Изучение магнитного поля постоянного магнита

Работа 10. Изучение магнитного поля постоянного магнита (8–11 класс)
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Построение карты магнитного поля стержневого магнита.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ
Магнитное поле в точке пространства M(x,y,z) принято характеризовать вектором
магнитной индукции B , модуль которого измеряется в теслах (Тл). Если поле не меняется
во времени, то можно говорить, что в каждой точке пространства задан вектор,
определяемый координатами точки B( x, y, z) . Рассмотрим для упрощения магнитное поле в
точках расположенных на одной плоскости, например в плоскости OXY , причем такое,
что все вектора магнитного поля, также лежат в этой плоскости. Тогда вектор B в каждой
точке можно задать двумя проекциями вектора (рис.
B  ( Bx ; By ) 1)
y
B
By
M
О

Bx
x
Рис. 1.
Тогда модуль (длина) вектора , а
  arctg
B  B  Bx2  By2
угол его наклона к оси OX
By
Bx
.
Примерно такое «плоское»
магнитное поле можно обнаружить
в плоскости стола, на котором
лежит стержневой магнит (рис. 2).
Исследуя магнитное поле
вдоль выбранных линий на столе
(рис. 3, пунктиры), можно
получить картину изменения
вектора B в точках плоскости.
Назовем эту картину картой
магнитного поля.
Рис. 2.
Рис. 3.
Такую карту магнитного поля стержневого магнита вам предстоит получить в
данной работе.
Другим способом отображения магнитного поля в пространстве является способ,
называемы линиями вектора магнитной индукции. На плоскость наносятся линии густота
которых отражает модуль вектора в данной области пространства, а направление
совпадает с направлением вектора магнитной индукции в точке пространства, через
которую проходит линия (рис. 4)
Рис. 4.
ОБОРУДОВАНИЕ
 Полосовой постоянный магнит
 Линейка из немагнитного материала
 Карманный Компьютер (КПК) и/или ПК
 Регистратор данных
 Датчик магнитной индукции
 Магнитная стрелка или компас
МОНТАЖ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
1. Расстелите на столе белый лист и разметьте на нем 4 линии (на расстоянии
сравнимым с длиной магнита) и точки вдоль линий на расстоянии 1–2 см друг от
друга. Пронумеруйте точки.
2. Закрепите поверх размеченного листа на столе полосовой магнит и линейку.
Расположите ось магнита вдоль второй из линий на листе бумаги.
3. Поместите датчик магнитной индукции на оси х вблизи полюса магнита так, чтобы
он измерял магнитную индукцию параллельную оси х.
4. Подключите датчик.
УСТАНОВКА ПАРАМЕТРОВ ИЗМЕРЕНИЯ
 Частота – вручную.
 Длительность – вручную.
 Чувствительность датчика индукции магнитного поля 10 мТл.
ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
1. Подготовьте КПК (или ПК) для проведения опыта.
2. Проведите пробный эксперимент и предварительную регистрацию данных.
Убедитесь в удачном выборе параметров измерений или выберите другие. Учтите,
что датчик магнитной индукции измеряет проекцию вектора направленную вдоль
оси корпуса датчика. На рисунке 5 справа показано соотнесение положения
датчика и измеряемых проекций вектора B .
Рис. 5.
3. Начните регистрацию данных. Перемещая датчик вдоль линии, идущей через ось
стержневого магнита, фиксируйте нажатием кнопки на регистраторе данных
проекцию вектора B на ось OX, а затем при втором проходе в тех же точках
проекции вектора B на ось OY.
4. Повторите аналогичные измерения на 2–х линиях параллельных оси магнита с
одной стороны от оси магнита и на одной линии по другую сторону от оси.
5. Используя возможности программы MultiLab, сохраните для отчета нанесенные на
один график зависимости двух проекций вектора магнитной индукции от
положения датчика на столе вдоль осевой линии и вдоль линии параллельной
осевой.
6. Используя табличные данные с проекциями вектора B , нанесите в масштабе
составляющие вектора B вдоль в каждой точке бумажного листа с точками, в
которых проводилось измерение. По составляющим восстановите модуль и
направление вектора B в этих точках, составив тем самым «карту магнитного
поля».
7. Расстелите лист с нанесенными векторами B , установите магнит на прежнее место
с соблюдением направления полюсов магнита и устанавливая компас (магнитную
стрелку) в различных точках проследите за поведением магнитной стрелки и
соотношением поведения с построенным на бумаге длинами и направлениями
вектора B . Отметьте направления в отчете. Сфотографируйте компас,
установленный на бумаге в нескольких точках, с верхней точки над столом.
Внесите фото с «картой магнитного поля» и компасом в отчет о работе.
ВОПРОСЫ ДЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ОПРОСА И ЗАЩИТЫ ЛР
1. Какая физическая величина используется для характеристики магнитного поля, в
каких
единицах
она
измеряется?
2. Какой
способ
отражения
информации о магнитном поле
в пространстве предложен в
данной работе, какие еще
существуют
способы
отражения этой информации?
3. Как магнитное поле действует
на магнитную стрелку? Как ее
А  В 
направление в равновесии
С
соотносится с направлением
магнитного поля?
4. На чем основано действие
датчика магнитной индукции?
Как по показаниям датчика
восстановить направление и
модуль вектора магнитной
индукции?
5. На рисунке приведен график
проекций магнитного поля измеренный вдоль линии, параллельной оси
стержневого магнита и расположенной на расстоянии равной размеру магнита от
этой оси. Что можно сказать о направлении вектора магнитной индукции?
ОТЧЕТ
Отчет выполните в виде электронного документа в текстовом редакторе. Он должен
содержать:
 формулировку цели,
 фотографию схему установки для проведения опыта,
 значения измеряемых величин в виде таблицы,
 графики зависимости измеряемых величин от положения датчика,
 результаты расчетов,
 выводы.