Laboration 3 - Elektromagnetism

Laboration 3 - ElektromagnetismThomas Burgess, Jörgen Dalmau & Gustav Wikström29 mars 20061 InledningDen här laborationen handlar om sambandet mellan elektricitet och magnetism.De två fenomenen är nära besläktade med varandra och uppträder gemensamt i s.k.elektromagnetiska fält, t.ex. i form av ljus eller radiovågor. Kopplingen mellan demär sådan att elektriska strömmar ger upphov till magnetiska fält och varierandemagnetiska fält ger upphov till elektriska strömmar. Det är bra om du har lästigenom kapitel 8 och 9 innan du gör laborationen.2 TransformatornDetta moment behöver bara beskrivas och förklaras, inga mätvärden behöver redovisas,inga tabeller behövs och du behöver inte härleda något!Koppla in en 1200-varvsspole till en amperemeter. För en magnet in och ut genomspolens öppning och läs av amperemetern. Vad händer? Förklara! Seriekopplakretsen med en strömkälla. Du har nu byggt en elektromagnet! Testa med en permanentmagnetoch försök att se vilken ände som är nord respektive syd! Förklaraditt resultat (se avsnitt 8.1-8.2 i kursboken).Koppla spolen med 150 varv i serie med en amperemeter och strömkällan. Kopplasedan spolen med 1200 varv i serie med en lampa och ställ den nära 150-varvspolen.Slå på strömmen och se efter att lampan lyser! Förklara varför lampan lyser (seavsnitt 9.11 i kursboken). Sätt därefter en järnkärna genom båda spolarna. Vadhänder med lampan? Förklara! Pröva också att sätta båda spolarna på en U-kärnaoch slut ändarna med järnkärnan. Försök förklara vad som händer.3 Magnet och spoleKoppla in en spole med N varv i serie med en amperemeter in i ett spänningaggregat.Lägg spolen ned så att spolens axel är parallell med bordsytan. Innan du sätter1

på spänningen, se till att den är nedskruvad på noll! Öka sakta spänningen så atten ström I leds genom spolen.Placera magneten delvis inne i spolen. Markera på magneten hur långt inne duplacerar den så att du kan upprepa försöket. Du får bättre resultat om magnetenhöjs upp så den ligger plant med ena änden inne i spolen. Öka sakta strömmengenom magneten tills magneten antingen sugs in eller skjuts ut ur spolen. Noteravärdet på strömmen! Upprepa 5 gånger för N = 150, 300, 600, 1200 varv. Gör ensnygg tabell med dina mätvärden och beräkna medelvärdet på I för varje värdepå N! Gör allting två gånger, en gång för insugning och en för utskjutning avmagneten!Eftersom det krävs samma kraft för att flytta magneten varje gång har du nu mätthur mycket ström som krävs vid ett visst antal spolvarv att nå det magnetfält somkrävs för att flytta magneten! Gör en graf med medelvärdena på strömmen påy-axeln och antal varv på x-axeln, du kan rita båda mätningarna (in och ut) isamma graf, men gör klart vilka punkter som hör till vilken mätning! På vilketsätt beror magnetfältet på N respektive I? Använd grafen för att motivera dittsvar! Stämmer de två mätningarna överens?4 Thomsons e/m-försökDet här experimentet är likt det som J.J. Thomson 1897 (se figur 1) använde föratt bestämma kvoten mellan elektronmassan och elektronladdningen, e/m. Dettavar en del av arbetet som ledde till att Thomson belönades med Nobelpriset förupptäckten av elektronen, den tidigast upptäckta elementarpartikeln!Principen för försöket är enkel; med en elektronkanon producerar man en stråle avelektroner med hastigheten v. Hastigheten kan bestämmas ur energin som elektronernafår av elektronkanonen E p = eU, där U är accelerationsspänningen. Dennaenergi övergår till elektronens kinetiska energi E k = mv 2 /2.Vinkelrätt mot strålen appliceras ett homogent magnetfält B, varvid elektronernapåverkas av kraften F = evB (se avsnitt 8.10 i kursboken), så att de går i encirkelbana med radien r (se s. 215). Eftersom det är en cirkelrörelse krävs centripetalkraftenF = mv 2 /r från rotationscentrum för att de ska hålla sig i sin bana.Magnetfältet genereras av en Helmoholtzspole där fältstyrkan ges avB =Nµ 0I(5/4) 3/2 a , (1)där N = 130 är antalet varv i spolen och a = 0.15 m är spolens radie, µ 0 =2

Figur 1: Fysikern J.J. Thomson4π · 10 −7 Vs/Am permeabiliteten för vakuum och I är strömmen som flyter genomspolen i Ampere.4.1 UtförandeKoppla upp enligt figur 2. Var noga med att sätta + och − rätt så att strömmarnagår åt rätt håll. Be labassistenten kontrollera att ni gjort rätt. Skruva ned allaspänningsreglage till noll innan ni slår på någonting! När ni slår på strömmenöka glödspänningen långsamt så ni inte förstör utrustningen! Tänk på att det ärhögspänning i en av kretsarna som kan vara farlig om man är ovarsam!Strömkontroll förHelmholtzspolen0−2 AAmperemeterHelmholtzs−spänning(6−9 V)fokus0−300 VVoltmeterAccelerrations−spänning(150−300 V)Glöd −spänning(6.3 V)Figur 2:3

Öka sakta spänningen över Helmholtzspolen tills den är runt 6-9 V, notera därefterströmmen I. Öka accelerationsspänningen U till runt 150-300 V. Justera värdena såni får en snygg blågrön cirkel i glaskulan. Justera ev. fokus för att få en snyggarecirkel. Mät diametern på cirkeln d med hjälp av spegelskalan bakom glaskulan,genom att linjera strålen med spegelbilden på vardera sidan. Notera I, U och dför fem olika inställningar av I och U.4.2 RedovisningKom ihåg att redovisa uppställningen. Använd informationen i denna labinstruktionför att härleda ett uttryck för e/m. Använd det härledda uttrycket för e/mför att beräkna detta värde för varje mätning, och beräkna till sist ett medelvärdeför e/m. Redovisa alla resultat och mätningar i tabeller. Jäför ditt värde på e/mmed referensvärdena e = 1.602 · 10 −19 C och m = 9.109 · 10 −31 kg.4