RU2269823C1 - Installation for testing vorticity electric field - Google Patents
Installation for testing vorticity electric field Download PDFInfo
- Publication number
- RU2269823C1 RU2269823C1 RU2004130029/09A RU2004130029A RU2269823C1 RU 2269823 C1 RU2269823 C1 RU 2269823C1 RU 2004130029/09 A RU2004130029/09 A RU 2004130029/09A RU 2004130029 A RU2004130029 A RU 2004130029A RU 2269823 C1 RU2269823 C1 RU 2269823C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- closed circular
- long solenoid
- electric field
- solenoid
- circular conductor
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к учебным приборам и может быть использовано в лабораторном практикуме в высших и средних специальных учебных заведениях по курсу физики для изучения и углубления знаний физических законов.The invention relates to educational devices and can be used in laboratory practice in higher and secondary special educational institutions at the rate of physics to study and deepen knowledge of physical laws.
Известен соленоид, подключенный к источнику постоянного тока и предназначенный для создания постоянного магнитного поля (А.А.Детлаф, Б.М.Яворский, Курс физики. М.: Высшая школа, 1999 г., с.286, рис.22.10).Known solenoid connected to a constant current source and designed to create a constant magnetic field (A.A. Detlaf, B.M. Yavorsky, Physics Course. M: Higher School, 1999, p. 286, Fig. 22.10).
Известен также учебный прибор для исследования электромагнитного поля (RU патент № 2210815, 20.08.2003, Бюл. № 23. Автор Ковнацкий В.К.). Он содержит два тороида, между ними создается однородное вихревое электрическое поле. С помощью этого прибора невозможно продемонстрировать плоскопараллельное электрическое поле и снять необходимые его характеристики.A training device for studying the electromagnetic field is also known (RU patent No. 2210815, 08/20/2003, Bull. No. 23. Author Kovnatsky V.K.). It contains two toroids, between them a homogeneous eddy electric field is created. Using this device, it is impossible to demonstrate a plane-parallel electric field and remove its necessary characteristics.
Наиболее близким к предлагаемой установке является учебный прибор по физике (RU патент № 2133505, 20.07.1999, Бюл. № 20. Автор Ковнацкий В.К.). Он содержит (фиг.4) регистратор ЭДС 4 и соленоид 1, подключенный к генератору гармонического напряжения 2. Этот прибор позволяет создать плоскопараллельное вихревое электрическое поле. Однако на нем невозможно построить сетку электрических и изопотенциальных поверхностей этого поля, продемонстрировать неоднозначность его потенциала. Нельзя также на этом приборе экспериментально проверить теорему о циркуляции вектора , законы Ома и Джоуля-Ленца в дифференциальной форме в замкнутом круговом проводнике, расположенном в вихревом электрическом поле.Closest to the proposed installation is a training device in physics (RU patent No. 2133505, 07/20/1999, Bull. No. 20. Author Kovnatsky V.K.). It contains (figure 4) an EMF 4 recorder and a
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей этого прибора. Эта цель достигается тем, что в него введены: планшет, на котором перпендикулярно закреплен соленоид; замкнутый круговой проводник, который охватывает соленоид и закреплен на планшете; замкнутая круговая шкала с делениями в радианах, которая также закреплена на планшете и охватывает замкнутый круговой проводник; неподвижный контакт, который закреплен на замкнутом круговом проводнике и соединен с первым вводом регистратора ЭДС; подвижная втулка, которая надета на соленоид; проводящий стержень с указателем положения на замкнутой круговой шкале, закрепленный одним концом на подвижной втулке, а второй конец, выполняющий роль рукоятки для вращения, образует подвижный контакт с замкнутым круговым проводником и соединен со вторым вводом регистратора ЭДС. Следует отметить, что оси соленоида, замкнутого кругового проводника и замкнутой круговой шкалы с делениями совпадают и перпендикулярны планшету.The aim of the invention is to expand the functionality of this device. This goal is achieved by the fact that the following are introduced into it: a tablet on which a solenoid is perpendicularly fixed; a closed circular conductor that covers the solenoid and is mounted on the tablet; a closed dial with divisions in radians, which is also fixed on the tablet and covers a closed circular conductor; fixed contact, which is fixed on a closed circular conductor and connected to the first input of the EMF recorder; a movable sleeve that is worn on the solenoid; a conductive rod with a position indicator on a closed dial, fixed at one end to a movable sleeve, and the second end, acting as a handle for rotation, forms a movable contact with a closed circular conductor and is connected to the second input of the EMF recorder. It should be noted that the axis of the solenoid, the closed circular conductor and the closed circular scale with divisions coincide and are perpendicular to the tablet.
На фиг.1 и фиг.2 представлены чертежи, поясняющие принцип работы предлагаемой установки. На фиг.3 изображен общий вид предлагаемой установки, а на фиг.4 - ее прототип.In Fig.1 and Fig.2 presents drawings explaining the principle of operation of the proposed installation. Figure 3 shows a General view of the proposed installation, and figure 4 - its prototype.
Предлагаемая установка содержит: 1 - длинный соленоид; 2 - генератор гармонического напряжения; 3 - замкнутый круговой проводник; 4 - планшет; 5 - подвижную втулку; 6 - проводящий стержень; 7 - указатель положения; 8 - замкнутую круговую шкалу с делениями; 9 - неподвижный контакт; 10 - регистратор ЭДС.The proposed installation contains: 1 - a long solenoid; 2 - harmonic voltage generator; 3 - closed circular conductor; 4 - tablet; 5 - movable sleeve; 6 - conductive rod; 7 - position indicator; 8 - a closed dial with divisions; 9 - fixed contact; 10 - EMF recorder.
Максвелл утверждал, что всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле. Рассмотрим вихревое электрическое поле, созданное переменным магнитным полем в длинном соленоиде. Оно является плоскопараллельным (плоским). На фиг.1 показаны силовые линии плоского вихревого электрического поля. Здесь r0 - радиус соленоида, расположенного перпендикулярно плоскости, в которой расположены силовые линии. Рассмотрен случай, когда вектор магнитной индукции направлен к нам и возрастает.Maxwell argued that any alternating magnetic field excites a vortex electric field in the surrounding space. Consider a vortex electric field created by an alternating magnetic field in a long solenoid. It is plane-parallel (flat). Figure 1 shows the lines of force of a flat vortex electric field. Here r 0 is the radius of the solenoid located perpendicular to the plane in which the lines of force are located. The case when the magnetic induction vector is directed towards us and increases is considered.
Если замкнутый круговой проводник с радиусом R и длиной l=2πR поместить в вихревое электрическое поле , как показано на фиг.1, то поле приводит к возникновению ЭДС ε и вызывает движение электронов по замкнутым траекториям. Сторонними силами являются силы вихревого электрического поля. Циркуляция вектора этого поля по замкнутому контуру l равна ЭДС электромагнитной индукции:If a closed circular conductor with radius R and length l = 2πR is placed in a vortex electric field , as shown in figure 1, the field leads to the emergence of EMF ε and causes the movement of electrons along closed paths. Extraneous forces are the forces of a vortex electric field. Vector Circulation this field in a closed loop l is equal to the EMF of electromagnetic induction:
Из фиг.1 видно, что напряженность вихревого электрического поля одинакова во всех точках замкнутого кругового проводника, а вектор Е направлен по касательной к окружности с центром в точке О и совпадает с вектором . Тогда циркуляция вектора Е по замкнутому контуру lFigure 1 shows that the vortex electric field strength is the same at all points of a closed circular conductor, and the vector E is directed tangentially to a circle with a center at point O and coincides with the vector . Then the circulation of the vector E along the closed loop l
Сопоставляя выражения (1) и (2), получим, что напряженность электрического поля как внутри кругового проводника (радиус R), так и вне его (расстояние r)Comparing expressions (1) and (2), we find that the electric field strength both inside the circular conductor (radius R) and outside it (distance r)
Зная величину Е в замкнутом круговом проводнике можно вычислить плотность тока j, определяемую законом Ома в дифференциальной формеKnowing the value of E in a closed circular conductor, we can calculate the current density j determined by Ohm's law in differential form
а также удельную мощность тока Pуд, определяемую законом Джоуля-Ленца в дифференциальной формеand also the specific current power P beats defined by the Joule-Lenz law in differential form
Здесь σ - удельная электрическая проводимость замкнутого кругового проводника.Here σ is the electrical conductivity of a closed circular conductor.
Для синусоидально изменяющегося электрического поля с частотой νE(t)=Emsin2πνt действующее значение плотности тока смещения в проводнике и вне егоFor a sinusoidally changing electric field with a frequency νE (t) = E m sin2πνt, the effective value of the bias current density in the conductor and outside it
где ε0 - электрическая постоянная.where ε 0 is the electric constant.
Для характеристики вихревого электрического поля не применимо понятие потенциала. Однако, если провести условную перегородку ОА (фиг.1) в виде меридиальной плоскости, берущей начало на поверхности соленоида и уходящей в бесконечность, то вихревое электрическое поле можно описать с помощью однозначного потенциала. Изопотенциальные поверхности будут представлять собой меридиальные плоскости. Приняв за нуль значение потенциала на одной стороне перегородки, будем иметь на другой ее стороне максимальный потенциалThe concept of potential is not applicable to characterize a vortex electric field. However, if we draw a conditional partition OA (Fig. 1) in the form of a meridial plane originating on the surface of the solenoid and going to infinity, then the vortex electric field can be described using a unique potential. Isopotential surfaces will be meridional planes. Taking the potential value on one side of the partition as zero, we will have the maximum potential on its other side
Подсоединим вольтметр с большим входным сопротивлением первой клеммой к неподвижному контакту (НК) (к произвольно выбранной "нулевой" точке на замкнутом круговом проводнике), а второй клеммой к подвижному контакту (ПК). Перемещая ПК по замкнутому круговому проводнику в одном направлении (против часовой стрелки), будем наблюдать увеличение потенциала на φ=El=ERθ. Подставляя сюда выражение (3) для R=r, получимWe connect a voltmeter with a large input resistance with the first terminal to a fixed contact (NK) (to an arbitrarily selected "zero" point on a closed circular conductor), and the second terminal to a movable contact (PC). Moving the PC along a closed circular conductor in one direction (counterclockwise), we will observe an increase in potential by φ = El = ERθ. Substituting expression (3) here for R = r, we obtain
Обойдя вокруг длинного соленоида (θ=2π), обнаружим, что потенциал нулевой точки отличен от нуля, так как в этот момент оба контакта НК и ПК касаются друг друга и соединительные провода образуют замкнутый виток, сцепленный с длинным соленоидом (фиг.2). Полученный потенциал будет равен циркуляции вектора Е по контуру, окружающему длинный соленоидGoing around a long solenoid (θ = 2π), we find that the potential of the zero point is different from zero, since at this moment both contacts of the NC and PC touch each other and the connecting wires form a closed coil coupled to the long solenoid (Fig. 2). The resulting potential will be equal to the circulation of the vector E along the contour surrounding the long solenoid
Таким образом, по формулам (3) и (8) можно построить в одной плоскости сетку электрических и изопотенциальных линий плоскопараллельного электрического поля (фиг.1).Thus, according to formulas (3) and (8), it is possible to construct in one plane a grid of electric and isopotential lines of a plane-parallel electric field (Fig. 1).
При дальнейшем перемещении ПК в том же направлении характер изменения потенциала сохраняется, причем соединительный провод навивается на длинный соленоид. Сделав два полных оборота, обнаружим в нулевой точке потенциал 2ε (соединительные провода в этот момент образуют вторичную обмотку из двух витков) и т.д. Опыт приводит к следующей зависимости:With further movement of the PC in the same direction, the nature of the potential change is preserved, and the connecting wire is wound on a long solenoid. Having made two full turns, we find at the zero point the potential 2ε (the connecting wires at this moment form a secondary winding of two turns), etc. Experience leads to the following dependence:
где n - число оборотов ПК. Таким образом можем наблюдать неоднозначность потенциала.where n is the number of revolutions of the PC. Thus, we can observe the ambiguity of the potential.
Рассмотрим работу предлагаемой установки для исследования вихревого электрического поля (фиг.3). Она содержит длинный соленоид 1, подключенный к генератору гармонического напряжения 2. По гармоническому закону будет изменяться магнитное поле в длинном соленоиде 1, которое, в свою очередь, возбуждает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле. Индикатором этого поля является замкнутый круговой проводник 3, который охватывает длинный соленоид так, что оси длинного соленоида 1 и замкнутого кругового проводника 3 совпадают. Замкнутый круговой проводник закреплен на планшете 4, установленном перпендикулярно длинному соленоиду 1.Consider the work of the proposed installation for the study of a vortex electric field (figure 3). It contains a
На длинный соленоид 1 надета подвижная втулка 5, к которой закреплен одним концом проводящий стержень 6 с указателем положения 7 стержня. Второй конец проводящего стержня 6 выполняет роль рукоятки для вращения и образует подвижный контакт с замкнутым круговым проводником 3. Указатель положения 7 позволяет измерять на замкнутой круговой шкале с делениями 8 значения угла в радианах. Замкнутая круговая шкала с делениями установлена на планшете 4 и также охватывает соленоид 1 и замкнутый круговой проводник 3. Оси длинного соленоида 1, замкнутого кругового проводника 3 и замкнутой круговой шкалы с делениями 8 совпадают. К неподвижному контакту 9, расположенному на замкнутом круговом проводнике 3, а также к проводящему стержню 6 подключен регистратор ЭДС 10.A
Вращая проводящий стержень 6 против часовой стрелки, наблюдаем по регистратору ЭДС 10 увеличение потенциала, определяемого по формуле (8). По величине потенциала φ и углу θ в радианах, снятого с замкнутой круговой шкалы с делениями 8 можно рассчитать по формуле (8) величину ЭДС. Величину ЭДС можно измерить также с помощью регистратора ЭДС 10, если положение проводящего стержня 6 совпадает с неподвижным контактом 9. По измеренной ЭДС можно рассчитать по формуле (3) зависимость Е от расстояния r до оси соленоида 1 и построить график функции E=f(r).Rotating the
Изменяя величину напряжения, снимаемого с генератора гармонического напряжения 2, меняется ток в длинном соленоиде 1, меняется также магнитная индукция в нем. Соответственно изменяется напряженность вихревого электрического поля и ЭДС, измеряемая регистратором ЭДС 10. По формуле (3) рассчитываем напряженность электрического поля E, а по формулам (4), (5) и (6) соответственно плотность тока проводимости, удельную мощность тока и плотность тока смещения в замкнутом проводнике 3, радиус которого R. По данным измерения и расчета строятся графики функции j=f(E), Pуд=f(E) и jсм=f(E). По формуле Aст=|e|ε рассчитываем работу сторонних сил по перемещению, например, одного электрона по замкнутому круговому проводнику 3, а также стороннюю силу Fст=|e|E.Changing the magnitude of the voltage removed from the
Технико-экономическая эффективность предлагаемой установки заключается в том, что она обеспечивает повышение качества усвоения основных законов и явлений физики студентами.The technical and economic efficiency of the proposed installation is that it provides an improvement in the quality of assimilation of the basic laws and phenomena of physics by students.
Предлагаемая установка реализована на кафедре физики и используется в учебном процессе на лабораторных занятиях по электромагнетизму.The proposed installation is implemented at the Department of Physics and is used in the educational process in laboratory studies on electromagnetism.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004130029/09A RU2269823C1 (en) | 2004-10-11 | 2004-10-11 | Installation for testing vorticity electric field |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004130029/09A RU2269823C1 (en) | 2004-10-11 | 2004-10-11 | Installation for testing vorticity electric field |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2269823C1 true RU2269823C1 (en) | 2006-02-10 |
Family
ID=36050050
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2004130029/09A RU2269823C1 (en) | 2004-10-11 | 2004-10-11 | Installation for testing vorticity electric field |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2269823C1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2504016C2 (en) * | 2012-04-16 | 2014-01-10 | Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского Министерства обороны Российской Федерации | Apparatus for investigating eddy electric field |
RU2642129C2 (en) * | 2016-01-11 | 2018-01-25 | Олег Фёдорович Меньших | Device for investigating electric curl field |
RU2644099C1 (en) * | 2016-08-31 | 2018-02-07 | Федеральное государственное бюджетное военное образовательное учреждение высшего образования "Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского" Министерства обороны Российской Федерации | Installation for solving fourth maxwell's equation |
RU2732987C1 (en) * | 2020-03-02 | 2020-09-28 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Device for formation of quasi-permanent strong magnetic field in large volumes |
-
2004
- 2004-10-11 RU RU2004130029/09A patent/RU2269823C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
РЯЗАНОВ Г.А. Электрическое моделирование с применением вихревых полей, Москва, Наука, 1969, с.143, рис.92. * |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2504016C2 (en) * | 2012-04-16 | 2014-01-10 | Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского Министерства обороны Российской Федерации | Apparatus for investigating eddy electric field |
RU2642129C2 (en) * | 2016-01-11 | 2018-01-25 | Олег Фёдорович Меньших | Device for investigating electric curl field |
RU2644099C1 (en) * | 2016-08-31 | 2018-02-07 | Федеральное государственное бюджетное военное образовательное учреждение высшего образования "Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского" Министерства обороны Российской Федерации | Installation for solving fourth maxwell's equation |
RU2732987C1 (en) * | 2020-03-02 | 2020-09-28 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Device for formation of quasi-permanent strong magnetic field in large volumes |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2998748B1 (en) | Current measurement device and current calculation method | |
RU2284581C1 (en) | Device for researching stationary electric field | |
RU2321074C1 (en) | Device for verifying the ampere law experimentally | |
Kletsel et al. | About the Biot-Savart-Laplace law and its use for calculations in high-voltage AC installations | |
JPH06229797A (en) | Capacitive electromagnetic flowmeter | |
RU2269823C1 (en) | Installation for testing vorticity electric field | |
RU2308095C1 (en) | Device for researching loading characteristics of a current supply | |
Zhang et al. | Optimization design and research character of the passive electric field sensor | |
RU2504016C2 (en) | Apparatus for investigating eddy electric field | |
RU2507591C1 (en) | Apparatus for investigating passive elements of electric circuits | |
RU2479868C1 (en) | Plant for investigation of stationary electric field | |
Gupta et al. | Radio frequency planar coil-based on-chip probe for portable nuclear magnetic resonance | |
Donnevert | Maxwell ́s Equations | |
RU2357295C1 (en) | Device for investigating magnetic field of rectangular contour with current | |
George et al. | Detailed study on error characteristics of core-less hall-effect current transducer | |
RU2292601C1 (en) | Installation for studying an electromagnetic field | |
Blackwell et al. | Demonstration of the lateral AC skin effect using a pickup coil | |
Kolomeytsev et al. | The Fluxgate Magnetometer Simulation in Comsol Multiphysics | |
RU193094U1 (en) | Hardware complex for the generation of magnetic fields, their registration and visualization | |
Slavik et al. | Magnetic circuit of electromagnetic flow meter with capacitive electrodes | |
Dinca | Charge sniffer for electrostatics demonstrations | |
RU2303295C1 (en) | Device for studying vortex electric field in magnetic medium | |
Wang et al. | Inductance calculation of planar eddy-current sensor coils in grating-type displacement measurement system | |
RU2137209C1 (en) | Device for detection of circulation of intensity vector of electric and magnetic field | |
RU175142U1 (en) | DEVICE FOR STUDYING ELECTROMAGNETIC FIELD |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20061012 |