1. POVINNA CAST: Meranie horizontálnej zložky intenzity magnetického poľa Zeme Gaussovým magnetometrom Horizontálna zložka intenzity magnetického poľa Zeme je rovnobežná so smerom od juhu na sever a vieme ju teda určiť pomocou kompasu. V jeho blízkosti však nemôže byť iný zdroj magnetického poľa, ktorý by strelku vychyľoval. Gaussov magnetometer spočíva práve v tom, že porovnávame intenzitu zemského magnetického poľa s intenzitou permanentného magnetu pomocou strelky na kompase, ktorá slúži ako detektor lokálneho magnetického poľa. (a) Kompas na drevenej lavičke orientovanej kolmo k (b) Tyčový magnet s obalom tieniacim jeho magnetické smeru Hz. pole. Obr. 1 Tyčový magnet je uskladnený v obale tieniacom jeho magnetické pole a môžeme ho vidieť na Obr. lb. Kompas je umiestnený na drevenej lavici, po ktorej sa bude magnet posúvať, viď Obr. la. Budeme teda merať uhlovú výchylku strelky z rovnovážnej polohy pre rôzne vzdialenosti tyčového magnetu, konkrétne pre vzdialenosti 45 cm, 40 cm a 35 cm od magnetickej strelky, v dvoch Gaussových polohách. Zatiaľ čo v prvej Gaussovej polohe, zobrazenej na Obr. 2a, meriame pole v osi permantného magnetu, v druhej Gaussovej polohe, viď Obr. 2b, meriame pole v priamke vedúcej stredom magnetu a kolmej k jeho osi. Všimnime si, že magnet je orientovaný tak, aby jeho siločiary boli kolmé k Hz. V opačnom prípade, t.j. ak by siločiary boli rovnobežné s Hz, nepozorovali by sme výchylku strelky. V každej vzdialenosti nameriame výchylku pre obe otočenia magnetu, viď Obr. 3a a 3c. Výchylku odčítame pomocou lupy a žltej čiary na sklíčku kompasu. Bez prítomnosti tyčového magnetu ukazovala čiara na vonkajšej stupnici hodnotu 15.6. Ako by sa dalo čakať, strelka sa pri otočení magnetu vychýli do opačnej strany od rovnovážnej polohy, čo môžeme vidieť na Obr. 3b a 3d. Takto opakujeme meranie aj na druhej strane lavice pre obe Gaussove polohy. Dostaneme teda pre každú vzdialenosť a každú Gaussovu polohu štyri hodnoty výchylky, ktoré zpriemerujeme. Tieto hodnoty v stupňoch nájdete v textových súboroch s názvom v tvare phil_vzdialenost.txt alebo phi2_vzdialenost.txt. 1 (a) Prvá Gaussova poloha. (b) Druhá Gaussova poloha. Obr. 2: Experimentálne usporiadanie. Červená šípka označuje smer Hz, modrá šípka polohu tyčvého magnetu. 2 Obr. 3: Rovnovážna poloha žltej čiary je 15.6 na vonkajšej stupnici. Aby sme mohli spočítať magnetický moment magnetu, nameriame periódu kmitov v magnetickom poli Zeme. Aparatúru na meranie periódy vidíme na Obr. 4a. Tyčový magnet je položený v puzdre, ktoré vysí sa silikónovom lanku. Aby meranie nebolo ovplyvnené fluktuáciami v okolí, teda prievanom, je okolo magnetu umiestnený plastový valec. Na stopkách nameriame trvanie desiatich periód malých kmitov magnetu. Toto meranie zopakujeme päť krát. V textovom súbore perioda.txt nájdete päť hodnôt, kde každá predstavuje dobu trvania jednej periódy v sekundách. Nakoniec zmeriame posuvným meradlom rozmery permanentného magnetu a jeho hmotnosť. Na váhy zobrazené na Obr. 4b položíme magnet a postupne pridávame závažia, kým váhy nie sú vyvážené. Priemer, dĺžka a hmotnosť magnetu sú po rade d = 2.205 cm, l = 12.340 cm, m = 298.57g. 3 (a) Aparatúra na meranie periódy kmitov tyčvého mag- (b) Rovnoramenné váhy. netu v magnetickom poli Zeme. Obr. 4 2. VOLITELNÁ ČASŤ 2.1. Varianta A: Magnetická odozva feromagnetického matiriálu (hysterézna smyčka) (a) Komponenty obvodu. (b) Feromagnetické jadro transformátoru. Zelená farba vzynačuje plochu, ktorou prechádza magnetický tok. Obr. 5 4 Zapojíme obvod podľa Obr. 4 v návode. Jednotlivé komponenty sú označené číslami a ukázané na Obr. 5a and 6. Sú to: 1. transformátor v tvare toroidu - primárna a sekundárna cievka ovinutá okolo feromagnetického jadra ukázaného na Obr. 5b, 2. rezistor R±, 3. rezistor R2 v paralelnom zapojení s kondenzátorom, 4. zdroj striedavého napätia, 5. osciloskop. Striedavé napätie U\ privedené na primárnu cievku (meriame osciloskopom na rezistore R±) vytvára tok magnetického poľa, ktorý v sekunárnej cievke indukuje napätie U2 (meriame osciloskopom na rezistore R2). Nastavíme osciloskop do režimu XY, v ktorom môžeme pozorovať závislosť napätia U2 na napätí U\. Dostaneme teda priamo tvar hysteréznej smyčky. Snímka z osciloskopu je ukázaná na Obr. 7. CH1 a CH2 označujú napätie U\ a U2, a udávajú veľkosť strán štvorcov tvoriacich mriežku v jednotkách napätia. Tieto dáta nájdete v súbore s názvom F0000CHBDTH.CSV , ktorý obsahuje časové závislosti ř7i (i) a U2(t), pričom samotné hodnoty U\ a U2 sa nachádzajú v druhom a štvrtom stĺpci. Vašou úlohou teda bude vyniesť do grafu závislosť U2 na U\. Pre úplnosť ukazujeme na Obr. 8 aj závislosti napätí U\ a U2 na čase. Obr. 6: Zapojený obvod. 5 Aby sme mohli príslušné napätia prepočítať na magnetickú intenzitu H a magnetizáciu M, potrebujeme vedieť rozmery jadra transformátoru a parametre použitých súčiastok a = 5.19 mm, b = 8.26 mm, min = 19.77 mm, = 30.28 mm N! = 260, N2 = 900, Ri = 83S1, R2 = 120 kíl, C = 1/íF, kde cZmin (dmax) je minimálny (maximálny) priemer toroidu. Ostatné značenie odpovedá tomu v návode. Tek Jl, 1 1 1 1 1 1—I—I—1—■— 1—I—1—■—■—1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 i—■—i—i—i— i—i—i—■—■—i i i i i i i i i i i i Ipß -1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1J i i i i i i i i i i i i i i i i - ■ ' ' ■ 1 1_I_■_1_I_ 1_I_I_1_■_ i_i_■_i_i_i_i_i_i_i_ i_i_i_i_■_ i_■_■_i_i_i i_■_i_i_■_i SAVE/REC Action Save Image File Format About Saving Images Select Folder Save J TEK0002.JPG CH1 1.00V CH2 40.0mV XV Mode 16-OC1-20 11:17 Obr. 7: Hysterézna smyčka. Obr. 8: Závislosti napätí Ui a U2 na čase. 6 2.2. Varianta B: Tienenie magnetického pola vo valcovej dutine Helmholtzove cievky zapojíme podľa Obr. 6 v návode. Zapojený obvod s očíslovanými komponentami vidíme na Obr. 9, kde 1. zdroj s ampérmetrom, 2. komutátor prúdu, 3. Helmholtzove cievky, 4. kontakt, ktorý privádza Hallovu sondu na voltmeter, 5. justácia Hallovej sondy pre nulové magnetické pole, 6. voltmeter. Obr. 9: Zapojený obvod. Privedením prúdu do obvodu sa v Helmholtzove cievkach indukuje homeogénne magnetické pole, ktoré meriame pomocou Hallovej sondy. Sondu najprv najustujeme tak, aby voltmeter meral pri nulovom magnetickom poli napätie Un čo najbližšie OmV. Potom meriame Un pre štyri hodnoty prúdu 0.5 A, 1.0 A, 1.5 A a 2.0 A najprv bez trubiek, ktoré budú magnetické pole vnútri Helmholtzovych cievok tieniť a potom s trubkami. Merania prevádzame pre obe komutácie prúdu. Určovať sa bude tienenie pre trubky na Obr. 10b vyrobené z nerezi, oceli, niklu a Fe-Si-B. Oceľovú trubku tieniacu magnetické pole vidíme na Obr. 10a. Namerané hodnoty nájdete v súboroch Vzduch.txt , Dcel .txt , Nerez.txt , Nikel.txt a FeSiB.txt . 7 Parametre Helmholtzových cievok a trubiek sú (znaénie odpovedá tomu v návode) N = 100, 2R = 10.5 cm, ^nikel = 0.30 mm, i?nikel = 10.6mm, ^FeSiB = 0.027 mm, i?FeSiB = 12.7 mm aocel = 22.33 mm, 6ocel = 17.17 mm, «nerez = 18.65 mm, &nerez = 15.09 mm. (a) Aparatúra so zasunutou tieniacou trebkou z ocele. (b) Tieniace trubky, zľava nerez, oceľ, nikel, Fe-Si-B. Obr. 10 8