Экспериментальная установка состоит из набора вертикальных трубок длиной 70 см, сделанных из различных материалов. Цилиндрический магнит массой $M,$ равной нескольким граммам (при получении работы выясните у дежурного инженера, чему равна масса используемого вами магнита), намагничен вдоль оси. Для исследования явления магнитного торможения, магнит опускается по очереди в трубки из непроводящего материала (стекло) и проводящих материалов (металлы и сплавы). На внешнюю поверхность каждой из трубок намотаны $7$ катушек с периодом $10$ см. Каждая катушка состоит из $20$ витков и имеет длину $8$ мм. Все катушки включены последовательно. Напряжение, наведенное в катушках при падении магнита сквозь них, регистрируется с помощью USB осциллографа АКИП-72205А.

Медная трубка изготовлена из достаточно чистого материала, и при обработке результатов эксперимента можно использовать табличные данные о её проводимости. Проводимость меди равна $\sigma _{Cu}=5.3\cdot 10^{17} \ с^{-1}.$ Используя эти данные, можно определить неизвестный магнитный момент падающего «диполя» и далее, анализируя соответствующие осциллограммы, использовать полученное значение для определения проводимости сплошных трубок, изготовленных из сплавов (дюралюминиевая трубка и латунь), проводимости которых нам не известны. Характерные значения удельного сопротивления материалов приведены в Табл. 1.

Таблица 1. Удельное сопротивление трубок

Осциллограммы, полученные при падении магнита через трубки с разрезами, используются для проверки правильности выражения (63). Почти наверняка вы получите величину $Q,$ отличающуюся от теоретического значения. Это явится удобным поводом, чтобы подумать о том, какая не учтенная нами дополнительная составляющая действующей на магнит силы появляется в случае разрезанной трубки. Догадаться об этом можно «на слух». Бросьте магнит и послушайте звуки, сопровождающие его перемещение.

1. Измерьте внутренний и внешний диаметры трубок и запишите их в таблицу, указав материал трубки. Если материал не указан или вам не известен, запишите номер трубки.
2. Опустите магнит в трубку и оцените приблизительное время падения магнита для каждой трубки, что позволит вам правильно выбрать время регистрации сигнала.
3. Запустите USB осциллограф АКИП-72205А, подключенный к компьютеру через USB кабель, и его программное обеспечение PicoScope 6, нажав на иконку на верхней панели экрана. Вы увидите следующий интерфейс: /
4. На вход канала 1 осциллографа подаётся сигнал с измерительных катушек, усиленный с помощью трансформатора. Для корректной регистрации сигнала вам нужно выбрать режимы запуска, установить длительность и амплитуду записи рабочего канала и провести измерения. Поскольку у нас одиночные сигналы, следует включить триггер запуска выбрать режим запуска «однократный». При этом чтобы осциллограф не срабатывал от случайных наводок, нужно выбрать порог срабатывания. Его можно выбирать при помощи мыши передвигая выделенную жёлтую точку
5. Далее осталось выбрать Диапазон входного сигнала и Время сбора данных конкретные значения подбирайте для каждой трубки самостоятельно, исходя из времени пролёта магнита.
6. Каждый сигнал следует записать в файлы. Для удобства лучше каждый сигнал сохранять в двух видах — в виде картинки, и в виде *.csv или *.txt файла. Последние позволяют строить графики и обрабатывать результаты в программе SciDAVis, Microsoft Excel или других программах обработки данных.

Файл CSV представляет собой файл, содержащий текст, разделенный запятыми, но также может содержать текст, разделенным любым другим символом. CSV-файл может быть открыт несколькими программами, однако большинству пользователей CSV-файл удобнее всего просматривать через электронную таблицу, такую как Microsoft Excel, Open Office Calc или Google Docs.

Если на компьютере установлен Microsoft Excel, файлы CSV по умолчанию автоматически открываются в Excel, если дважды щелкнуть по значку файла. Если при открытии файла CSV вы получаете приглашение «Открыть с помощью», выберите Microsoft Excel из доступных программ, чтобы открыть файл. Кроме того, вы можете открыть Microsoft Excel и в строке меню выбрать Файл, Открыть и выбрать файл *.CSV. Если после открытия CSV–файла текст находится в одном столбце (вместо того, чтобы разделяться каждой запятой на отдельные столбцы), то сначала запустите Microsoft Excel и импортируйте файл, используя мастер импорта текста. Во вкладке данные нажмите получение внешних данных и в выпадающем окошке выберите из текста. В открывшемся окне проводника импортируйте нужный файл с расширением CSV. В открывшемся после этого окне выберите с разделителями: На следующем экране выберите параметр запятая вместо табуляция, а на третьем — выберете Формат данных столбца общий: и поместите данные в выбранный вами лист. В случае если в установках компьютера в качестве разделителя целой и дробной части использована запятая, а не точка, данные не будут читаться корректно. В этом случае нужно нажать в этом окне на кнопку подробнее и поставить точку в качестве разделителя. В результате вы получите таблицу, содержащую информацию об установках осциллографа и записанные данные (время и амплитуду сигнала), которая может выглядеть, например, так: \noindent Далее, используя Excel, вы можете построить графики и обработать данные.

1. Используя осциллограммы с установившейся скоростью падения магнита (сплошная медная трубка), вычислите коэффициент трения $\beta =\frac{g}{v_{\infty }}.$
2. Подставляя в уравнение $$ \beta =\frac{45\pi ^{2} }{64} \frac{\sigma m^{2} h}{Ma^{4} c^{2} }, $$ используя табличное значение проводимости для меди, вычислите дипольный момент постоянного магнита.
3. Используя значение магнитного момента $m$ (или как–то иначе), определите из осциллограмм, полученных для трубок из сплавов, проводимость материала трубок. При вычислениях используйте выражение $\beta =\frac{g}{v_{\infty }}$ или, если скорость движения не установилась (например, для стеклянной трубки), выражение $$ z_{m} \left(t\right)=\frac{gt}{\beta } -\frac{g-\beta v_{1} }{\beta ^{2} } \left[1-\exp \left(-\beta t\right)\right].$$
4. Вычислите проводимость для остальных трубок и сравните её с табличными значениями.

Назад к контрольным вопросам или далее к описанию лабораторных работ «Проникновение электромагнитного поля в вещество»