Электричество и магнетизм

Министерство образования и науки российской Федерации 

уральский Федеральный университет  
иМени первого президента россии б. н. ельцина

ЭлектриЧество 
и МагнетизМ

лабораторный физический практикум

рекомендовано методическим советом урФу 
для студентов, обучающихся по программе бакалавриата  
по направлениям подготовки 03.03.02 «Физика»,  
05.03.04 «гидрометеорология», 03.03.03 «радиофизика», 
09.03.02 «информационные системы и технологии», 
21.03.03 «геодезия и дистанционное зондирование» 
27.03.01 «стандартизация и метрология», 27.03.05 «инноватика», 
28.03.01 «нанотехнологии и микросистемная техника», 
по программе специалитета по направлению подготовки 
03.05.01 «астрономия»

екатеринбург 
издательство уральского университета 
2017

удк 537(076)
 
Э 454

а в т о р ы:

н. б. лобанова, Ю. а. лобанов, н. п. зырянова, 
е. а. вилисова, а. с. болячкин

р е ц е н з е н т ы:
кафедра физики и математического моделирования
уральского государственного педагогического университета
(заведующий кафедрой доктор физико-математических наук,
 профессор в. е. сидоров);
в. п. коверда, доктор физико-математических наук, член-корр. ран,
заведующий лабораторией фазовых переходов
и неравновесных процессов института теплофизики уро ран

п о д  о б щ е й  р е д а к ц и е й
е. а. вилисовой

Э 454  
Электричество и магнетизм : лаборатор. физич. практикум  / 
[н. б. лобанова, Ю. а. лобанов, н. п. зырянова, е. а. вилисова, 
а. с. болячкин ; под общ. ред. е. а. вилисовой] ; М-во образования и науки рос. Федерации, урал. федер. ун-т. — екатеринбург : 
изд-во урал. ун-та, 2017. — 216 с. 

ISBN 978-5-7996-2077-6

представлены описания лабораторных работ физического практикума по дисциплине «Электричество и магнетизм» курса общей физики. 
описания работ содержат краткую теорию явлений, методику и порядок 
проведения эксперимента, а также контрольные вопросы для самопроверки.
для студентов бакалавриата и специалитета естественно-научных 
и инженерных направлений подготовки.

удк 537(076)

На обложке:
двухканальный аналоговый осциллограф нМ303-6

© уральский федеральный университет, 2017
ISBN 978-5-7996-2077-6

Оглавление

От авторов ...................................................................................................................5

Тема 1. Движение элекТрОнОв  
в элекТрических и магниТных пОлях .................................8
Лабораторная работа № 1. изучение электронного  
осциллографа .............................................................................. 8

Лабораторная работа № 2. измерение силы, действующей 
на проводник с током со стороны магнитного поля ............. 26

Лабораторная работа № 3. измерение удельного заряда  
электрона «методом магнетрона» ........................................... 31

ЗакЛючение ....................................................................................... 40

Тема 2. изучение харакТерисТик пОлупрОвОДникОв 
и сегнеТОэлекТрикОв ....................................................................42
2.1. краткие сведения о полупроводниках .................................... 43
2.2. Электронно-дырочный переход .............................................. 51
Лабораторная работа № 4. исследование электрических  
и гальваномагнитных свойств полупроводников .................. 57

Лабораторная работа № 5. изучение работы  
полупроводниковых выпрямителей ....................................... 67

Лабораторная работа № 6. изучение работы транзистора ............ 82
Лабораторная работа № 7. измерение кривой поляризации  
и петли гистерезиса сегнетоэлектрика в постоянном 
электрическом поле .................................................................. 94

ЗакЛючение ..................................................................................... 110

Тема 3. изучение магниТных свОйсТв вещесТва ..................... 112
3.1. Магнитные свойства вещества .............................................. 113
3.1.1. основные характеристики ...................................................... 113
3.1.2. диамагнетики ........................................................................... 115
3.1.3. парамагнетики ......................................................................... 118
3.1.4. антиферромагнетики .............................................................. 119
3.1.5. Ферромагнетики .......................................................................120

3.2. поведение ферромагнетиков в постоянных  
и переменных магнитных полях ........................................... 128
3.3. измерения магнитного поля и индукции ............................. 131
Лабораторная работа № 8. определение точки кюри 
ферромагнетиков методом электромагнитной индукции ... 134

Лабораторная работа № 9. измерение кривой  
намагничивания и петли гистерезиса в постоянном 
магнитном поле ...................................................................... 139

Лабораторная работа № 10. измерение петли гистерезиса  
и кривой намагничивания осциллографическим методом 147

Лабораторная работа № 11. определение кривой 
намагничивания в переменном магнитном поле ................. 154

Лабораторная работа № 12. измерение магнитной 
восприимчивости слабомагнитных веществ ....................... 160

ПриЛожение ..................................................................................... 170
ЗакЛючение ..................................................................................... 174

Тема 4. Цепи переменнОгО ТОка.  
кОлебаТельный кОнТур ..............................................................176
4.1. свободные электрические колебания ................................... 177
4.1.1. колебательный контур. свободные колебания .....................177
4.1.2. логарифмический декремент колебаний ...............................183
4.1.3. добротность контура ...............................................................184
4.2. вынужденные электрические колебания ............................. 186
4.2.1. колебательный контур. вынужденные  
колебания под действием гармонической Эдс ...................186
4.2.2. резонанс напряжения на конденсаторе ..................................190
4.2.3. добротность контура при вынужденных колебаниях ..........192

Лабораторная работа № 13. активная и реактивная  
мощности в цепях переменного тока ................................... 196

Лабораторная работа № 14. изучение вынужденных  
колебаний и явления резонанса  
в колебательном контуре ....................................................... 202

Лабораторная работа № 15. изучение свободных 
электромагнитных колебаний в колебательном контуре .... 205

ЗакЛючение ..................................................................................... 212

библиографические ссылки .................................................................. 213

ОТ авТОрОв

в учебно-методическом пособии представлены описания 
лабораторных работ № 1–15, которые выполняются студентами 
младших курсов физического факультета института естественных наук и математики урФу в рамках дисциплины «Физический 
прак тикум. Электричество и магнетизм» модуля «общий физический практикум». параллельно студенты изучают дисциплину 
«Электричество и магнетизм» модуля «общая физика».
весь материал пособия разбит на четыре тематических раздела: «движение электронов в электрических и магнитных 
полях», «изучение характеристик полупроводников и сегнетоэлектриков», «изучение магнитных свойств вещества», «цепи 
переменного тока. колебательный контур». каждый раздел имеет 
краткую вступительную часть и заключение. начиная со второго, 
в разделы включена отдельная теоретическая часть, общая для 
лабораторных работ. ее прочтение перед выполнением конкретной лабораторной работы является обязательным для студентов, 
а краткие выдержки из нее желательно включать в отчет по работе. 
после ознакомления с теоретической частью работы для успешного усвоения материала студенту предлагается проверить знания 
с помощью контрольных вопросов. затем следует внимательно 
изучить методику эксперимента, ознакомиться с электрической 
схемой установки, с приборами и оборудованием, используемым в эксперименте. при выполнении некоторых работ студентам будет предложено самостоятельно собрать электрическую 
схему установки. далее следует изучить порядок выполнения 
задания. приступать к выполнению работы можно только с разрешения преподавателя. результаты измерений необходимо заносить в рабочую тетрадь в заранее подготовленные таблицы, а по 
окончании измерений обработать полученные данные по указанной методике и сделать необходимые выводы. после выполнения 

работы студент представляет преподавателю отчет по лабораторной работе, включающий в себя:
 • название работы,
 • цель работы,
 • краткую теорию,
 • схему электрической установки с перечнем приборов 
и оборудования,
 • методику эксперимента,
 • выполненные задания с измерительными и расчетными 
таблицами (обязательно приводится пример расчета одной 
строки расчетной таблицы),
 • графики полученных зависимостей,
 • расчет погрешностей измеренных величин,
 • вывод, 
включающий 
значения 
измеренных 
величин 
с погрешностями.
при выполнении заданий студенты должны руководствоваться правилами техники безопасности, изложенными в инструкции Ф-36 на безопасное выполнение работ в лаборатории электрических и магнитных измерений.
в пособие включены описания работ, которые входят в программу физического практикума по электричеству и магнетизму 
на протяжении последних пяти лет. по сравнению с предыдущими 
изданиями описаний лабораторных работ, данное пособие дополнено новыми работами с современным электроизмерительным 
оборудованием (№ 2, 13), ряд работ модернизирован (№ 6, 15), 
а остальные усовершенствованы.
в составлении описаний лабораторных работ № 1–15 участвовали доценты кафедры общей и молекулярной физики, которые вели занятия со студентами: н. б. лобанова, н. п. зырянова, 
е. а. вилисова; доцент кафедры физики низких температур 

 аспирант кафедры магнетизма и магнитных наноматериалов а. с. болячкин.
в организации и постановке лабораторных работ в разное время принимали участие преподаватели университета 
в. п. ворошилов, л. я. кобелев, и. а. кузнецов, н. б. лобанова, 

Ю. а. лобанов, н. с. Малев, в. Х. осадченко, в. в. парфенов, 
а. с. распопин, е. Ф. Шабалина.
отдельную признательность авторы издания высказывают 
сотруднику а. р. удалову за участие в подготовке теоретического блока лабораторной работы № 7 по физике диэлектриков 
и сегнетоэлектриков.
авторы н. б. лобанова, н. п. зырянова, е. а. вилисова выражают сердечную благодарность а. с. болячкину за огромную техническую работу, проделанную по подготовке данного пособия, 
а также за написание содержательных и полезных заключений 
к темам и составление библиографического списка.

тема 1  
Движение элекТрОнОв 
в элекТрических  
и магниТных пОлях

во всех электронных и ионных приборах электронные потоки 
в вакууме или газе подвергаются воздействию электрического 
поля. при этом взаимодействие движущихся электронов с полем 
является основным процессом. одним их таких электронных приборов является осциллограф. с принципом работы электронного 
осциллографа и с его основными применениями предлагается 
ознакомиться при выполнении работы № 1. Электронный осциллограф позволяет изучать быстропротекающие электрические 
процессы: наблюдать их осциллограммы и измерять мгновенные 
характеристики электрических сигналов.
лабораторная работа № 2 посвящена изучению взаимодействия движущихся зарядов с магнитным полем и измерению силы 
ампера с помощью тензометрического датчика.
в лабораторной работе № 3 изучается движение электронов 
в скрещенном электрическом и магнитном поле, которое лежит 
в основе магнетронов (осцилляторов, применяемых при генерации микроволнового излучения). в работе «методом магнетрона» 
определяется фундаментальная физическая постоянная — удельный заряд электрона.

Лабораторная работа № 1 
изучение электронного осциллографа

ц е л ь  р а б о т ы: ознакомление с принципом действия 
осциллографа, применение осциллографа в качестве измерительного прибора, исследование характеристик электрических 
сигналов.

1. ПринциП работы осциЛЛографа

1.1. бЛок-схема

осциллограф — это прибор, предназначенный для исследования и регистрации электрических процессов. блок-схема 
(рис. 1) простейшего осциллографа состоит из следующих 
элементов:
1. одним из основных элементов осциллографа является 
электронно-лучевая трубка, в которой узкий пучок летящих электронов проходит через две пары пластин и вызывает свечение экрана.  первая пара пластин (пластины X) 
расположена вертикально и отклоняет луч по горизонтали. 
вторая пара пластин (пластины Y) расположена горизонтально и отклоняет луч по вертикали. если подавать на эти 
пластины напряжение, луч опишет на экране кривую, называемую осциллограммой.
2. для получения осциллограмм, изображающих зависимость 
напряжения от времени, необходим генератор горизонтальной развертки. Это генератор пилообразного напряжения, 
которое подается на горизонтально отклоняющие пластины X и может меняться по частоте.
3. амплитуда исследуемого сигнала часто бывает мала. для 
увеличения сигнала предусмотрен усилитель вертикального отклонения, а для обеспечения необходимой ширины 
изображения — усилитель горизонтальной развертки.
4. в результате целого ряда причин частота сигнала не вполне 
стабильна. из-за этого осциллограмма становится неустойчивой. для исключения неустойчивости генератор горизонтальной развертки связывают с исследуемым сигналом, 
заставляя его работать синхронно с изменением исследуемого сигнала. Эту функцию в осциллографе выполняет 
блок синхронизации. исследуемый сигнал можно подавать 
либо непосредственно на пластины X или Y, либо через вертикальный и горизонтальный усилители.

Блок питания

Вертикальный
усилитель
Электроннолучевая трубка
Горизонтальный
усилитель
Генератор
развертки

Цепь синхронизации

Y
X
X

Вход
XY

рис. 1. блок-схема простейшего осциллографа

1.2. ЭЛектронно-Лучевая трубка

Электронно-лучевая трубка с электростатическим управлением [1, с. 224] состоит из вакуумной колбы цилиндрической 
формы с расширением к концу в виде конуса (рис. 2). почти 
плоское основание конуса покрыто слоем люминофора — это 
экран трубки (Э). Электроны, вылетевшие с катода (к) под разными углами к его поверхности, попадают в электрическое поле 
цилиндра М, окружающего катод (модулятора), или, как его иначе 
называют, управляющего электрода, имеющего отрицательный 
потенциал относительно катода. Этим полем поток электронов 
сжимается и направляется в отверстие модулятора. так формируется электронный пучок. интенсивность пучка и, следовательно, 
яркость светящегося на экране пятна можно регулировать с помощью потенциометра R1, так как поле управляющего электрода, 
помимо самого сжимающего действия на поток электронов, оказывает еще и тормозящее действие. при достаточно большом отрицательном потенциале модулятора можно совсем «погасить» пучок. 
после модулятора пучок попадает в электрическое поле первого 
анода (а1), или, как его еще называют, фокусирующего цилиндра. 
на него подается положительное относительно катода напряжение порядка нескольких сот вольт. Это поле ускоряет электроны