RU2491650C1 - Installation for research of electromagnetic field of helmholtz coils - Google Patents
Installation for research of electromagnetic field of helmholtz coils Download PDFInfo
- Publication number
- RU2491650C1 RU2491650C1 RU2011151904/28A RU2011151904A RU2491650C1 RU 2491650 C1 RU2491650 C1 RU 2491650C1 RU 2011151904/28 A RU2011151904/28 A RU 2011151904/28A RU 2011151904 A RU2011151904 A RU 2011151904A RU 2491650 C1 RU2491650 C1 RU 2491650C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- coil
- helmholtz
- rings
- inputs
- stand
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Magnetic Means (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 и явлений.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 and phenomena.
Известны электрические кольца Гельмгольца, образованные двумя тороидальными электромагнитами, обмотки которых включены в цепь переменного тока (Г.А. Рязанов Электрическое моделирование с применением вихревых полей. Изд. «Наука», М., 1969, с.76, рис.41). На них в таком виде нельзя исследовать магнитное поле, порождаемое электрическим полем.The Helmholtz electric rings are known, formed by two toroidal electromagnets, the windings of which are included in the alternating current circuit (G. A. Ryazanov, Electrical modeling using vortex fields. Publishing House "Science", M., 1969, p. 76, Fig. 41). On them in this form it is impossible to investigate the magnetic field generated by the electric field.
Известен учебный прибор для исследования электромагнитного поля (RU патент №2210815, G09B 23/18, 20.08.2003 Бюл. №23 Автор: Ковнацкий В.К.). Этот прибор позволяет снять зависимость тока смещения от частоты и напряженности электрического поля, определить зависимость напряженности магнитного поля от расстояния до оси электрических колец Гельмгольца. При этом на нем нельзя измерить напряженность электрического поля, приходится пользоваться другими устройствами. На этом приборе измеряется только модуль вектора напряженности магнитного поля, а направление вектора определить невозможно. Нельзя также продемонстрировать правовинтовую систему между векторами плотности тока смещения и напряженности магнитного поля.A well-known training device for the study of electromagnetic fields (RU patent No. 2210815, G09B 23/18, 08/20/2003 Bull. No. 23 Author: Kovnatsky V.K.). This device allows you to remove the dependence of the bias current on the frequency and intensity of the electric field, to determine the dependence of the magnetic field on the distance to the axis of the Helmholtz electric rings. At the same time, it is impossible to measure the electric field on it; you have to use other devices. Only the magnitude of the magnetic field vector is measured on this instrument, and the direction of the vector cannot be determined. It is also impossible to demonstrate a right-handed system between the vectors of the bias current density and magnetic field strength.
Наиболее близким к предлагаемой установке для исследования электромагнитного поля электрических колец Гельмгольца является учебный прибор для демонстрации второго уравнения Максвелла (RU патент №2285960, G09B 23/18, 23.10.2006 Бюл. №29 Авторы: Белокопытов Р.А., Ковнацкий В.К.) (прототип). Прибор содержит: электрические кольца Гельмгольца, установленные перпендикулярно на подставке и выводы обмоток которых соединены с выходными клеммами генератора звуковой частоты; подвижную платформу, перемещающуюся по подставке между электрическими кольцами Гельмгольца вдоль шкалы с делениями; измерительную катушку, установленную на подвижной платформе на уровне оси электрических колец Гельмгольца и равном расстоянии от них так, чтобы ось измерительной катушки была перпендикулярна подставке; указатель положения измерительной катушки, расположенный на подвижной платформе и совпадающий с осью измерительной катушки; привод с ременной передачей, закрепленной на подставке и перемещающий подвижную платформу между электрическими кольцами Гельмгольца вдоль шкалы с делениями; опорную катушку, установленную на подставке между электрическими кольцами Гельмгольца на уровне их оси и параллельно измерительной катушке на расстоянии от оси колец, равном их радиусу; регистратор ЭДС; измеритель разности фаз, первые вводы которого соединены с вводами регистратора ЭДС, а вторые вводы - с выводами опорной катушки.Closest to the proposed installation for studying the electromagnetic field of Helmholtz electric rings is a training device for demonstrating the second Maxwell equation (RU patent No. 2285960, G09B 23/18, 10.23.2006 Bull. No. 29 Authors: Belokopytov R.A., Kovnatsky V.K. .) (prototype). The device contains: Helmholtz electrical rings mounted perpendicular to the stand and the leads of the windings of which are connected to the output terminals of the sound frequency generator; a movable platform moving along a stand between Helmholtz electric rings along the scale with divisions; a measuring coil mounted on a movable platform at the level of the axis of the Helmholtz electric rings and an equal distance from them so that the axis of the measuring coil is perpendicular to the stand; pointer position measuring coil located on a moving platform and coinciding with the axis of the measuring coil; a drive with a belt drive mounted on a stand and moving the movable platform between the Helmholtz electric rings along the scale with divisions; a support coil mounted on a stand between the Helmholtz electric rings at the level of their axis and parallel to the measuring coil at a distance from the axis of the rings equal to their radius; EMF recorder; a phase difference meter, the first inputs of which are connected to the inputs of the EMF recorder, and the second inputs to the conclusions of the support coil.
Этот учебный прибор для демонстрации второго уравнения Максвелла позволяет снять зависимость тока смещения от частоты и напряженности электрического поля, определить зависимость напряженности магнитного поля от расстояния до оси электрических колец Гельмгольца. На нем с помощью измерительной катушки определяется модуль вектора напряженности магнитного поля, а направление вектора определяется с помощью измерительной и опорной катушек, а также измерителя разности фаз. Благодаря этому демонстрируется правовинтовая система между векторами плотности тока смещения и напряженности магнитного поля.This training device for demonstrating the second Maxwell equation allows you to remove the dependence of the bias current on the frequency and intensity of the electric field, to determine the dependence of the magnetic field on the distance to the axis of the Helmholtz electric rings. On it, using the measuring coil, the module of the magnetic field vector is determined, and the direction of the vector is determined using the measuring and supporting coils, as well as a phase difference meter. Thanks to this, a right-handed system between the vectors of the bias current density and magnetic field strength is demonstrated.
На этом приборе нельзя измерить напряженность электрического поля, создаваемого электрическими кольцами Гельмгольца, а также рассчитать энергию электрического поля между электрическими кольцами Гельмгольца и сравнить ее с энергией магнитного поля. Этот прибор не позволяет определить поток вектора напряженности электрического поля и его знак, а также экспериментально подтвердить теорему Гаусса для переменного электрического поля, создаваемого электрическими кольцами Гельмгольца.Using this device, it is impossible to measure the electric field generated by Helmholtz electric rings, and also to calculate the electric field energy between Helmholtz electric rings and compare it with the magnetic field energy. This device does not allow determining the flux of the electric field vector and its sign, as well as experimentally confirming the Gauss theorem for an alternating electric field created by Helmholtz electric rings.
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей учебного прибора для демонстрации второго уравнения Максвелла. Эта цель достигается тем, что в него введены: тороидальная катушка; круговая шкала с делениями в градусах, закрепленная в верхней части электрических колец Гельмгольца и расположенная параллельно подставке; шток, расположенный между электрическими кольцами Гельмгольца перпендикулярно подставке и нижним концом жестко закрепленный с тороидальной катушкой так, что внешний диаметр последней совпадает со штоком, а верхний конец штока установлен подвижно в центре круговой шкалы с делением в градусах; ручка поворота штока с указателем углового положения, жестко закрепленная на верхнем конце штока; переключатель двухполюсный на два положения, у которого общие контакты первого и второго полюсов соединены с вводами регистратора ЭДС, контакты первого положения первого и второго полюсов соединены с выводами измерительной катушки, а контакты второго положения первого и второго полюсов соединены с выводами тороидальной катушки.The aim of the invention is to expand the functionality of the training device to demonstrate the second Maxwell equation. This goal is achieved by the fact that the following are introduced into it: toroidal coil; dial in degrees in degrees, fixed at the top of Helmholtz's electric rings and parallel to the stand; a rod located between the Helmholtz electric rings perpendicular to the stand and the lower end is rigidly fixed to the toroidal coil so that the outer diameter of the latter coincides with the rod, and the upper end of the rod is mounted movably in the center of the dial with degrees in degrees; rod rotation handle with an indicator of angular position, rigidly fixed to the upper end of the rod; a bipolar switch for two positions, in which the common contacts of the first and second poles are connected to the inputs of the EMF recorder, the contacts of the first position of the first and second poles are connected to the terminals of the measuring coil, and the contacts of the second position of the first and second poles are connected to the terminals of the toroidal coil.
На фиг.1-7 представлены чертежи, поясняющие принцип работы предлагаемой установки. На фиг.8 изображен общий вид предлагаемой установки, а на фиг.9 - ее прототип.Figure 1-7 presents drawings explaining the principle of operation of the proposed installation. In Fig.8 shows a General view of the proposed installation, and Fig.9 - its prototype.
Предлагаемая установка для исследования электромагнитного поля электрических колец Гельмгольца содержит: 1 - электрические кольца Гельмгольца; 2 - генератор звуковой частоты; 3 - измерительная катушка; 4 - регистратор ЭДС; 5 - подставка; 6 - подвижная платформа; 7 - шкала с делениями; 8 - указатель положений измерительной катушки; 9 - привод с ременной передачей; 10 - измеритель разности фаз; 11 - опорная катушка; 12 - тороидальная катушка; 13 - круговая шкала с делениями в градусах; 14 - шток; 15 - ручка поворота штока с указателем углового положения; 16 - переключатель двухполюсный на два положения.The proposed installation for the study of the electromagnetic field of Helmholtz electric rings contains: 1 - Helmholtz electric rings; 2 - sound frequency generator; 3 - measuring coil; 4 - EMF recorder; 5 - stand; 6 - movable platform; 7 - scale with divisions; 8 - pointer position measuring coil; 9 - belt drive; 10 - phase difference meter; 11 - supporting coil; 12 - toroidal coil; 13 - a dial with divisions in degrees; 14 - stock; 15 - rod rotation handle with an indicator of the angular position; 16 - bipolar switch into two positions.
Максвелл утверждал, что всякое переменное электрическое поле возбуждает в окружающем пространстве переменное магнитное поле. Для установления связи между ними рассмотрим электрические кольца Гельмгольца. В этом случае между ними существует область практически однородного электрического поля (фиг.1).Maxwell argued that any alternating electric field excites an alternating magnetic field in the surrounding space. To establish a connection between them, we consider the Helmholtz electric rings. In this case, between them there is a region of a practically uniform electric field (Fig. 1).
В дальнейшем будем характеризовать переменное электрическое поле и связанное с ним переменное магнитное поле соответствующими действующими значениями напряженности электрического поля Е, электрического смещения D и напряженности магнитного поля Н.In the future, we will characterize the alternating electric field and the associated alternating magnetic field with the corresponding effective values of the electric field strength E, electric displacement D and magnetic field N.
Величина напряженности магнитного поля зависит от расстояния r до оси колец Гельмгольца аb (фиг.1). Определим эту зависимость для поля внутри колец Гельмгольца с использованием второго уравнения МаксвеллаThe magnitude of the magnetic field depends on the distance r to the axis of the Helmholtz rings ab (Fig. 1). We define this dependence for the field inside the Helmholtz rings using the second Maxwell equation
Преобразуем левую часть выражения (1). Выберем в качестве замкнутого контура L (фиг.2) силовую линию вихревого магнитного поля колец Гельмгольца r<R, где R - расстояние, показанное на фиг.1. Из фиг.2 видно, что напряженность магнитного поля одинакова во всех точках, равноудаленных от оси колец Гельмгольца, и направлена по касательной к окружности с радиусом r. Тогда циркуляция вектора
Между кольцами Гельмгольца электрическое поле однородное и вектор
Учитывая, что электрическое поле между кольцами Гельмгольца меняется по гармоническому закону E(t)=Emsin2πνt, а также связь D=ε0E, где ε0 - электрическая постоянная, выражение (3) можно записать в другом виде:Given that the electric field between the Helmholtz rings varies according to the harmonic law E (t) = E m sin2πνt, as well as the relation D = ε 0 E, where ε 0 is the electric constant, expression (3) can be written in another form:
где iсм(t) - мгновенное значение, а
Соответственно этому действующее значение тока смещения, «текущего» между кольцами Гельмгольца вдоль оси ab (фиг.1) внутри цилиндра с основанием πr2 Accordingly, the effective value of the bias current “current” between the Helmholtz rings along the axis ab (Fig. 1) inside the cylinder with the base πr 2
Тогда ток смещения, «текущий» внутри цилиндра с основанием πR2 Then the bias current, "current" inside the cylinder with the base πR 2
Из равенств (2) и (5) получаем выражение для определения напряженности магнитного поля между кольцами Гельмгольца на расстоянии r от их оси:From equalities (2) and (5) we obtain the expression for determining the magnetic field strength between Helmholtz rings at a distance r from their axis:
Выражение (7) показывает, что внутри колец Гельмгольца (r<R) напряженность Н магнитного поля растет при удалении от их оси по линейному закону (фиг.3).Expression (7) shows that inside the Helmholtz rings (r <R), the magnetic field strength H increases with distance from their axis according to a linear law (Fig. 3).
Найдем зависимость напряженности Н магнитного поля от расстояния до его оси вне колец Гельмгольца, когда r≥R. Выберем точку В (фиг.2) вне колец Гельмгольца на расстоянии г от их оси, тогда циркуляция вектора Н по контуру L равна току смещения, «текущему» между кольцами Гельмгольца вдоль оси ab (фиг.1) внутри цилиндра с основанием πR2. Из равенств (2) и (6) получаемLet us find the dependence of the magnetic field strength H on the distance to its axis outside the Helmholtz rings when r≥R. We choose point B (figure 2) outside the Helmholtz rings at a distance r from their axis, then the circulation of the vector H along the contour L is equal to the bias current "current" between the Helmholtz rings along the axis ab (figure 1) inside the cylinder with the base πR 2 . From equalities (2) and (6) we obtain
Из выражения (8) видно, что напряженность Н магнитного поля вне электрических колец Гельмгольца изменяется обратно пропорционально расстоянию до их оси (фиг.3). Напряженность магнитного поля внутри электрических колец Гельмгольца (r<R) определяется «текущим» между кольцами Гельмгольца током смещения внутри цилиндра с основанием πr2. Найдем связь между током смещения Iсм и напряженностью магнитного поля Н. Для этого исключим из выражений (6) и (7) Е, тогда имеем:From the expression (8) it can be seen that the magnetic field strength H outside the Helmholtz electric rings varies inversely with the distance to their axis (Fig. 3). The magnetic field strength inside the Helmholtz electric rings (r <R) is determined by the "current" between the Helmholtz rings, the bias current inside the cylinder with the base πr 2 . Find the relationship between the bias current I cm and the magnetic field N. For this, we exclude E from the expressions (6) and (7), then we have:
Из выражения (9) видно, что для вычисления тока смещения необходимо измерить величину Н между кольцами Гельмгольца. Для этого в исследуемую точку А (фиг.2) поместим измерительную катушку, содержащую w витков и имеющую столь малые размеры, что поле в ее окрестности можно считать однородным. Измерительную катушку располагаем таким образом, чтобы ее ось совпадала с направлением вектора
где ε - ЭДС, наведенная в измерительной катушке, ν - частота переменного магнитного поля, µ0 - магнитная постоянная, µ - магнитная проницаемость сердечника измерительной катушки, S - площадь поперечного сечения измерительной катушки.where ε is the EMF induced in the measuring coil, ν is the frequency of the alternating magnetic field, μ 0 is the magnetic constant, μ is the magnetic permeability of the core of the measuring coil, S is the cross-sectional area of the measuring coil.
Подставляя выражение (10) в (9), находим зависимость тока смещения от измеряемой регистратором ЭДСSubstituting expression (10) into (9), we find the dependence of the bias current on the emf measured by the recorder
Для определения тока смещения и построения зависимости напряженности магнитного поля по формулам (5)-(8), а также вычисления других характеристик исследуемого электромагнитного поля необходимо знать величину напряженности электрического поля Е между электрическими кольцами Гельмгольца. Для этих целей применяем тороидальную катушку, содержащую w витков, подключенную к регистратору ЭДС. В этом случаеTo determine the bias current and construct the dependence of the magnetic field strength by formulas (5) - (8), as well as calculate other characteristics of the electromagnetic field under study, it is necessary to know the magnitude of the electric field E between Helmholtz electric rings. For these purposes, we use a toroidal coil containing w turns connected to an EMF recorder. In this case
где ε - ЭДС, измеряемая регистрирующим прибором, ν - частота переменного электрического поля, ε0 - электрическая постоянная, ε -диэлектрическая проницаемость среды между электрическими кольцами Гельмгольца, µ - магнитная проницаемость сердечника тороидальной катушки, h - аксиальный размер сердечника, RH и RB - наружный и внутренний радиусы сердечника, β - коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты ν и параметров тороидальной катушки.where ε is the EMF measured by the recording device, ν is the frequency of the alternating electric field, ε 0 is the electric constant, ε is the dielectric constant of the medium between Helmholtz electric rings, μ is the magnetic permeability of the core of the toroidal coil, h is the axial size of the core, R H and R B is the outer and inner radii of the core, β is the coefficient of proportionality, depending on the frequency ν and the parameters of the toroidal coil.
Для экспериментальной проверки теоремы Гаусса для переменного электрического поля с помощью электрических колец Гельмгольца необходимо знать поток напряженности однородного электрического поля Е через поверхность S (фиг.6). Он определяется по следующей формуле:For experimental verification of the Gauss theorem for an alternating electric field using Helmholtz electric rings, it is necessary to know the flux of intensity of a uniform electric field E through surface S (Fig. 6). It is determined by the following formula:
где En - проекция вектора
Если тороидальную катушку расположить в однородном электрическом поле электрических колец Гельмгольца, как показано на фиг.7, и представить тороидальную катушку, как замкнутую поверхность S в виде суммы S=S1+S2+S3+S4, тогда поток напряженности через замкнутую поверхность S в соответствии с теоремой Гаусса будет:If the toroidal coil is placed in a uniform electric field of Helmholtz electric rings, as shown in Fig. 7, and the toroidal coil is represented as a closed surface S in the form of the sum S = S1 + S2 + S3 + S4, then the flow of tension through the closed surface S in accordance with the Gauss theorem will be:
Это объясняется тем, что потоки напряженности через поверхность S3 и S4 «скользят» и равны 0, а потоки через поверхность S1 и S2 равны по величине и противоположны по знаку. Это видно из фиг.5, где при α=0° поток Фe mах>0, а при α=180° поток Феmах<0 и они равны по величине. Из фиг.5 также видно, что тороидальную катушку можно использовать для определения направления электрического поля по минимуму или максимуму ЭДС в тороидальной катушке, что соответствует минимуму или максимуму Фe.This is because the flows of tension through the surface S3 and S4 “slide” and equal to 0, and the flows through the surface S1 and S2 are equal in magnitude and opposite in sign. This can be seen from figure 5, where at α = 0 ° flux fe max> 0, and for α=180 ° stream femax<0 and they are equal in magnitude. Figure 5 also shows that the toroidal coil can be used to determine the direction of the electric field by the minimum or maximum EMF in the toroidal coil, which corresponds to the minimum or maximum ofe.
По измеренной с помощью тороидальной катушки напряженности электрического поля Е можно рассчитать объемную плотность электрической энергии между электрическими кольцами Гельмгольца по формуле:From the measured electric field strength E using a toroidal coil, it is possible to calculate the volume density of electric energy between Helmholtz electric rings by the formula:
а также максимальную электрическую энергию, сосредоточенную между электрическими кольцами Гельмгольца, по формуле:as well as the maximum electrical energy concentrated between the Helmholtz electric rings, according to the formula:
и максимальную магнитную энергию, сосредоточенную между электрическими кольцами Гельмгольца, по формуле:and the maximum magnetic energy concentrated between the Helmholtz electric rings, according to the formula:
Рассмотрим работу предлагаемого прибора (фиг.8). Он содержит электрические кольца Гельмгольца 1, расположенные напротив и параллельные друг другу. Между ними существует область практически однородного переменного электрического поля. Это поле получается в результате сложения вихревых электрических полей от обоих колец. Обмотки электрических колец Гельмгольца 1, подключенные к генератору звуковой частоты 2, создают внутри них магнитные поля, а они, в свою очередь, создают вихревые электрические поля.Consider the operation of the proposed device (Fig.8). It contains Helmholtz
Согласно Максвеллу переменное электрическое поле порождает вокруг себя переменное магнитное поле, напряженность которого можно определить по формуле (10). Для этого в требуемую точку магнитного поля помещаем измерительную катушку 3, в которой наводится ЭДСε, пропорциональная Н. Измерительную катушку располагаем таким образом, чтобы ее ось совпадала с направлением вектора напряженности магнитного поля. Измерения ЭДС осуществляем регистратором ЭДС 4, например, вольтметром с большим входным сопротивлением.According to Maxwell, an alternating electric field generates an alternating magnetic field around itself, the intensity of which can be determined by formula (10). To do this, we place the measuring
Для определения зависимости напряженности Н магнитного поля от расстояния г до оси электрических колец Гельмгольца 1 измерительную катушку 3 передвигаем между ними вдоль подставки 5, для этого измерительную катушку 3 размещаем на подвижной платформе 6. Измерительную катушку 3 располагаем на подвижной платформе 6 таким образом, чтобы она была на уровне оси электрических колец Гельмгольца 1 и на равном расстоянии от них. Для отсчета расстояния от оси электрических колец Гельмгольца до измерительной катушки 3 на подставке 5 размещена шкала с делениями 7, а подвижная платформа 6 снабжена указателем 8 положения измерительной катушки, совпадающим с осью измерительной катушки 3. Подвижная платформа 6 перемещается вдоль шкалы с делениями 7 с помощью привода с ременной передачей 9, закрепленного на подставке 5.To determine the dependence of the magnetic field strength H on the distance r from the axis of the Helmholtz
Таким образом, по измеренной ЭДС в измерительной катушке 3 можно рассчитать по формуле (10) напряженность магнитного поля между электрическими кольцами Гельмгольца 1 в произвольной точке. По формуле (11) можно также рассчитать ток смещения Iсм внутри электрических колец Гельмгольца 1.Thus, according to the measured EMF in the measuring
Предлагаемая установка позволяет снять зависимость тока смещения Iсм от частоты ν и величины напряженности Е электрического поля. Кроме того, она позволяет ознакомиться с индукционным методом измерения напряженности переменного магнитного поля, создаваемого током смещения между электрическими кольцами Гельмгольца 1.The proposed installation allows you to remove the dependence of the bias current I cm from the frequency ν and the magnitude of the electric field E. In addition, it allows you to familiarize yourself with the induction method of measuring the intensity of an alternating magnetic field created by the bias current between Helmholtz
С помощью измерительной катушки 3 может быть снята зависимость Н от r, показанная на фиг.3 сплошной линией, т.е. снимается модуль напряженности Н магнитного поля, а направление вектора
Для измерения напряженности электрического поля Е, создаваемого электрическими кольцами Гельмгольца 1, определения потока вектора Е через заданную поверхность и его знака, а также экспериментального подтверждения теоремы Гаусса для переменного электрического поля между электрическими кольцами Гельмгольца 1 в предлагаемое устройство введены: тороидальные катушки 12, круговая шкала с делениями в градусах 13, шток 14, ручка поворота штока с указателем углового положения 15 и переключатель двухполюсный на два положения 16.To measure the electric field E generated by Helmholtz
Круговая шкала с делениями в градусах 13 закреплена в верхней части электрических колец Гельмгольца 1 и расположена параллельно подставке 5. Перпендикулярно подставке между электрическими кольцами Гельмгольца 1 располагается шток 14. Нижним концом он жестко закреплен с тороидальной катушкой 12 так, что внешний диаметр последней совпадает со штоком 14. Верхний конец штока 14 установлен подвижно в центре круговой шкалы с делениями в градусах 13. На верхнем конце штока 14 установлена ручка поворота штока с указателем углового положения 15, которая обеспечивает поворот тороидальной катушки 12 от 0 до 360 градусов и определение угла поворота на круговой шкале с делением в градусах 13. Введенный переключатель двухполюсный на два положения 16 обеспечивает подключение или измерительной катушки 3 (первое положение «ИК»), или тороидальной катушки 12 (второе положение «ТК») к вводам регистратора ЭДС 4 и первым вводам измерителя разности фаз 10.A dial with degrees in 13 is fixed at the top of the Helmholtz
Рассмотрим работу предлагаемой установки в первом положении «ИК» переключателя двухполюсного на два положения 16. В этом случае через контакты первого положения первого и второго полюсов подключается измерительная катушка 3 к вводам регистратора ЭДС 4 и первым вводам измерителя разности фаз 10. На первый вход измерителя разности фаз 10 подается ЭДС, снимаемая с измерительной катушки 3, а на его второй вход подается ЭДС, снимаемая с опорной катушки 11.Consider the operation of the proposed installation in the first position "IR" of the bipolar switch into two positions 16. In this case, through the contacts of the first position of the first and second poles, the measuring
Измерители разности фаз описаны в (Кушнир В.Ф. и др. Измерения в технике связи. М.: Связь, 1970, стр.318). Например, если в качестве измерителя разности фаз 10 используем фазовой детектор, то на фиг.4 изображена его детекторная характеристика, показывающая зависимость выходного напряжения от разности фаз φ.Phase difference meters are described in (Kushnir V.F. et al. Measurements in communication technology. M: Communication, 1970, p. 318). For example, if we use a phase detector as a
Пусть в исходном положении подвижная измерительная катушка 3 и неподвижная опорная катушка 11 расположены рядом на расстоянии R, равном радиусу электрических колец Гельмгольца 1. Выводы опорной катушки 11 следует соединить со вторым входом измерителя разности фаз 10 таким образом, чтобы на выходе измерителя разности фаз 10 было положительное напряжение (фиг.4). Это свидетельствует о нулевом сдвиге фаз φ между измеренной и опорной ЭДС. В этом случае положительное напряжение на выходе измерителя разности фаз 10 соответствует положительной проекции вектора
Если измерительную катушку 3 смещаем влево относительно неподвижной опорной катушки 11, то будем наблюдать уменьшение ЭДС, снимаемую с измерительной катушки 3, и в соответствии с формулой (10) модуль напряженности Н будет уменьшаться (фиг.3). Проходя точку центра электрических колец Гельмгольца 1 (r=0), будем наблюдать скачок разности фаз φ между измеренной и опорной ЭДС на π. Измеритель разности фаз будет показывать отрицательное напряжение. Это свидетельствует об отрицательной проекции вектора
Таким образом, в предлагаемой установке по показаниям ЭДС, снимаемых с измерительной катушки 3, рассчитываем по формуле (10) модуль напряженности магнитного поля, а по знаку напряжения на выходе измерителя разности фаз 10 определяем направление вектора
По показаниям измерителя разности фаз 10 можно демонстрировать правовинтовую систему между вектором плотности тока смещения
Рассмотрим работу предлагаемой установки во втором положении «ТК» переключателя двухполюсного на два положения 16. В этом случае через контакты второго положения первого и второго полюсов подключается тороидальная катушка 12 к вводам регистратора ЭДС 4 и первым вводом измерителя разности фаз 10. На первый вход измерителя разности фаз 10 подается ЭДС, снимаемая с тороидальной катушки 12, а на второй вход - подается ЭДС, снимаемая с опорной катушки 11.Consider the operation of the proposed installation in the second position of the "TC" of the bipolar switch to two positions 16. In this case, through the contacts of the second position of the first and second poles, a
Пусть в исходном положении неподвижная опорная катушка 11 расположена на подставке 5 на расстоянии, равном радиусу электрических колец Гельмгольца. Тороидальная катушка 12 с помощью ручки поворота штока с указателем углового положения 15 устанавливаем параллельно электрическим кольцам Гельмгольца 1, в этом случае указатель углового положения будет показывать 0 градусов на круговой шкале с делением в градусах 13. Выводы тороидальной катушки 12 следует соединить с первыми вводами измерителя разности фаз 10 таким образом, чтобы на выходе измерителя разности фаз 10 было положительное напряжение (фиг.4). Это свидетельствует о нулевом сдвиге фаз между измеренной и опорной ЭДС. В этом случае положительное напряжение измерителя разности фаз 10 принимаем за положительную проекцию вектора
Если тороидальную катушку 12 поворачиваем по часовой стрелке от 0 до 360 градусов, то будем наблюдать изменение ЭДС, снимаемой с тороидальной катушки 12, и в соответствии с формулой (12) модуль напряженности Е будет изменяться. Проходя угол 90 градусов по шкале с делением в градусах 13, будет наблюдаться скачок разности фаз между измеренной и опорной ЭДС на π. Измеритель разности фаз 10 будет показывать отрицательное напряжение. Это свидетельствует об отрицательной проекции вектора
Таким образом, в предлагаемой установке по показаниям ЭДС, снимаемых с тороидальной катушки 12 рассчитываем по формуле (12) модуль проекции Еn, а по знаку напряжения на выходе измерителя разности фаз 10 определяем знак проекции Еn. По формуле (13) рассчитываем поток напряженности электрического поля Фe. Из графика (фиг.5) снимаем величины Фе mах и -Фе mах и убеждаемся, что полный поток вектора напряженности электрического поля через поверхность S в соответствии с теоремой Гаусса (14):Thus, in the proposed installation, according to the EMF readings taken from the
Для определения объемной плотности электрической энергии we по формуле (15), максимальной электрической и магнитной энергии соответственно по формулам (16), (17) берем действующее значение напряженности электрического поля Е, которое определяем по формуле (12). При измерении Е тороидальную катушку 12 устанавливаем с помощью ручки поворота штока с показателем углового положения 15 на 0 градусов по круговой шкале с делениями в градусах 13.To determine the volume density of electric energy w e by the formula (15), the maximum electric and magnetic energy, respectively, by the formulas (16), (17), we take the effective value of the electric field strength E, which is determined by the formula (12). When measuring E, the
Технико-экономическая эффективность предлагаемой установки для исследования электромагнитного поля электрических колец Гельмгольца заключается в том, что она обеспечивает повышение качества усвоения курсантами основных законов и явлений физики.The technical and economic efficiency of the proposed installation for the study of the electromagnetic field of Helmholtz electric rings lies in the fact that it provides an increase in the quality of assimilation by cadets of the basic laws and phenomena of physics.
Предлагаемая установка реализована на кафедре физики ВКА им. А.Ф. Можайского и используется в учебном процессе на лабораторных занятиях по магнетизму.The proposed installation is implemented at the Department of Physics A.F. Mozhaiskogo and is used in the educational process in laboratory studies on magnetism.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011151904/28A RU2491650C1 (en) | 2011-12-19 | 2011-12-19 | Installation for research of electromagnetic field of helmholtz coils |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011151904/28A RU2491650C1 (en) | 2011-12-19 | 2011-12-19 | Installation for research of electromagnetic field of helmholtz coils |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2011151904A RU2011151904A (en) | 2013-06-27 |
RU2491650C1 true RU2491650C1 (en) | 2013-08-27 |
Family
ID=48701044
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011151904/28A RU2491650C1 (en) | 2011-12-19 | 2011-12-19 | Installation for research of electromagnetic field of helmholtz coils |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2491650C1 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114114109B (en) * | 2021-10-27 | 2024-05-10 | 武汉纺织大学 | Method for measuring micro deformation based on anti-Helmholtz coil |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2210815C2 (en) * | 2001-06-15 | 2003-08-20 | Военный инженерно-космический университет им. А.Ф. Можайского | Practice device to study electromagnetic field |
RU2285960C1 (en) * | 2005-06-06 | 2006-10-20 | Военно-космическая академия им. А.Ф. Можайского | Training device for demonstration of second maxwell equation |
RU2292601C1 (en) * | 2005-06-06 | 2007-01-27 | Военно-космическая академия им. А.Ф. Можайского | Installation for studying an electromagnetic field |
US7759931B2 (en) * | 2005-03-14 | 2010-07-20 | National University Corporation, Okayama University | Device for measuring magnetic impedance |
-
2011
- 2011-12-19 RU RU2011151904/28A patent/RU2491650C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2210815C2 (en) * | 2001-06-15 | 2003-08-20 | Военный инженерно-космический университет им. А.Ф. Можайского | Practice device to study electromagnetic field |
US7759931B2 (en) * | 2005-03-14 | 2010-07-20 | National University Corporation, Okayama University | Device for measuring magnetic impedance |
RU2285960C1 (en) * | 2005-06-06 | 2006-10-20 | Военно-космическая академия им. А.Ф. Можайского | Training device for demonstration of second maxwell equation |
RU2292601C1 (en) * | 2005-06-06 | 2007-01-27 | Военно-космическая академия им. А.Ф. Можайского | Installation for studying an electromagnetic field |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2011151904A (en) | 2013-06-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP1810046B1 (en) | Sensor for measuring magnetic flux | |
CN203465407U (en) | Soft-magnetic-material-magnetic-conductivity measurement experiment device based on oscilloscope and signal generator | |
Alatawneh et al. | Design of a novel test fixture to measure rotational core losses in machine laminations | |
RU2491650C1 (en) | Installation for research of electromagnetic field of helmholtz coils | |
RU2434237C1 (en) | Short-time test device for items from electrotechnical steel plates | |
RU2285960C1 (en) | Training device for demonstration of second maxwell equation | |
RU2292601C1 (en) | Installation for studying an electromagnetic field | |
Ishii et al. | Improvement of formula and uncertainty of the reference magnetic field for AC magnetometer calibration | |
RU2313831C1 (en) | Teaching device for demonstrating first maxwell equation | |
RU2210815C2 (en) | Practice device to study electromagnetic field | |
RU2467464C1 (en) | Instrument for measurement of spectrum of induction signal in magnetically linked system | |
RU2504016C2 (en) | Apparatus for investigating eddy electric field | |
RU2303295C1 (en) | Device for studying vortex electric field in magnetic medium | |
RU2357295C1 (en) | Device for investigating magnetic field of rectangular contour with current | |
Williams | Measuring Earth's local magnetic field using a Helmholtz coil | |
Slavik et al. | Magnetic circuit of electromagnetic flow meter with capacitive electrodes | |
RU2718641C1 (en) | Method and device for permanent magnets identification by volume magnetization | |
RU175142U1 (en) | DEVICE FOR STUDYING ELECTROMAGNETIC FIELD | |
RU2292602C1 (en) | Device for definition of circulation of vector voltage of a magnetic field | |
RU193094U1 (en) | Hardware complex for the generation of magnetic fields, their registration and visualization | |
McNeil | The metal detector and Faraday's Law | |
RU2269823C1 (en) | Installation for testing vorticity electric field | |
Ludke et al. | Novel compensated moment detection coil | |
RU2303820C1 (en) | Device for measuring projection of strength vector of alternating electric field | |
RU2133505C1 (en) | Training aid for physics |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20131220 |