Vejledning til Laboratorieøvelser i Fysik 4, Elektromagnetisme
Vejledning til Laboratorieøvelser i Fysik 4, Elektromagnetisme
Vejledning til Laboratorieøvelser i Fysik 4, Elektromagnetisme
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
<strong>Vejledning</strong> <strong>til</strong><br />
<strong>Laboratorieøvelser</strong><br />
i <strong>Fysik</strong> 4,<br />
<strong>Elektromagnetisme</strong><br />
Niels Bohr Institutet<br />
Maj 2006
Indledning:<br />
Disse noter er udarbejdet <strong>til</strong> brug ved laboratorieøvelser i elektromagnetisme-kurset <strong>Fysik</strong> 4, som<br />
for tiden finder sted i Blok 4 ved fysikstudiet ved Københavns Universitet. Der henvises derfor<br />
hyppigt <strong>til</strong> David J. Griffiths: Electrodynamics, som er grundbogen i kurset.<br />
Generel teori for måleusikkerhed og databehandling antages kendt fra John R. Taylor: An<br />
introduction to Error Analysis, 2. Ed., (University Science Books, 1997).<br />
Denne vejledning beskriver en række øvelser, som gennemføres i løbet af fire øvelsesgange. Af<br />
hensyn <strong>til</strong> jeres udbytte af kurset er det vigtigere at I arbejder omhyggeligt med den enkelte<br />
øvelse, end at I når dem alle.<br />
Der skal afleveres en grupperapport om to af de store deløvelser – hvilken er i nogen grad op <strong>til</strong><br />
jer selv. I rapporten skal man ikke gøre alt for meget ud af teorien, men <strong>til</strong> gengæld være<br />
omhyggelig med (kortfattet) at redegøre for målingerne, dvs. om formålet, ops<strong>til</strong>lingen,<br />
proceduren og de valgte beregningsmetoder. I rapporten præsenteres de rå data bedst i form af<br />
grafer. De udledte resultater skal præsenteres med begrundede usikkerheder. Man skal overveje,<br />
om der kan være yderligere kilder <strong>til</strong> systematiske usikkerheder eller fejl.<br />
Som en del af vejledningen findes en beskrivelse af de enkelte apparater samt en<br />
introduktion <strong>til</strong> brug af programmet Labview som anvendes <strong>til</strong> nogle af øvelserne.<br />
Godkendelse af laboratorieøvelserne kræver i princippet fuld deltagelse – højst ét begrundet<br />
fravær kan accepteres – og der kræves endvidere godkendelse af de to øvelsesrapporter.<br />
København, maj 2006<br />
Benny Lautrup og Morten Bo Madsen.
1 Coulombs lov<br />
Øvelsen illustrerer lærebogens (Griffiths) kapitler 2.1 og 2.54<br />
om Coulombs lov. Coulombs lov drejer sig om hvilke kræfter<br />
der virker mellem (punkt-)ladninger, der vekselvirker med<br />
hinanden.<br />
2006-05-18<br />
1-1
UNILAB Digitalt Coulombmeter: Anvendelse og egenskaber<br />
Den ladningsopsamlende plade monteres i det positive kontaktpunkt og det<br />
negative kontaktpunkt neutraliseres (jordforbindes). Ladningen måles nu<br />
blot ved at berøre den ladningsopsamlende plade, dvs. ved at etablere<br />
kontakt mellem det objekt, hvorpå man ønsker at måle ladningen og den<br />
ladningsopsamlende plade.<br />
Coulombmeteret har en indgangs-kapacitans på 1 µF. En simpel<br />
ladningsmåling kan kun foretages på objekter med en kapacitans, som er<br />
mindre end 0.01 µF = 10000 pF. Dette skyldes, at coulombmeteret kun er i<br />
stand <strong>til</strong> at flytte næsten al ladningen over <strong>til</strong> sig selv, hvis kapacitansen af<br />
det undersøgte objekt er meget mindre end kapacitansen af meteret selv.<br />
Hermed forbliver kun en forsvindende del af den oprindelige ladning på det<br />
undersøgte objekt.<br />
Coulombmeterets visning inkluderer et "–'' op <strong>til</strong> –999 nC. Over denne<br />
værdi er det fjerde ciffer et "1'' og polariteten vises ikke længere.<br />
Vi beder jer efterlade coulombmeteret med afbryderen i "off''<br />
for at optimere batterilevetiden.<br />
Specificationer:<br />
Interval: ± 1999 nC i trin af 1 nC.<br />
Intern kapacitans: 1 µF.<br />
Intern spændingsforsyning: PP3 batteri (9 V).<br />
1-2
1 Coulombs lov<br />
Apparatur, Coulombs lov<br />
1. van de Graaff generator<br />
2. coulombmeter<br />
3. ladede kugler<br />
4. "transport''-kugle<br />
5. vægt<br />
6. lineal<br />
7. jordledninger<br />
8. udladningsvoltmeter (historisk)<br />
9. metalplade med håndtag (ikke vist)<br />
Numrene henviser <strong>til</strong> fotografierne<br />
Teori<br />
Coulombs lov siger, at kraften mellem to ladede partikler er<br />
givet ved følgende udtryk (her kraften fra Q virkende på q):<br />
1 qQ r<br />
F = , (2.1)<br />
2<br />
4πε<br />
r r<br />
0<br />
hvor q og Q er partiklernes ladninger, rq og rQ er<br />
ladningernes stedvektorer og r = rq - rQ. q virker naturligvis<br />
på samme måde på Q med kraften – F.<br />
Øvelsen går ud på at måle kraftens størrelse (og retning) og<br />
at finde afstands- og ladningsafhængighederne. Et andet<br />
vigtigt formål er at give deltagerne lidt praktisk erfaring med<br />
hvordan man måler og håndterer ladninger, herunder med<br />
ladningers bevægelse og opførsel på ledende flader og<br />
spejlladningseffekter.<br />
1-3
Om ladningstransport<br />
Bemærk: Under alle målinger i denne øvelse er det vigtigt, at såvel<br />
vægten som coulombmeteret er jordforbundne (vægten har et<br />
kontaktpunkt for "jord" bagpå).<br />
"Jord'' er et objekt, hvis kapacitans er så stor, at man kan fjerne eller <strong>til</strong>føre<br />
objektet ladning uden at ændre dets potential.<br />
Ladninger fra den elektrostatiske van de Graaff generator (1) kan f.eks. påføres målekuglerne (3) ved hjælp af<br />
to "transport"-kugler monteret på isolerende plexiglasstænger (4). Når transportkuglerne oplades via van de<br />
Graaff generatoren bevæger ladningerne sig på overfladerne, ladningerne fordeles og man får en ny<br />
ladningsfordeling når kuglerne fjernes fra van de Graaff generatoren. For at overføre så stor ladning som muligt<br />
<strong>til</strong> transportkuglerne skal man berøre den lille kugle i toppen af van de Graaff generatoren og føre<br />
transportkuglerne lodret op og væk fra van de Graaff generatoren. Hold yderst på plastikstangen og lad de to<br />
transportkugler røre hinanden. Husk at aflade kuglerne og nuls<strong>til</strong>le vægten (5) før forsøget startes. Kuglerne<br />
aflades ved i stor afstand fra alle ladede objekter gennem et kort tidsrum at berøre kugleoverfladen med den<br />
jordforbundne spiraltråd.<br />
"Jord'' er et objekt hvis kapacitans er så stor, at man kan fjerne eller <strong>til</strong>føre objektet ("jord") ladning uden at<br />
ændre dets potential.<br />
Coulombmeter, følsomhed<br />
Coulombmeteret har en noget begrænset følsomhed.<br />
Ved måling af små ladninger kan det derfor være<br />
nødvendigt at udnytte at coulombmeteret summerer<br />
(integrerer) de påførte ladninger. Man kan gentage<br />
opladning og måling af ladning (f.eks.) 10 gange.<br />
På denne måde er det muligt at "strække" coulombmeterets<br />
følsomhedsområde.<br />
Halveringsmetoden<br />
En måde, hvorpå man kan styre ladningsmængden på den øverste kugle, er<br />
ved først at oplade kuglen så meget som muligt vha. van de Graaff'en. Efter<br />
første måling af kraften kan ladningen på denne øverste kugle halveres ved<br />
at dele ladningen med transportkuglen. Aflades transportkuglen mellem hver<br />
deling vil man hermed kunne producere en serie af halveringer af ladningen<br />
på den ladede øverste kugle.<br />
1-4
1.1 Målinger<br />
For at måle afstandsafhængigheden i udtrykket for kraften<br />
vælger vi at holde q og Q konstant (i den udstrækning det er<br />
muligt). For ladninger q og Q hentet fra van de Graaff<br />
generatoren (se evt. boksen "Om ladningstransport") aflæses<br />
vægten ("kraften") som funktion af afstanden r mellem kuglerne.<br />
Restladningerne på transportkuglerne hver for sig med det<br />
digitale coulombmeter efter opladning af målekuglerne (c i<br />
figuren <strong>til</strong> venstre) og når måleserien er afsluttet kan<br />
restladningerne på målekuglerne måles på samme måde.<br />
Det er altid en god ide at plotte jeres resultater med det samme.<br />
På den måde vil I kunne se, hvor der er behov for flere<br />
målepunkter og måske om der skulle være noget galt i jeres<br />
eksperimentelle procedure.<br />
Det kan også være praktisk under øvelsen at føre en ”logbog”, at<br />
tegne de forskellige ops<strong>til</strong>linger og at angive så præcist som<br />
muligt, hvilke målinger der har været udført.<br />
For at måle ladningsafhængigheden kan vi evt. vælge<br />
afstanden mellem kuglerne <strong>til</strong> én fast værdi. Også ladningen, Q,<br />
på den kugle, der står på vægten kan evt. holdes konstant.<br />
Ladningsmængden, q, på den øvre kugle nu varieres nu. En<br />
måde at gøre dette på er ”halveringsmetoden” (se boksen <strong>til</strong><br />
venstre). ved at hente ladning fra en tredje kugle (en<br />
"transportkugle").<br />
Under målinger med coulombmeteret fjernes ladningen fra<br />
kuglen, som derfor aflades helt. Efter hver enkelt måling af q<br />
gentages forsøget med en ny q-værdi, f.eks. ved at kuglen på ny<br />
oplades ved hjælp af transportkuglen eller som beskrevet i<br />
boksen om "halveringsmetoden". Mål <strong>til</strong> allersidst ved hjælp af<br />
coulombmeteret, hvad ladningen Q var på den nedre kugle under<br />
hele eksperimentet (hvis I har valgt ikke at variere denne).<br />
1.2 Databehandling<br />
Bestem afstandsloven F(r) og bestem usikkerheden ved<br />
målingen. Størrelsen af kraften, som virker mellem ladningerne<br />
måles som en ændring i "vægt". Plot den aflæste vægt og<br />
bestem hermed kraftens afhængighed af r. Bestem hældningen<br />
af graferne og usikkerheden på hældningen og beregn ved hjælp<br />
af tabelværdien for vakuumpermittiviteten ε0 = 8,85 ⋅ 10 -12 Fm -1<br />
ladningsproduktet qQ samt usikkerheden på dette produkt (dette<br />
er ikke muligt hvis ikke kuglerne var i stand <strong>til</strong> at holde på<br />
ladningen under afstandsførsøget - i givet fald må I finde en<br />
anden løsning!).<br />
Sammenlign produktet med produktet af de værdier, der blev<br />
målt direkte med Coulombmeteret. Hvordan varierer<br />
usikkerhederne på graferne? Er der eventuelt afvigelser fra det I<br />
forventer mht. grafernes forløb? Hvis sådanne afvigelser<br />
konstateres prøv da at overveje mulige forklaringer (diskuter<br />
herunder både størrelse/retning af de observerede afvigelser).<br />
1-5
1-6
1.3 Opgaver<br />
Billedladning<br />
Undersøgelse af kraften mellem en ladning og dens billede som<br />
funktion af ladningens størrelse og afstand <strong>til</strong> en ledende<br />
overflade. Forsøgene kan evt. gennemføres som beskrevet<br />
under målinger ovenfor, blot med en jordet metalplade i stedet for<br />
den øverste kugle. Eller prøv at oplade kuglerne igen og før<br />
derefter den jordede plade ind midt mellem kuglerne. Fjern<br />
dernæst den øvre kugle med pladen fastholdt. Forklar resultatet.<br />
Ladning med modsat fortegn<br />
Hvordan kan man benytte van de Graaff generatoren <strong>til</strong> at få<br />
ladninger med modsat fortegn på transportkuglen?<br />
Afstandsafhængighed II<br />
Prøv at gennemføre eksperimentet med afstands-afhængighed<br />
for ladninger med modsat fortegn. Plot resultaterne i samme<br />
diagram (men selvfølgelig modsatte kvadrant) som resultaterne<br />
ovenfra.<br />
Superpositionsprincippet<br />
Det er velkendt, at kræfter adlyder superpositionsprincippet.<br />
Dette kan vi også forsøge at se eksperimentelt. For en valgt<br />
afstand mellem kuglerne undersøges superpositionsprincippet<br />
ved først at undersøge vekselvirkningen mellem en kugle på<br />
vægten og de to "løse" kugler hver for sig – dernæst vekselvirkningen<br />
mellem kuglen på vægten og de to løse kugler side<br />
om side så tæt på hinanden som muligt i forhold <strong>til</strong> kuglen på<br />
vægten. Husk at måle og notere alle afstande og vinkler. Vurder<br />
på baggrund af den uundgåelige mindste afstand mellem de to<br />
kugler, hvor stor projektionen af de involverede vektorer bliver –<br />
og dermed hvor meget mindre kraften fra de to kugler forventes<br />
at være end summen af kraften fra de to individuelt. Sammenlign<br />
det forventede resultat med det målte – og vurder igen<br />
usikkerheden.<br />
Rapporten<br />
(bør indeholde: Formål med øvelsen, meget kort om teori og kort beskrivelse af<br />
fremgangsmåde)<br />
Redegør for de udførte målinger. Det kan ofte hjælpe på overblik og forståelse allerede<br />
at afbilde måleresultaterne grafisk mens målingerne udføres; så tegn og kommentér<br />
kurverne og anfør alle væsentlige beregninger, sådan at I også ugen efter vil kunne<br />
forstå præcis hvad I har lavet. Alle målinger kan evt. vedlægges som appendices i jeres<br />
(korte) fælles-rapport over de udførte øvelser.<br />
1-7
2 Kapacitans og Dielektrika<br />
Øvelsen illustrerer lærebogens kapitler om Kapacitans og<br />
Dielektrika. Der er altså mulighed for at få praktisk erfaring med<br />
begrebet kapacitans, flytte rundt på ladninger og at afprøve<br />
forskellige materialers dielektriske egenskaber.<br />
2006-05-18<br />
2-1
UNILAB Digitalt Coulombmeter: Anvendelse og egenskaber<br />
Den ladningsopsamlende plade monteres i det positive kontaktpunkt og det<br />
negative kontaktpunkt neutraliseres (jordforbindes). Ladningen måles nu<br />
blot ved at berøre den ladningsopsamlende plade, dvs. ved at etablere<br />
kontakt mellem det objekt, hvorpå man ønsker at måle ladningen og den<br />
ladningsopsamlende plade.<br />
Coulombmeteret har en indgangs-kapacitans på 1 µF. En simpel<br />
ladningsmåling kan kun foretages på objekter med en kapacitans, som er<br />
mindre end 0.01 µF = 10000 pF. Dette skyldes, at coulombmeteret kun er i<br />
stand <strong>til</strong> at flytte næsten al ladningen over <strong>til</strong> sig selv, hvis kapacitansen af<br />
det undersøgte objekt er meget mindre end kapacitansen af meteret selv.<br />
Hermed forbliver kun en forsvindende del af den oprindelige ladning på det<br />
undersøgte objekt.<br />
Coulombmeterets visning inkluderer et "–'' op <strong>til</strong> –999 nC. Over denne<br />
værdi er det fjerde ciffer et "1'' og polariteten vises ikke længere.<br />
Vi beder jer efterlade coulombmeteret med afbryderen i "off''<br />
for at optimere batterilevetiden.<br />
Specificationer:<br />
Interval: ± 1999 nC i trin af 1 nC.<br />
Intern kapacitans: 1 µF.<br />
Intern spændingsforsyning: PP3 batteri (9 V).<br />
2-2
2.1 Kapacitans og dielektrika<br />
Kapacitansen af en pladekondensator er givet ved (se<br />
noter, grundlæggende elektronik: Kapacitor)<br />
A Q<br />
= ε ε og C = ,<br />
d V<br />
C r 0<br />
hvor εr er det dielektriske materiales relative<br />
permittivitet (dielektricitetskonstant). Specielt skal vi<br />
studere kapacitansens afhængighed af geometri, dvs.<br />
af arealet og af afstanden mellem kondensatorpladerne,<br />
samt afhængigheden af materialet mellem<br />
pladerne, dvs. dette materiales dielektriske<br />
egenskaber. Endelig vil vi undersøge virkningen af at<br />
have forskellige dielektriske materialer (luft og trovidur)<br />
<strong>til</strong> stede mellem kondensatorens plader.<br />
2-3<br />
Apparatur, kapacitans<br />
1. coulombmeter<br />
2. kondensatorplader<br />
3. spændingsforsyning<br />
4. voltmeter, universalinstrument<br />
5. mindre plader<br />
6. dielektrikum (trovidur)<br />
Numrene henviser <strong>til</strong> fotografiet
Opladning af kapacitans<br />
Til dette forsøg benyttes en spændingsdeler (lille grå boks med drejepotentiometer) med variabel<br />
udgangsspænding (0 – 100 Volt).<br />
Kapacitansen lades op ved at forbinde den øverste plade <strong>til</strong> udtaget på spændingsdeleren. Herefter<br />
afbrydes forbindelsen <strong>til</strong> spændingsdeleren og ladningen Q på kapacitansen måles nu ved at forbinde den<br />
øverste plade <strong>til</strong> coulombmeteret ved at holde ledningen med en plastikstang. Herved overføres hele<br />
ladningen <strong>til</strong> coulombmeteret og kapacitansen aflades <strong>til</strong> spændingen V = 0 Volt.<br />
Pas på! Berøring af ledningen med hånden vil føre <strong>til</strong> delvis afladning af kondensatoren gennem hånden –<br />
og give fejl på den målte ladning.<br />
Bemærk yderligere: Under alle målinger i denne øvelse er det vigtigt, at spændingsdeler, kapacitans<br />
og coulombmeteret er jordforbundne.<br />
"Jord'' er et objekt, hvis kapacitans er så stor, at man kan fjerne eller <strong>til</strong>føre objektet ladning uden at ændre<br />
dets potential.<br />
Coulombmeter, følsomhed<br />
På grund af coulombmeterets begrænsede<br />
følsomhed gentages opladning og måling af ladning<br />
(f.eks.) 10 gange, idet det udnyttes at<br />
coulombmeteret summerer (integrerer) de påførte<br />
ladninger, hvorved man måler 10 gange den ladning<br />
kapacitansen har opsamlet hver gang. På denne<br />
måde er det muligt at "strække" coulombmeterets<br />
følsomhedsområde.<br />
Afladning/måling af ladning<br />
Hold andre ladede objekter i stor afstand fra det objekt<br />
der skal aflades. Husk at en ladningsmåling også<br />
involverer en afladning. Årsag? Se f.eks. under<br />
billedladning.<br />
2-4
2.1 Målinger af kapacitans<br />
Mål kapacitansen af en pladekondensator ved at måle<br />
opladningsspændingen over kondensatoren og ladningen<br />
på kondensatoren. Som kapacitans benyttes først det<br />
store sæt af plader. Pladen med de fire ben s<strong>til</strong>les på<br />
bordet og forbindes <strong>til</strong> fælles jord (nul) samt jord på<br />
spændingsdeleren. Den anden plade anbringes ved<br />
hjælp af afstandsstykker en bestemt afstand (f.eks. 10<br />
mm) over den første. Kapacitansen lades op <strong>til</strong><br />
spændingen V Volt (se evt. boksen "Opladning af<br />
Kapacitans"). Forsøget gentages for 4 forskellige værdier<br />
af spændingen (mellem 25 og 100 Volt). Spændingen<br />
måles med et voltmeter – direkte på spændingsdeleren (0<br />
– 100 V-kassen).<br />
Kapacitansens afhængighed af afstanden mellem<br />
pladerne undersøges ved for den højeste spænding at<br />
måle den påførte ladning som ovenfor for 4 forskellige<br />
afstande.<br />
Afhængigheden af arealet undersøges ved at foretage en<br />
måling med de små plader (integrer som før over et<br />
passende antal opladninger) med den højeste spænding<br />
og den mindste afstand brugt ovenfor. Gentag denne<br />
måling med den størst mulige afstand som blev brugt<br />
ovenfor. "Stræk" igen coulombmeterets følsomhed ved<br />
som før at integrere over et passende antal opladninger.<br />
2.2 Målinger med dielektrika<br />
Gentag første del af forsøget (2.1), men med trovidur<br />
mellem pladerne i stedet for luft og beregn herved<br />
dielektricitets-konstanten af de fremlagte plader (rød<br />
trovidur, 5 mm tyk, εr ∼ 1,8 – 3,6). Prøv også med<br />
almindeligt papir, men vær sikker på at sørge for<br />
<strong>til</strong>strækkelig isolation mellem pladerne. Pladerne af<br />
dielektrisk materiale er belagt med et elektrisk ledende<br />
lag (grafit) – for at undgå virkningen af eventuelle luftlommer<br />
mellem dielektrikum og metalkondensatorpladerne.<br />
a. Mellemrummet mellem pladerne er fyldt helt ud med<br />
trovidurplader:<br />
trovidur<br />
2-5
Rapporten<br />
(bør indeholde: Formål med den øvelse I har valgt, meget kort<br />
om teori og kort beskrivelse af fremgangsmåde)<br />
Redegør for de udførte målinger. Det kan ofte hjælpe på<br />
overblik og forståelse at afbilde måleresultaterne grafisk; så<br />
tegn og kommentér kurverne og anfør alle væsentlige<br />
beregninger, sådan at I også ugen efter vil kunne forstå præcis<br />
hvad I har lavet. Alle målinger kan evt. vedlægges som<br />
appendices i jeres (korte) fælles-rapport over de udførte<br />
øvelser.<br />
Det kan være praktisk under øvelsen at føre en ”logbog”, tegne<br />
alle kredsløb og angive hvilke målinger der har været udført.<br />
2-6
. Forsøg med en kombination af luft og trovidur<br />
mellem pladerne. Anvend små 5 mm mellemstykker <strong>til</strong><br />
at holde afstanden:<br />
trovidur<br />
c. Forsøg med en halv trovidurplade. Betyder det<br />
noget, hvor pladen anbringes?<br />
trovidur<br />
d. Beregn kapaciteterne fra forsøg b. og c. ud fra<br />
kapaciteten i a.<br />
Vink: Prøv en fiktiv opdeling af kapaciteterne i b. og c.<br />
i delkapaciteter idet en opdeling laves langs en<br />
passende valgt feltlinie eller ækvipotentialflade. Benyt<br />
at visse størrelser (Q eller V) er bevarede under en<br />
sådan opdeling.<br />
Husk at for parallelforbindelser af kapacitanser gælder:<br />
C = C + C<br />
1<br />
2<br />
+ ...<br />
og for serieforbindelser af kapacitanser gælder:<br />
1 1 1<br />
= + + ...<br />
C C C<br />
1<br />
2.3 Databehandling<br />
2<br />
Bestem ud fra den målte sammenhæng mellem V og<br />
Q i første del af forsøget kapacitansen C og<br />
usikkerheden på denne. Sammenlign med den<br />
teoretisk beregnede værdi. Forklar den afvigelse som<br />
findes for store afstande mellem pladerne. Find den<br />
relative dielektricitetskonstant for trovidur (forsøg a.<br />
ovenfor) og beregn teoretisk kapacitanserne for<br />
geometrierne b. og c. ovenfor. Sammenlign med de<br />
målte værdier.<br />
2-7
3.1 Den magnetiske kraftlov<br />
Øvelsen illustrerer Griffiths kapitler 5 og 6. Disse behandler,<br />
hvordan magnetfelter virker på ladninger i bevægelse og hvordan<br />
bevægede ladninger genererer magnetfelter.<br />
Der er mulighed for at undersøge den magnetiske kraftlov og<br />
forskellige typer af målinger af det lokale jordfelt, B:<br />
2006-05-18<br />
Den magnetiske kraftlov og måling af B, 3.1:<br />
Kraft på<br />
strømkreds<br />
3.1.1<br />
Tangensboussole,<br />
Måling af B med<br />
kompas<br />
3.1.2.a<br />
3.1-1<br />
Tangensboussole,<br />
Måling af B med<br />
Hall-sonde<br />
3.1.2.b
3.1-2
3.1-3
3.1 Den magnetiske kraftlov og måling af B<br />
3.1.1 Kraft på strømkreds<br />
Teori. Udgangspunktet er:<br />
d F = I dl<br />
× B,<br />
der udtrykker kraften på et stykke d l af en ledning, hvori der løber<br />
ladningsstrømmen I. I øvelsen er lederen ret med længde L og en<br />
retning, der enten er vinkelret på B, hvorved<br />
F = I L B,<br />
eller danner en vinkel θ med B, hvorved<br />
F = I L B sinθ.<br />
I det første <strong>til</strong>fælde kan længden L varieres (med fastholdt vinkel); i<br />
det andet <strong>til</strong>fælde varieres vinklen (med fastholdt længde).<br />
Målinger<br />
F = I L B for L vinkelret på B<br />
For hver af de forskellige typer af ledningsrammer (forskellige<br />
effektive længder af lederen) udføres en måleserier hvorunder<br />
kraften måles ("vejes'') som funktion af strømmen og magnetfeltet.<br />
Strømme vælges i området 0 – 5 A. Prøv også for enkelte længder<br />
af lederen med henholdsvis 3 og 6 magneter monteret i<br />
magnetfeltgabet.<br />
Databehandling<br />
a. Lineær regression på vægt versus strøm giver BL/g for hvert<br />
L; g er tyngdeaccelerationen (forsøget udføres for alle 6<br />
magneter monterede).<br />
b. Afbildning af de under (a) fundne BL/g versus L og lineær<br />
regression giver B/g og dermed B (6 magneter).<br />
c. (a) og (b) gentages med 3 magneter for udvalgte længder.<br />
3.1-4<br />
Apparatur, Strømkreds<br />
1. strømkreds i forsøgsstativ<br />
2. permanent magnet, (B er ca. 0.07 T)<br />
3. vægt<br />
4. amperemeter, (universalinstrument)<br />
5. strømforsyning<br />
6. ekstra strømkredse<br />
7. permanent magnet <strong>til</strong> 8. (B er ca. 0.03 T)<br />
8. drejbar strømramme<br />
Numrene henviser <strong>til</strong> fotografiet
3.1-5
Variation af vinklen θ i F = I L B sinθ.<br />
Med en konstant værdi af strømmen (5 A er passende) måles<br />
kraften som funktion af vinklen mellem strømretningen og<br />
magnetfeltretningen. Husk at tælle hvor mange vindinger spolen har<br />
– og mål længden af vindingerne i magnetfeltet.<br />
Databehandling:<br />
Undersøg:<br />
1. Vægt versus vinkel, θ.<br />
2. Vægt versus sinθ.<br />
3. Beregn B ved hjælp af mindst en af kurverne fra 1. og 2.<br />
Rapporten<br />
(bør indeholde: Formål med den øvelse I har valgt, meget kort om<br />
teori og kort beskrivelse af fremgangsmåde)<br />
Redegør for de udførte målinger. Det kan ofte hjælpe på overblik<br />
og forståelse at afbilde måleresultaterne grafisk; så tegn og<br />
kommentér kurverne og anfør alle væsentlige beregninger, sådan<br />
at I også ugen efter vil kunne forstå præcis hvad I har lavet. Alle<br />
målinger kan evt. vedlægges som appendices i jeres (korte)<br />
fælles-rapport over de udførte øvelser.<br />
Det kan være praktisk under øvelsen at føre en ”logbog”, tegne alle<br />
kredsløb og angive hvilke målinger der har været udført.<br />
3.1-6
Hallsondemålinger<br />
Hall-sonden består af en målenhed, som er beskyttet af en klar plastikslange. Måleenheden<br />
sidder under en hvid plet på sonden, og den kan måle magnetiske felter med fortegn, når de<br />
går vinkelret ind eller ud af den hvide plet (altså kun den komposant af feltet, som er vinkelret<br />
på sonden). Sonden sidder med en ledning på en kasse med en forstærker. På<br />
forstærkerkassen sidder en omskifter, som kan give stor følsomhed "high" eller mindre<br />
følsomhed "low". Hall-spændingen (proportional med B) måles i LabVIEW på indgang ACH7,<br />
og opsamles eventuelt med <strong>Fysik</strong>21.VI med forvalg "ACQUIRE". Hall-sonden er indrettet, så<br />
den har sine nulpunkter (de er ikke ens for stor og lille følsomhed) omkring 1.8 <strong>til</strong> 2.5 V. Det<br />
betyder, at man ved hver måleserie må starte uden magnetisk felt på sonden og notere<br />
nulpunktet (drej sonden således at jordfeltets vandrette komposant er parallel med sonden.<br />
Disse nulpunkter er altså forskellige for de to områder. Ved en måling er nulpunktet for<br />
eksempel 2.11 V. Man foretager derefter sine målinger, en måling er f. eks. 1.85 V. Resultatet<br />
bliver derfor – 0.26 V. Skal man udregne størrelsen af B-feltet gælder det, at 1.0 V<br />
repræsenterer 3.2 ⋅ 10 -3 T for det grove område, "low" og 1.0 V repræsenterer 1.6 ⋅ 10 -4 T for<br />
det mere følsomme område, "high". Følsomheden er stor nok <strong>til</strong> at man kan måle jordfeltet, og<br />
målingen bliver derfor yderligere påvirket af felter fra jern i borde og strømførende ledninger<br />
mm. Nulpunktet skal kontrolleres igen, hvis man flytter sonden rundt eller drejer den, samt når<br />
man skifter område. Hvis sonden vendes 180 grader fås numerisk den samme værdi - men<br />
med modsat fortegn.<br />
3.1-7
3.1.2 Tangensboussole - Måling af B med kompas og med Hallsonde<br />
("boussole'' er fransk og betyder kompas)<br />
Udgangspunktet er ligningen for magnetfeltet stammende fra en<br />
cirkulær strømkreds:<br />
2<br />
a<br />
Bz( z)<br />
= µ 0IN<br />
3<br />
2 2 2 2(<br />
z + a )<br />
for feltet på aksen af en cirkulær leder med radius a og strøm I; idet<br />
z er afstanden fra den cirkulære leders centrum <strong>til</strong> det betragtede<br />
sted på aksen. Faktoren N betegner antallet af vindinger af den<br />
cirkulære leder.<br />
3.1.2.a Målinger med kompas<br />
De cirkulære ledere i tangens-boussolen ligger alle i samme<br />
plan (det er i alt fald <strong>til</strong>stræbt fra konstruktørens side) med<br />
sammen-faldende, vandrette akser. Figuren <strong>til</strong> højre viser feltet<br />
B(z) frembragt af strømmen I, samt jordfeltets vandrette<br />
komponent, B0, idet apparaturet skal drejes om en lodret akse,<br />
sådan at B0 ligger i de cirkulære lederes plan (Det er jeres eget<br />
ansvar at sikre dette!). Herved bliver B(z) vinkelret på B0. B0 og<br />
B(z) kan måles direkte med Hall-sonden. Retningen af det<br />
resulterende felt beskrives ved vinklen v, hvis tangens er<br />
Bz<br />
tanv<br />
= .<br />
B0<br />
Idet kompassets magnetnål inds<strong>til</strong>ler sig parallelt med det<br />
resulterende felt, kan dets retning måles ved at aflæse<br />
magnetnålens s<strong>til</strong>ling.<br />
3.1-8<br />
Apparatur, Boussole<br />
1. cirkulære ledere<br />
2. boussole<br />
3. amperemeter, (universalinstrument)<br />
4. strømforsyning<br />
Numrene henviser <strong>til</strong> fotografiet
Inds<strong>til</strong>ling af strøm<br />
Apparaturet giver mulighed for at ændre de variable, der optræder på<br />
højre side af ligningen. Strømmen I kan ændres i området 0 – 6 A med<br />
den "gule" strømforsyning, og måles med et digitalt multimeter<br />
(Spændings-reguleringspotentiometret s<strong>til</strong>les ca. 1/3 del op. Strømmen<br />
reguleres på strømreguleringspotentiometret). Antallet af vindinger N og<br />
radius a kan vælges på apparatets panel således:<br />
Stik på apparatets panel N a [mm]<br />
1 1 52<br />
2 1 68<br />
3 1 86<br />
A 1 101<br />
B 2 101<br />
C 3 101<br />
D 4 101<br />
Da endvidere kompasset kan forskydes i akseretningen z kan denne<br />
funktionsafhængighed af z efterprøves (udføres kun for N = 4).<br />
3.1-9
Læg mærke <strong>til</strong>, at den relative nøjagtighed på tan v er (bevis det i<br />
rapporten):<br />
∆ tanv 2∆v<br />
= ,<br />
tanv<br />
sin2v<br />
altså mindst for v = 45°. Måleserier at typen v versus I bør derfor<br />
<strong>til</strong>rettelægges med eksempelvis 5 værdier af v i området 15° - 60°,<br />
og således at tanv-værdierne bliver nogenlunde ækvidistante.<br />
Aflæsningen af v sker med vandret sigte gennem en lup i<br />
kompassets rand. Begynd herefter med at dreje apparatet om lodret<br />
akse, således at magnetnålen kommer <strong>til</strong> at ligge i de cirkulære<br />
lederes plan. Den aflæste vinkel skal da være 90°. Herefter<br />
foretages følgende måleserier, hver bestående af ca. fem<br />
sammenhørende værdier af vinklen v og strømmen I (hvor det er<br />
muligt, benyt samme strømværdi i alle måleserier):<br />
Måleserie z [mm] Stik på apparatets panel N a [mm]<br />
1 0 1 1 52<br />
2 0 2 1 68<br />
3 0 3 1 86<br />
4 0 A 1 101<br />
5 0 B 2 101<br />
6 0 C 3 101<br />
7 0 D 4 101<br />
8 100 D 4 101<br />
9 150 D 4 101<br />
N er antallet af vindinger og a er radius af den cirkulære strømkreds.<br />
Forslag <strong>til</strong> værdier for I [A]: (0,0; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0;<br />
6,0). Vælg selv blandt disse, men de fremhævede værdier skal<br />
gennemføres!<br />
3.1-10
Databehandling, kompasmålinger:<br />
(B0 = 17.6 µT, tabelværdi; dette er den vandrette komposant af<br />
Jordfeltet lokalt i København. Følgende oplysninger benyttes ikke,<br />
men <strong>til</strong> jeres orientering: Lokalt er inklinationen af Jord-feltet 70° og<br />
den lodrette komposant af jordfeltet er 45.8 µT.)<br />
Lineær regression på tan v versus I for mindst 2 af måleserierne (1,<br />
2, 3 eller 4).<br />
1.<br />
Beregn B0 for én af måleserierne.<br />
µ 0Na<br />
tanv<br />
=<br />
⋅I.<br />
3<br />
2 2<br />
2B<br />
( z + a ) 2<br />
2. For serierne 1-4 (z = 0, N = 1, I = 2 A) lineær regression på<br />
tanv<br />
=<br />
µ 0INa<br />
2B<br />
2 2<br />
( z + a )<br />
0<br />
0<br />
2<br />
2<br />
3<br />
2<br />
versus 1/a. Heraf beregnes en værdi af B0.<br />
µ 0IN<br />
1<br />
= ⋅<br />
2B<br />
a<br />
3. For serierne 4-7 (z = 0, a = 101 mm, I = 2 A) lineær regression på<br />
µ 0Ia<br />
µ 0I<br />
tanv<br />
=<br />
⋅N<br />
= ⋅N<br />
3<br />
2 2 B a<br />
B z + a 2 2<br />
2 ( )<br />
0<br />
versus N. Heraf beregnes en værdi af B0.<br />
0<br />
2<br />
4. For serierne 7-9 (N = 4, a = 101 mm, I = 1,5 A) lineær regression<br />
på<br />
versus<br />
0<br />
2<br />
µ 0INa<br />
tanv<br />
=<br />
2<br />
2B<br />
( z + a<br />
( z<br />
Heraf beregnes en værdi af B0.<br />
3<br />
2 2<br />
2<br />
)<br />
a<br />
2<br />
+ a<br />
µ 0IN<br />
=<br />
2B<br />
2<br />
)<br />
3<br />
2<br />
.<br />
0<br />
0<br />
( z<br />
2<br />
a<br />
2<br />
+ a<br />
3<br />
2 2<br />
Er parameter-afhængighederne i overensstemmelse med teorien?<br />
Er der overensstemmelse mellem de fundne værdier af B0?<br />
3.1-11<br />
)
3.1.2.b Cirkulær strømkreds, måling af B med Hallsonde.<br />
Måleserien udføres med Hall-sonden, hvor Bz(z) måles.<br />
Måleserie z [mm] Stik på apparatets panel N a [mm]<br />
1 20 1 1 52<br />
2 20 2 1 68<br />
3 20 3 1 86<br />
4 20 A 1 101<br />
5 20 B 2 101<br />
6 20 C 3 101<br />
7 20 D 4 101<br />
8 100 D 4 101<br />
9 150 D 4 101<br />
a er radius af den cirkulære strømkreds.<br />
Databehandling, Hallsonde-målinger:<br />
a. For serierne 1-4 (z = 20 mm, N = 1). Bestem den målte<br />
funktionsafhængighed B(a).<br />
b. For serierne 4-7 (z = 20 mm, a = 101 mm). Bestem den målte<br />
funktionsafhængighed B(N).<br />
c. For serierne 7-9 (N = 4, a = 101 mm). Bestem den målte<br />
funktionsafhængighed B(z).<br />
Er parameter-afhængighederne i overensstemmelse med teorien?<br />
Rapporten<br />
(bør indeholde: Formål med den øvelse I har valgt, meget kort om<br />
teori og kort beskrivelse af fremgangsmåde)<br />
Redegør for de udførte målinger. Det kan ofte hjælpe på overblik<br />
og forståelse at afbilde måleresultaterne grafisk; så tegn og<br />
kommentér kurverne og anfør alle væsentlige beregninger, sådan<br />
at I også ugen efter vil kunne forstå præcis hvad I har lavet. Alle<br />
målinger kan evt. vedlægges som appendices i jeres (korte)<br />
fælles-rapport over de udførte øvelser.<br />
Det kan være praktisk under øvelsen at føre en ”logbog”, tegne alle<br />
kredsløb og angive hvilke målinger der har været udført.<br />
3.1-12
3.1-13
3.2 Feltet fra en magnetisk dipol<br />
2006-05-18<br />
3.2-1
Hall-sonde<br />
Rapporten<br />
(bør indeholde: Formål med den øvelse I har valgt, meget kort<br />
om teori og kort beskrivelse af fremgangsmåde)<br />
Redegør for de udførte målinger. Det kan ofte hjælpe på<br />
overblik og forståelse at afbilde måleresultaterne grafisk; så<br />
tegn og kommentér kurverne og anfør alle væsentlige<br />
beregninger, sådan at I også ugen efter vil kunne forstå præcis<br />
hvad I har lavet. Alle målinger kan evt. vedlægges som<br />
appendices i jeres (korte) fælles-rapport over de udførte<br />
øvelser.<br />
Det kan være praktisk under øvelsen at føre en ”logbog”, tegne<br />
alle kredsløb og angive hvilke målinger der har været udført.<br />
3.2-2<br />
Dipol<br />
Dipol<br />
Hallsondemålinger<br />
Hall-sonden består af en målenhed, som er beskyttet af en klar plastikslange. Måleenheden<br />
sidder under en hvid plet på sonden, og den kan måle magnetiske felter med fortegn, når de<br />
går vinkelret ind eller ud af den hvide plet (altså kun den komposant af feltet, som er vinkelret<br />
på sonden). Sonden sidder med en ledning på en kasse med en forstærker. På<br />
forstærkerkassen sidder en omskifter, som kan give stor følsomhed "high" eller mindre<br />
følsomhed "low". Hall-spændingen (proportional med B) måles på indgang ACH7, og opsamles<br />
eventuelt med <strong>Fysik</strong>21.VI med forvalg "ACQUIRE". Hall-sonden er indrettet, så den har sine<br />
nulpunkter (de er ikke ens for stor og lille følsomhed) omkring 1.8 <strong>til</strong> 2.5 V. Det betyder, at man<br />
ved hver måleserie må starte uden magnetisk felt på sonden og notere nulpunktet (drej sonden<br />
således at jordfeltets vandrette komposant er parallel med sonden. Disse nulpunkter er altså<br />
forskellige for de to områder. Ved en måling er nulpunktet for eksempel 2.11 V. Man foretager<br />
derefter sine målinger, en måling er f. eks. 1.85 V. Resultatet bliver derfor – 0.26 V. Skal man<br />
udregne størrelsen af B-feltet gælder det, at 1.0 V repræsenterer 3.2 ⋅ 10 -2 T for det grove<br />
område, "low" og 1.0 V repræsenterer 1.6 ⋅ 10 -3 T for det mere følsomme område, "high".<br />
Følsomheden er stor nok <strong>til</strong> at man kan måle jordfeltet, og målingen bliver derfor yderligere<br />
påvirket af felter fra jern i borde og strømførende ledninger mm. Nulpunktet skal kontrolleres<br />
igen hvis man flytter sonden rundt eller drejer den, samt når man skifter område. Hvis sonden<br />
vendes 180 grader fås numerisk den samme værdi - men med modsat fortegn.<br />
Lineal <strong>til</strong> styring af dipol
3.2.1 Måling af feltet fra en dipol med Hall-sonde.<br />
Teori<br />
En dipols magnetiske dipolmoment kaldes: m og<br />
B l<br />
µ 0 m<br />
( r ) = , magnetfeltet langs dipolens længdeakse.<br />
3<br />
2πr<br />
Målinger<br />
En lille stangmagnet betegnes som en dipol, idet den altid har to<br />
poler, en nord- og en sydpol. Ligger disse tæt ved hinanden vil de<br />
set fra nogen afstand ses som i næsten samme punkt. Ved hjælp<br />
af målingerne skal man finde afstandsloven for en sådan dipol.<br />
Dipolen anbringes i en speciel holder sammen med Hall-sonden.<br />
Der måles fra en mindste afstand, der er ca. den dobbelte længde<br />
af dipolen, idet man tæt på har et relativt kompliceret felt.<br />
Målingerne sker fra ca. 5 cm (eller max. 4 Volt) og <strong>til</strong> signalet ikke<br />
længere kan skelnes fra baggrunden (< 0.01 V) eller bliver næsten<br />
konstant (20 – 30 cm væk) i Hall-sonde-inds<strong>til</strong>lingen "high". Skal<br />
man udregne størrelsen af B-feltet gælder det, at 1.0 V<br />
repræsenterer 3.2 ⋅ 10 -2 T for det grove område, "low" og 1.0 V<br />
repræsenterer 1.6 ⋅ 10 -3 T for det mere følsomme område, "high".<br />
Husk at måle Hall-sondens nulpunktsvisning – langt fra kilder<br />
<strong>til</strong> magnetfelter.<br />
Der måles to "afstands-love":<br />
Først i dipolens længderetning; dvs. sådan at stangmagnetens ene<br />
ende peger ind mod den hvide plet, som angiver placeringen af<br />
Hall-sondens "måleflade". Sørg for at få afstandsmålingerne godt<br />
fordelte.<br />
Et lignende eksperiment gøres derefter med dipolen vinkelret på<br />
Hall-sonden måleflade (dvs. så dipolens ene ende peger ind i<br />
enden af det rør, som Hall-sonden er monteret i; se skitsen <strong>til</strong><br />
venstre).<br />
Databehandling<br />
Ved hjælp af ovenstående resultater bestemmes afstandsloven for<br />
dipolen: B(r) = konstant ⋅ f(r), hvor f(r) skal findes. Afstandsloven<br />
skal bestemmes for begge målinger. Kommenter resultaterne.<br />
Ved hjælp af resultaterne for feltet målt i forlængelse af<br />
stangmagneten (dipolen): B l (r) skal dipolens magnetiske moment<br />
m beregnes og usikkerheden på m bestemmes (m er af<br />
størrelsesordenen 0,3 Am 2 ).<br />
3.2-3
3.2-4
3.3 Magnetiske materialer (magnetika)<br />
Øvelsen illustrerer nogle af de vigtigste af magnetiske materialers<br />
egenskaber:<br />
2006-05-18<br />
Magnetiske materialer (magnetika) 3.3:<br />
Magnetisering og<br />
afmagnetisering af<br />
jern. Hysteresekurver<br />
3.3.1<br />
3.3-1<br />
Barkhauseneffekten<br />
3.3.2
3.3-2
3.3 Magnetiske materialer (magnetika)<br />
I Griffiths kapitel 6 beskrives ferromagnetiske materialers<br />
magnetiske egenskaber. Spontan ordning, Curie-temperatur og<br />
domæner nævnes. I øvelsen vil vi undersøge, hvordan magnetiske<br />
materialer opfører sig når de udsættes for et magnetfelt. Vi vil prøve<br />
at afmagnetisere materialer, vi vil udmåle en såkaldt "jomfrukurve'',<br />
og vi vil udmåle (det meste af) hysteresekurven for to<br />
ferromagnetiske materialer og (måske vil) de mest ihærdige af os<br />
prøve at observere en effekt af vekselvirkningen mellem<br />
domænevægge og defekter i materialet (Barkhausen-effekten).<br />
3.3-3<br />
Apparatur, Magnetika<br />
1. strømforsyning<br />
2. 2 spoler med 600 vindinger<br />
3. 1 lille jernkerne i "blødt jern'' (rød)<br />
4. 1 lille jernkerne i "hårdt jern'' (grøn)<br />
5. 1 transformerkerne (mørk blå) Anvendes ikke her<br />
6. 2 universalinstrumenter (multimetre)<br />
7. Hall-sonde<br />
8. permanent magnet<br />
9. kasse <strong>til</strong> eftervisning af "Barkhausen-effekten''<br />
Numrene henviser <strong>til</strong> fotografierne.
Til den første del af øvelsen vil vi undersøge magnetisering og<br />
afmagnetisering af to forskellige jerntyper (dvs. vi vil udmåle<br />
hysteresekurven). Til denne undersøgelse findes to små jernkerner af<br />
henholdsvis "blødt'' (rød) – og "hårdt'' jern (grøn). I hvert forsøg samles<br />
jernkernen med to 600 vindings-spoler monteret på hvert sit ben af<br />
jernkernen og spolerne forbindes i serie (således at feltet fra de to spoler<br />
adderes) <strong>til</strong> jævnspændingsbøsningerne på den gule kasse gennem et<br />
amperemeter. Til bestemmelse af magnetiseringen burde man egentlig måle<br />
("M–H'') magnetfeltet i gabet (luftspalten) i jernkernen ved det ene ben.<br />
(Feltet er af størrelsen 0 – 0.5 T). Her<strong>til</strong> benyttes en såkaldt Hall-sonde, hvis<br />
udgangsspænding er proportional med magnetfeltet B. Desværre kan den<br />
benyttede Hallsonde her i øvelsen ikke måle så store værdier af B - som<br />
opstår i gabet. Man bliver derfor nødt <strong>til</strong> at anbringe Hallsonden få centimeter<br />
uden for gabet i et forsøgsstativ, således at den målte brøkdel af feltet (som<br />
forudsættes konstant ca. 1/150 × B), kommer <strong>til</strong> at ligge indenfor sondens<br />
funktionsområde.<br />
Hall-sonden består af en målenhed, som er beskyttet af en klar plastikslange.<br />
Måleenheden sidder under en hvid plet på sonden, og den kan måle<br />
magnetiske felter med fortegn, når de går vinkelret ind eller ud af den hvide<br />
plet (altså kun den komposant af feltet, som er vinkelret på sonden. Fladen i<br />
den hvide plet skal være parallel med spalten). Sonden sidder med en<br />
ledning på en kasse med en forstærker. På forstærkerkassen sidder en<br />
omskifter, som kan give stor følsomhed "high" eller mindre følsomhed "low".<br />
Hall-spændingen (proportional med B) måles på indgang ACH7, og opsamles<br />
eventuelt med <strong>Fysik</strong>21.VI med forvalg "ACQUIRE". Hall-sonden er indrettet,<br />
så den har sine nulpunkter (de er ikke ens for stor og lille følsomhed) omkring<br />
1.8 <strong>til</strong> 2.5 V. Det betyder, at man ved hver måleserie må starte uden<br />
magnetisk felt på sonden og notere nulpunktet (drej sonden således at<br />
jordfeltets vandrette komposant er parallel med sonden. Disse nulpunkter er<br />
altså forskellige for de to områder. Ved en måling er nulpunktet for eksempel<br />
2.11 V. Man foretager derefter sine målinger, en måling er f. eks. 1.85 V.<br />
Resultatet bliver derfor – 0.26 V. Skal man udregne størrelsen af B-feltet<br />
gælder det, at 1.0 V repræsenterer 3.2 ⋅ 10 -2 T for det grove område, "low" og<br />
1.0 V repræsenterer 1.6 ⋅ 10 -3 T for det mere følsomme område, "high".<br />
Følsomheden er stor nok <strong>til</strong> at man kan måle jordfeltet, og målingen bliver<br />
derfor yderligere påvirket af felter fra jern i borde og strømførende ledninger<br />
mm. Nulpunktet skal kontrolleres igen hvis man flytter sonden rundt eller<br />
drejer den, samt når man skifter område. Hvis sonden vendes 180 grader fås<br />
numerisk den samme værdi - men med modsat fortegn.<br />
I denne øvelse anvendes kun det grove område (20x). Start med kortvarigt at<br />
sende 4 A gennem spolerne (i begge retninger) og kontroller ved at flytte<br />
Hall-sonden at denne stadig kan måle feltet uden at ”overstyre” sondens<br />
forstærker (kurven bliver helt "flad" i toppen/bunden ved "overstyring" fordi<br />
forstærkeren ikke er i stand <strong>til</strong> at yde en højere spænding).<br />
Ved alle målinger er det vigtigt ikke at slukke for strømmen før den langsomt<br />
er skruet ned <strong>til</strong> nul. (Problemet er store inducerede elektromotoriske kræfter<br />
i kredsen ved hurtige strømændringer med fare for elektrisk overslag i<br />
isolationsmaterialerne).<br />
3.3-4<br />
Målinger af hysteresekurver
3.3.1 Målinger af hysteresekurver: B(I)<br />
a. Den ene lille jernkerne (rød eller grøn) samles og Hall-sonden<br />
monteres i et forsøgsstativ få cm udenfor luftspalten – således at<br />
magnetfeltet peger ”vinkelret” ind mod den ”hvide” måleplet.<br />
Begynd øvelsen med at "afmagnetisere'' den jernkerne som<br />
benyttes. Dette gøres ved at forbinde de to 600 vindings-spoler i<br />
serie <strong>til</strong> vekselspændingsbøsningerne på den gule kasse og<br />
derefter langsomt (ca. 10 s) skrue spændingen op <strong>til</strong> 30 V og <strong>til</strong>bage<br />
<strong>til</strong> nul.<br />
b. Spolerne forbindes derefter <strong>til</strong> jævnspændingsbøsningerne på<br />
den gule kasse og strømmen måles med Metex M-4650CR (20 A).<br />
Magnetfeltet måles med Hallsonden. Start målingerne for strømmen<br />
I = 0 A, forøg strømmen i spring på ca. 0.15 A op <strong>til</strong> en stømstyrke<br />
på 4 A (skru aldrig ned for strømmen under målingerne af<br />
virkningen af stigende strøm – og aldrig op for målinger med<br />
faldende strøm; den præcise værdi af den valgte strøm er ikke<br />
kritisk).<br />
Herefter reduces strømmen igen i spring på ca. 0.15 A <strong>til</strong> strømmen<br />
igen er skruet ned <strong>til</strong> 0 A. For hver måling aflæses strømmen I og<br />
Hall-spændingen U7. Ombyt + og - på spolespændingen og gentag<br />
forsøget med modsat fortegn for strømmen gennem spolerne.<br />
Ombyt + og – på spolespændingen og gentag for strømmen I = 0 <strong>til</strong><br />
4 A. Fortsæt herfra med at reducere strømmen i spring som før <strong>til</strong><br />
strømmen igen er nul. Husk at gemme jeres data for hvert delforløb<br />
ovenfor og udskriv graf og tabel (med jeres holdnavne på) over alle<br />
resultater.<br />
c. Gentag ovenstående for den anden lille jernkerne.<br />
Databehandling<br />
Tegn en hysteresekurve for de to små transformere, afbild B som<br />
funktion af I, forklar forskellen og beskriv forløbet af de enkelte dele<br />
af kurven.<br />
Forsøg i løbet af øvelsen at svare på følgende spørgsmål:<br />
Beskriv forskellen på "hårdt'' og "blødt'' jern.<br />
Hvordan kan man gøre et magnetisk materiale "umagnetisk'' igen?<br />
Hvilken dimension har produktet af et "H-felt'' og et "B-felt'' – og<br />
hvilken fysisk betydning har arealet af hysteresekurven?<br />
Hvilke konsekvenser har dette f.eks. ved anvendelse af (blødt) jern<br />
<strong>til</strong> transformatorkerner?<br />
3.3-5
3.3.2 Barkhausen-effekten<br />
Undersøg ved hjælp af den lille pick-up spole, en forstærker og en<br />
højttaler (alt samlet i en kasse) virkningen af at udsætte et<br />
magnetisk materiale (jern- og nikkel-tråd) for et succesivt voksende<br />
magnetfelt (f.eks fra en permanent magnet). Når effekten er aftaget,<br />
prøv da at vende magneten, gentag forsøget og "hør suset'' (hvis<br />
man er tålmodig/forsigtig kan "suset'' høres som en række små<br />
"klik''). Hvad er årsagen <strong>til</strong> det sus man hører?<br />
Beskriv spolen med Ni-tråd og hvordan man anvender disse<br />
med en magnet for at remagnetisere tråden. Forstærkeren <strong>til</strong><br />
dette eksperiment skal forsynes med +/- 15 V og nul.<br />
3.3-6
4 Induktion<br />
2006-05-18<br />
4-1
4-2
4.1 Induktion<br />
Deløvelserne under induktion skal specielt illustrere<br />
frembringelse af inducerede elektromotoriske kræfter ved strøm<br />
– fluxændringer gennem en lukket kreds.<br />
Teori: Se lærebogens (Griffiths) kapitel 7.1, 7.2 og opgaverne<br />
7.53 - 7.54.<br />
I enhver lukket kurve C, som omslutter fladen S induceres en<br />
elektromotorisk kraft af størrelsen:<br />
dΦ<br />
d<br />
ε = − = − ∫ B ⋅da.<br />
(Griffiths 7.12, 7.13)<br />
dt dt S<br />
For et kredsløbs selvinduktion gælder:<br />
dI<br />
ε = −L<br />
.<br />
(Griffiths 7.26)<br />
dt<br />
For to magnetisk koblede strømkredse gælder for induktionen i<br />
kreds 2 når strømmene ændres:<br />
dI1<br />
ε 2 = −M<br />
.<br />
(Griffiths 7.24)<br />
dt<br />
4-3<br />
Apparatur, Induktion<br />
1. PC<br />
2. interface <strong>til</strong> PC, "Joana''<br />
3. spoler: 2 med 600 vindinger, 1 med 1200<br />
vindinger<br />
4. 1 U-formet transformerkerne med åg og<br />
<strong>til</strong>spændingsbeslag<br />
5. universalinstrumenter Metex 4650CR<br />
6. strømforsyning (den gule kasse)<br />
7. induktionsspole<br />
8. 1 permanent magnet<br />
9. forstærker 100 ×<br />
(indbygget i kassen med el-motor)<br />
Numrene henviser <strong>til</strong> fotografierne
4-4
Målinger<br />
1. Tilslut 1200-vindingsspolen <strong>til</strong> PC'en (Vælg enten PC-skop<br />
(hurtig) eller (anbefalet) <strong>Fysik</strong>21.VI (langsommere)) via<br />
forstærkeren i den blå-grønne plastikkasse (apparat nr. 9 på<br />
figuren side 4-9). Tilslut udgangen af forstærkeren <strong>til</strong> ACH6 med<br />
specielt kabel her<strong>til</strong>. Bemærk: Forstærkeren virker kun på<br />
denne måde, når vindingsomskifteren står <strong>til</strong> 200 vindinger.<br />
Foretag målinger af virkningen af indføring af en permanent<br />
magnet i spolen. Bemærk retning og størrelse af den inducerede<br />
elektromotoriske kraft som funktion af den hastighed og retning,<br />
hvormed magneten bevæges. Gem de målte data for printning,<br />
sådan at I kan foretage optegnelser af jeres iagttagelser direkte<br />
på printet (gerne direkte i Word, hvis det bliver overskueligt).<br />
Husk altid inden udprintning at skrive en passende overskrift i<br />
dokumentet så printet nemt kan identificeres (f.eks.<br />
gruppeinitialer og dato).<br />
2. Prøv at gennemføre eksperimenter som ovenfor, men ved at<br />
holde magneten fast og bevæge spolen i forhold <strong>til</strong> magneten.<br />
Diskuter hvorvidt jeres iagttagelser stemmer overens med Lenz'<br />
lov.<br />
3. Måling af den elektromotoriske kraft i en speciel ops<strong>til</strong>ling –<br />
bygget med en jernkerne.<br />
Målingen foretages ved at trække induktionsspolen ud af<br />
magnetfeltet mellem polerne på elektromagneten med en<br />
konstant hastighed. I dette forsøg kan alle tre parametre<br />
(hastigheden v, magnetfeltet B (strømmen I i spolerne) og<br />
vindingstallet i induktionsspolen) varieres uafhængigt af<br />
hinanden. (se for eksempel Griffiths figure 7.10). Jernkernen<br />
samles med to 600 vindinger spoler og afstandsstykker mellem<br />
kerne og åg, således at induktionsspolen kan trækkes ud af det<br />
magnetfeltgab, der opstår mellem kerne og åg ved det ene ben.<br />
Spolerne forbindes i serie og forsynes med jævnspænding fra<br />
den gule kasse (1 A, 2 A og også 3 A kortvarigt).<br />
Induktionsspolen ophænges med et lod som modvægt i en<br />
sytråd viklet om akslen <strong>til</strong> den motor som styrer udtrækningen.<br />
Motor og forstærker er samlet i den fælles blå-grønne<br />
forstærkerkasse. Det er praktisk at vikle tråden om akslen<br />
således at spolen trækkes op når kontakten slås op, og spolen<br />
går ned når kontakten slås ned. Udtrækningshastigheden styres<br />
ved at variere vekselspændingen <strong>til</strong> motoren fra den gule kasse<br />
(10 V, 15 V, 20 V og 25 V f. eks.). Tilslut induktionsspolen<br />
gennem forstærkeren <strong>til</strong> ACH6. Benyt en skydelære <strong>til</strong> at måle<br />
det stykke spolen trækkes ud af magnetfeltet og benyt PC'ens<br />
timer (<strong>Fysik</strong>21.VI) <strong>til</strong> at måle den tid udtrækningen varer.<br />
4-5
A<br />
l<br />
l l<br />
N ⋅ I = Φ ⋅ = B .<br />
µ A µ<br />
0<br />
Rapporten<br />
(bør indeholde: Formål med den øvelse I har valgt, meget kort<br />
om teori og kort beskrivelse af fremgangsmåde)<br />
Redegør for de udførte målinger. Det kan ofte hjælpe på<br />
overblik og forståelse at afbilde måleresultaterne grafisk; så<br />
tegn og kommentér kurverne og anfør alle væsentlige<br />
beregninger, sådan at I også ugen efter vil kunne forstå præcis<br />
hvad I har lavet. Alle målinger kan evt. vedlægges som<br />
appendices i jeres (korte) fælles-rapport over de udførte<br />
øvelser.<br />
Det kan være praktisk under øvelsen at føre en ”logbog”, tegne<br />
alle kredsløb og angive hvilke målinger der har været udført.<br />
4-6<br />
0<br />
Amperes lov
Inds<strong>til</strong> transformerspolestrømmen <strong>til</strong> 2 A jævnstrøm. Tilslut 400<br />
vindinger på induktionsspolen <strong>til</strong> forstærkeren (100 ×’s<br />
forstærkning og mål den inducerede elektromotoriske kraft ved<br />
fire forskellige udtrækningshastigheder.<br />
4. Inds<strong>til</strong> transformerspolestrømmen <strong>til</strong> 2 A jævnstrøm. Benyt ca.<br />
15 V vekselspænding <strong>til</strong> udtræknings-motoren og mål igen den<br />
elektromotoriske kraft - denne gang for alle tre vindingstal i<br />
induktionsspolen (200, 400 og 600).<br />
5. Til slut måles den elektromotoriske kraft ved at ændre<br />
spolestrømmen. Benyt 15 V <strong>til</strong> udtrækningen og <strong>til</strong>slut 600<br />
vindings-spolen <strong>til</strong> forstærkeren. Udfør forsøget ved<br />
spolestrømmene 1 A, 2 A og kortvarigt også 3 A.<br />
Databehandling<br />
Vedrørende 3), 4) og 5)<br />
Eftervis sammenhængen mellem den målte elektromotoriske<br />
kraft og de indgående størrelser i formel 7.11 (Griffiths). Prøv<br />
også at beregne størrelsen af magnetfeltet B i transformergabet<br />
ved de tre spolestrømme (1 A, 2 A og 3 A).<br />
Benyt Amperes lov:<br />
l l<br />
N ⋅ I = Φ ⋅ = B .<br />
µ A µ<br />
0<br />
0<br />
4-7
Appendix <strong>til</strong> vejledning <strong>til</strong><br />
<strong>Laboratorieøvelser</strong>:<br />
<strong>Fysik</strong> 4<br />
Beskrivelse af nogle af<br />
de anvendte apparater<br />
2006-05-18
IMPO strøm- og spændingsforsyning type 11.17 (den gule kasse)<br />
Anvendelse som jævnspændingsforsyning:<br />
Drej funktionsvælgeren "1'' <strong>til</strong> V.DC. Drej "2'' ("DC Current Reg.'') <strong>til</strong> maximum. Knappen<br />
"3''; ("DC Voltage Reg.'') regulerer spændingen mellem 0 - 25 V som vist på<br />
viserinstrumentet ("5'').<br />
Hvis man ønsker automatisk strømbegrænsning inds<strong>til</strong>les denne som følger:<br />
Funktionsvælgeren "1'' drejes <strong>til</strong> A.DC. Udgangsterminalerne ("6'') kortsluttes med en kort<br />
ledning. Drej nu knappen "2'' ("DC Current Reg.'') <strong>til</strong> viserinstrumentet ("5'') viser den<br />
maximalt ønskede strøm. Drej funktionsvælgeren "1'' <strong>til</strong>bage <strong>til</strong> V.DC.<br />
Spændingsforsyningen er nu klar <strong>til</strong> brug. Knappen "3'' ("DC Voltage Reg.'') regulerer som<br />
før spændingen mellem 0 - 25V.<br />
Bemærk: Det er muligt at benytte jævnspænding og vekselspænding samtidig (separate<br />
udgangsstik).<br />
Anvendelse som strømforsyning:<br />
Drej funktionsvælgeren "1'' <strong>til</strong> A.DC. Drej "3'' ("DC Voltage Reg.'') <strong>til</strong> maximum. Knappen<br />
"2'' ( "DC Current Reg.'') regulerer nu strømmen i den <strong>til</strong>sluttede belastning.<br />
Specifikationer:<br />
Forsyningsspænding: 220 V AC ± ~10 %, 50/60 Hz.<br />
Jævnspænding: 0 - 25 V trinløs variabel, stabiliseret, kortslutningssikker.<br />
Max. belastningsstrøm: > 6 A.<br />
Strømbegrænsninger: 0 - 6 A trinløs variabel konstant strømbegrænser.<br />
Vekselspænding: 0 - 30 V trinløs variabel.<br />
Max. belastningsstrøm: > 6 A.<br />
Sikring på AC udgang: termisk/magnetisk automatsikring.<br />
Udgange: DC og AC galvanisk adskilte.<br />
For yderligere oplysninger om IMPO strøm- og spændingsforsyning se "Betjeningsvejledning for EL-<br />
BOX'', Impo electronics A/S.
UNILAB Digitalt Coulombmeter: Anvendelse og egenskaber<br />
Den ladningsopsamlende plade monteres i det positive kontaktpunkt og det<br />
negative kontaktpunkt neutraliseres (jordforbindes). Ladningen måles nu<br />
ved at berøre den ladningsopsamlende plade, dvs. ved at etablere kontakt<br />
mellem det objekt, hvorpå man ønsker at måle ladningen og den<br />
ladningsopsamlende plade.<br />
Coulombmeteret har en indgangs-kapacitans på 1 µF. En simpel<br />
ladningsmåling kan kun foretages på objekter med en kapacitans, som er<br />
mindre end 0.01 µF = 10000 pF. Dette skyldes, at Coulombmeteret kun er i<br />
stand <strong>til</strong> at flytte næsten al ladningen over <strong>til</strong> sig selv, hvis kapacitansen af<br />
det undersøgte objekt er meget mindre end kapacitansen af meteret selv.<br />
Hermed forbliver kun en forsvindende del af den oprindelige ladning på det<br />
undersøgte objekt.<br />
Coulombmeterets visning inkluderer et "–'' op <strong>til</strong> –999 nC. Over denne<br />
værdi er det fjerde ciffer et "1'' og polariteten vises ikke længere.<br />
Coulombmeteret bør efterlades med afbryderen i "off'' for at<br />
optimere batterilevetiden.<br />
Specificationer<br />
Interval: ± 1999 nC i trin af 1 nC.<br />
Intern kapacitans: 1 µF.<br />
Intern spændingsforsyning: PP3 batteri (9 V).<br />
For yderligere oplysninger, se "UNILAB Notes for use No. 97''.
Monteringsplade (fumlebrædt)<br />
Til en del af øvelserne anvendes en monteringsplade <strong>til</strong> opbygning af elektriske kredsløb<br />
indeholdende spoler, kondensatorer, modstande og integrerede kredsløb.<br />
Kablerne i figurerne foroven <strong>til</strong> venstre er monteret i Telefonbøsninger: Telefonbøsningerne<br />
benyttes som forbindelser <strong>til</strong> strøm-forsyninger, signaler og stelforbindelser. Bøsningerne kan<br />
benyttes <strong>til</strong> bananstik og løse ledninger kan spændes fast under bøsningernes omløbere.<br />
"Bus''-forbindelser: De seks langsgående rækker (2 i midten og 2 langs hver kant) af<br />
monteringshuller, se figure nederst <strong>til</strong> højre - er forbundet som seks uafhængige forbindelser, dvs<br />
hullerne i hver række er elektrisk forbundne (men hver af de 6 enkelte rækker er uafhængige af<br />
hinanden).<br />
De fire langsgående paneler med hver fem huller på tværs af pladen - er forbundet således at de<br />
fem huller danner en lokal forbindelse, men ellers er alle fem-huls forbindelserne hver især<br />
uafhængige af hinanden.<br />
Ledninger (monteringstråd) og komponenter: Som ledninger <strong>til</strong> forbindelser mellem hullerne i<br />
pladen, eller mellem pladen og telefonbøsningerne benyttes monteringstråd, som er ophængt på<br />
ruller i øvelseslokalet. Tænger <strong>til</strong> afisolering af tråden findes i de grå plastickasser på bordene.<br />
Spoler, modstande og kondensatorer kan direkte - eller ved hjælp af en pincet.<br />
I figurerne <strong>til</strong> venstre er monteret komponenter <strong>til</strong> en RC-kreds som beskrevet i diagrammet øverst<br />
<strong>til</strong> venstre på side 5-4. Nederst <strong>til</strong> venstre er med to sorte streger vist de forbindelser som<br />
Protoboard'et leverer vha. "bus-forbindelserne".
Elektronisk termometer<br />
Universalinstrumenter (METEX/4650 CR – eller lignende):<br />
Til Anvendelse fysik21-øvelserne og egenskaber har vi fået frems<strong>til</strong>let et sæt af meget lineære, men<br />
indbyrdes<br />
forskellige elektroniske termometre. Termometrene indeholder<br />
en Husk: halvlederstruktur, Kabel <strong>til</strong> forbindelse som <strong>til</strong> giver com-portene en spænding, skal vende som "opad" varierer – ellers meget virker fint<br />
lineært data-opsamlingen med temperaturen. fra instrumentet Forsyning ikke. og<br />
udlæsning sker ved <strong>til</strong>slutning <strong>til</strong><br />
ACH-6<br />
på Joana-boksen.<br />
Og husk "A"-indgangen må IKKE udsættes for større strømme end 0.8<br />
Ampere!<br />
Ellers gælder følgende om måleusikkerhed:<br />
Bemærk at der kræves flere forskellige temperaturer for at kalibrere<br />
termometeret og for at overbevise sig selv om at det virkelig er så lineært<br />
som fabrikanten påstår.<br />
Og: Det er IKKE sådan at f.eks. 0 K svarer <strong>til</strong> 0 volt. Dette gælder heller<br />
ikke for temperaturen 273 K !
Gule Universalinstrumenter: Anvendelse og egenskaber<br />
Bemærk: "A"-indgangen må IKKE udsættes for større strømme end 0.8 Ampere!<br />
Ellers gælder følgende om måleusikkerhed:
PC-oscilloskop<br />
1. Indgang<br />
Channel A: ACH0 og ACH1 (kanalen tændes/slukkes med "on/off").<br />
2. Position A kontrol<br />
Inds<strong>til</strong>ling af den vertikale position på skærmen for kanal A.<br />
3. volts/div. kontrol<br />
Vælger den vertikale inddeling.<br />
4. Indgang<br />
Channel B: ACH2 og ACH3 (kanalen tændes/slukkes med "on/off").<br />
5. Position B kontrol<br />
Inds<strong>til</strong>ling af den vertikale position på skærmen for kanal B.<br />
6. volts/div. kontrol<br />
Vælger den vertikale inddeling.<br />
7. Timebase<br />
time/div. kontrol af sweep hastighed<br />
8 Trig. level kontrol<br />
Inds<strong>til</strong>ling af trigger-niveau. Triggerniveauet bestemmer ved hvilket niveau på signalet, sweepet skal starte. Med internt<br />
triggersignal (A, B) kan triggerniveauet inds<strong>til</strong>les <strong>til</strong> ethvert punkt på den vertikale kurveform på skærmen.
Måling af faseforskel<br />
Eksempel på måling af faseforskel mellem strøm og spænding i et elektronisk<br />
netværk. Målingen kan foretages med PC-oscilloskopet.<br />
Her repræsenterer VA spændingen over netværket og VB = IR repræsenterer<br />
strømmen gennem netværket. I dette eksempel er vist at strømmen er næsten 90<br />
grader forud for spændingen.<br />
Sådan gør man i praksis: