготовка (4/4)
У розділі "Вимірювальний канал" виберіть тільки поздовжній напрямок датчика, щоб вимірювати тільки густину магнітного потоку в напрямку поздовжньої осі датчика.
Розташуйте датчик у котушці так, щоб наконечник знаходився в центрі котушки. Відкалібруйте датчик на нуль:
"Налаштування" > "Встановити на нуль".
Тепер встановіть силу струму на блоці живлення до упору вправо (~2 А). Оскільки котушки з'єднані паралельно, максимально допустима сила струму 1,2 А не перевищується.
Виконання роботи (1/2)
Вставте датчик якомога далі в обидві котушки. Оскільки наконечник котушки не видно, то за допомогою лінійки можна визначити, де вимірюється індукція магнітного поля (густина магнітного потоку).
1. Збільшуйте силу струму з кроком 0,1 А і запишіть точку вимірювання для кожної сили струму, натискаючи кнопку.
Таким чином, вісь відповідає вимірюванню: Δx[см] до початкової точки.
2. Після останнього виміряного значення (за кілька сантиметрів від котушки) встановіть силу струму на нуль і вимкніть джерело живлення. Збережіть результати вимірювань.
Виконання роботи (2/2)
1. Поміняйте місцями полярність з'єднання на одній із двох котушок, перемістіть датчик у вихідну точку і знову підключіть джерело живлення.
2. Збільшуйте відстань до центру котушки з кроком 1 см і запишіть точку вимірювання для кожного положення, натискаючи кнопку.
3. Після останнього вимірювання вимкніть блок живлення і запишіть результати вимірювань.
Протокол
Завдання 1
Питання
Завдання 2
Питання
Завдання 3
Питання