Лабораторная работа "Изучение магнитного поля на основе датчиков Холла"

Лабораторная работа

Изучение магнитного поля на основе датчиков Холла

Цель работы

Целью данной работы будет являться демонстрация зависимости индукции магнитного поля от расстояния до сотовых телефонов различных моделей и сравнений этих показаний с аналогичными, полученными при исследовании МП постоянных магнитов.

Метод экспериментального исследования явления

В работе с помощью датчика магнитного поля измеряется зависимость индукции магнитного поля от расстояния до прибора/постоянного магнита.

Теория

Постоянным магнитом называют тело, которое способно в течение длительного времени сохранять намагниченность. Намагниченность тела определяется по его способности притягивать к себе железные предметы. Если окружить магнит мелкими железными опилками, то можно заметить, что разные участки поверхности магнита по-разному притягивают опилки. Те участки поверхности, которые оказывают на частицы железа наибольшее действие, принято называть полюсами магнита. У любого магнита есть два полюса: северный и южный. Одноименные магнитные полюсы отталкиваются, а разноименные притягиваются.

Количественную меру способности магнита действовать на окружающие тела называют индукцией магнитного поля (магнитной индукцией) B. Индукция магнитного поля является векторной физической величиной, ее направление в данной точке поля совпадает с направлением, которое показывает северный полюс магнитной стрелки в этой точке.

Картину магнитного поля постоянного магнита можно наблюдать, если накрыть магнит листом картона или плотной бумаги, а сверху насыпать железные опилки.

Модуль вектора магнитной индукции равен отношению модуля силы F, с которой магнитное поле действует на расположенный перпендикулярно магнитным линиям проводник с током, к произведению силы тока I в проводнике и его длины l:

Единицей магнитной индукции в системе СИ является тесла (1 Тл).

С увеличением расстояния от магнита величина магнитной индукции убывает. У постоянного магнита эта зависимость является сложной, не поддающейся простому аналитическому описанию. В то же время основные закономерности можно понять, рассмотрев поведение магнитного поля вдоль нормали одного витка с током.

Согласно закону Био–Савара–Лапласа магнитная индукция ΔB в произвольной точке магнитного поля, создаваемого малым участком проводника длиной Δl с током I, определяется выражением:

ΔВ =

где μ₀ – магнитная постоянная (1,26 · 10–6 Гн/м).

Если свернуть проводник в кольцо радиусом R и векторно просуммировать в точке индукции полей, создаваемых всеми малыми участками проводника, то получится следующая зависимость величины индукции магнитного поля B, создаваемого круговым витком с током I, от расстояния x до центра витка вдоль его нормали. На расстоянии x от кольца, существенно превышающем размер витка, магнитная индукция B обратно пропорциональна х³.

Эта зависимость приводит к тому, что при удалении двух магнитов друг от друга взаимодействие между ними резко ослабевает.

Оборудование экспериментальной установки

1. Датчик магнитного поля:

диапазоны измерений: 0,3 мТл (высокая чувствительность); 6,4 мТл (низкая

чувствительность);

точность измерений: 0,1 мкТл; 2 мкТл.

1. Постоянные магниты трех видов: полосовой, дугообразный, круглый..

2. Линейка измерительная.

3. Мобильные телефоны разных марок и годов выпуска.

Рис. 2. Датчик магнитного поля Vernier.

Параметры экспериментальной установки

Длительность проведения эксперимента: весь цикл измерений может быть проведен за 5–10 минут.

На обсуждение содержания эксперимента и его результатов, ответы на вопросы во время выполнения измерений и после их окончания отводится 10–15 мин.

Точность измерений: при строгом следовании рекомендациям разделов «Монтаж и настройка», «Подготовка приборов» и «Методика выполнения эксперимента» данный эксперимент позволяет измерить величинуиндукции магнитного поля постоянного магнита с точностью до 0,1 мкТл.

Техника безопасности:

Во время проведения эксперимента необходимо соблюдать все правила техники безопасности, указанные для персонального компьютера как электрического оборудования. Используемое измерительное оборудование (плата сбора данных и датчик магнитного поля) экспериментальной установки рассчитано на питание от низковольтного напряжения, не представляющего опасности для человека.

Для того, чтобы в ходе эксперимента не привести к поломке сотовые телефоны, не подносить их близко к постоянным магнитам (!).

Обеспечение наглядности результатов эксперимента

Измерительную линейку, полосовой магнит и датчик магнитного поля следует располагать на демонстрационном столе в месте, позволяющем обеспечить хороший обзор проведения эксперимента для каждого ученика.

Для обеспечения удобства управления демонстрацией эксперимента компьютер необходимо располагать достаточно близко от установки (на расстоянии не более 1,5 м).

Экран компьютера рекомендуется продублировать с помощью проектора.

Монтаж и настройка

Измерительная линейка располагается на демонстрационном столе так, чтобы ее шкала была обращена к учащимся. Перед линейкой вдоль нее устанавливаются полосовой магнит и датчик магнитного поля. Для удобства измерения расстояния край одного из полюсов магнита совмещается с одним из делений шкалы линейки. Датчик перемещается вдоль линейки.

ХОД РАБОТЫ

Подготовка приборов

Перед началом проведения эксперимента необходимо выполнить следующее:

1. Внимательно прочитайте инструкции, подготовьте необходимое оборудование, соберите установку в соответствии с разделом «Монтаж и настройка».

2. Запустите программу Физика с компьютером.

3. Выберите эксперимент Измерение поля постоянного магнита в разделе «Электродинамика».

4. Подключите датчик магнитного поля к аналоговому входу системы сбора данных (любому из трех). Убедитесь, что сообщение Датчик магнитного поля не подключен в верхней части экрана отсутствует.

5. Установите чувствительность датчика магнитного поля 6,4 мТл. Поместите датчик на расстоянии 0,5 см от края полюса магнита, определите значение магнитной индукции. Если ее величина не превышает 0,3 мТл, переключите датчик на более чувствительную шкалу 0,3 мТл.

Методика выполнения эксперимента

Проведение измерений «Магниты» (часть 1 работы)

1. Поместите датчик магнитного поля на расстоянии 0,5 см от края полюса магнита и введите это значение в поле Расстояние от магнита. Текущее показание датчика магнитного поля отобразится в поле Индукция магнитного поля.

2. Нажмите кнопку Измерить. При этом на графике зависимости индукции магнитного поля от расстояния до постоянного магнита будет отображено текущее показание датчика. Значение в поле Расстояние от магнита автоматически увеличится на 0,5 см для проведения последующего измерения.

3. Повторите измерения по пунктам 1, 2 для различных магнитов от датчика магнитного поля до полюса магнита. При каждом последующем измерении на график Индукция–Расстояние добавляются точки.

4. Заполните таблицу.

Таблица 1.

Анализ результатов:

После завершения измерений на графике будет отображена экспериментальная зависимость индукции магнитного поля от расстояния до полюса постоянного магнита, а также аппроксимация измеренных данных степенной функцией. Никаких дополнительных действий для вывода результатов анализа не требуется.

Методика выполнения эксперимента

«Проведение измерений вектора магнитной индукции В сотовых телефонов» (часть 2 работы)

1. Подключите к мини – лаборатории датчик магнитного поля. Текущее показание датчика магнитного поля отобразится на дисплее. Это измеренное показание Индукции магнитного поля.

2. Нажмите кнопку Измерить. При этом на графике зависимости индукции магнитного поля от расстояния до постоянного магнита будет отображено текущее показание датчика.

3. Проведите измерения магнитного поля сотовых телефонов различных моделей и годов выпуска по следующим критериям:
   А) блокировка;

Б) ожидание соединения;

В) входящий вызов;

Г) исходящий вызов;

Д) разговор;

Е) поиск в сети Интернет (если такая функция доступна);
Ж) загрузка (скачивание) файлов (если такая функция доступна);

З) сон

И) общий фон (на расстоянии до 20 см от прибора).

4. Заполните таблицу, приведенную ниже.

Таблица 2.

Анализ результатов:

На основе данных проведенного исследования сделайте выводы о магнитном поле, создаваемом мобильными телефонами, как значение В зависит от модели и года выпуска. Какие выводы можно сделать о воздействии ЭМП приборов на организм человека? Сравните данные таблицы 1 и 2.

Контрольные вопросы:

1. Какое тело называют магнитом?

2. Как взаимодействуют между собой одноименные полюсы магнитов: отталкиваются или притягиваются?

3. Обладает ли Земля магнитными свойствами?
4. Что называют вектором магнитной индукции и как ее измерить?
5. Сделайте выводы о магнитном поле, создаваемом мобильными телефонами, как значение В зависит от модели и года выпуска.
6. Сделайте выводы о воздействии ЭМП приборов на организм человека.