Tech Paper - Sources of Magnetic Field

October 7, 2017 | Author: Annamarie SanDiego | Category: Magnetic Field, Magnet, Physical Sciences, Science, Physical Quantities
Share Embed Donate


Short Description

physics 72.1 laboratory tech paper sources of magnetic field...

Description

Investigating Magnetic Field and its Relationship with Current and  Number of Turns per Meter of the Solenoid  Acelar, Hazel, Atienza, Ailyn and San Diego, Annamarie*  College of Engineering  University of the Philippines, Diliman, Quezon City  *Corresponding author: [email protected]   

Abstract  The  strength  of  a  magnetic  field  inside  a  solenoid  was  measured  using  a  magnetic  field  sensor.  The  relationship  between  magnetic  field,  current,  and  spacing  of  turns  in   a  solenoid  was  established.  By  graphical  analysis  of   the  experimental  data,  it  was  found  that  magnetic  field  strength  is  dependent on the permeability  constant of the  material, the  number  of   turns   per  unit  length,  and  the  current   passing   through  the  wire.  The  permeability  constant  was  calculated  from  the  slope  of  the  trendline.  The magnetic  field  lines  of  a  solenoid,  bar  magnet,  and combinations of bar magnets were mapped. Through   this  experiment,   quantitative  and  qualitative  descriptions  of  magnetic  field arising  from  bar magnets and solenoids were obtained. 

   1.       Introduction  A magnetic field is  defined  as the area of influence around a moving charge or a current­carrying conductor.  It   is in this  region that magnetic forces act on charges  in motion. The presence of a magnetic field cannot be confirmed by  mere  sight  or touch, but it can be demonstrated by its effects on certain objects  like magnetic metals  or current­carrying  coils of wire. Magnetic field is a vector and has SI unit Tesla (T).  This  experiment  focuses  on  one  source  of  magnetic  field—the  solenoid. A solenoid consists of a wire wound  to  form  a  helix.  This  configuration  allows  a  uniform  magnetic  field  to  be  generated  in the  solenoid's  interior. The net   magnetic field can then be obtained by the vector sum of the fields arising from all the turns of the wire.   Ampere's  Law  is used to find the magnetic field produced in highly symmetric geometries, which includes the  solenoid.  In  1825,  André­Marie  Ampère  established  the  quantitative  relationship  between  the  magnetic  field  and  the  electric  current  that  generates it.  The  general  statement  of  Ampere's  Law  is  that  the line  integral of the  magnetic field  around  a  path  is  directly  proportional  to  the  algebraic  sum  of  the  currents  enclosed  by  that  path.  From  this  law,  an  expression to compute for the interior magnetic field of a solenoid can be obtained.  The strength of the magnetic field inside a solenoid is given by the equation:  B = μ0nI (1)  Magnetic  field  strength  can  be  computed  given  the  current I passing  through  the  wire, permeability  of  free   

space  μ0 = 4π × 10 −7T ∙ m/A   ,  and  the number of turns per unit length  n = N /L where N is the number of turns and L  is  the length of the wire.  The  objective  of  this  experiment  is  to  measure  the  magnetic   field  inside  a  solenoid  and  find  out   how  characteristics  of  the  loop  affect  field  strength.  It  also  aims to qualitatively describe  the magnetic field of a bar magnet  using  field  line  mapping.  The study of magnetic field sources has significant applications to science and technology, as  well  as  other  industries.  Solenoids  are  employed  for  many  purposes:  from  doorbells,  to  automotives,  to  medical  imaging   equipment,  to  tall  cranes  used  for  transporting  heavy  materials.  ​ Measurement  of  field  strength  is  therefore  crucial in creating controlled magnetic fields that will fit for different practical applications.       

2.       Methodology  The  materials  used  for  the  experiment  are:  PASCO  DC power supply, Vernier magnetic field sensor, Vernier  Labquest  2.0,  slinky,  meter  stick,   connectors,  tape,  compass,  bar  magnets  (2  small,  1  big),  field  pattern  window,  magnetic field model, and 3D field tracer.     The  slinky  was  placed  and  stretched to about 1 m in  length on a meter stick. Tape, a non­conducting material,  was  used  to  hold  the slinky in place. The Vernier Magnetic Field Sensor was connected to the LabQuest and the switch  on  the  sensor  was  set  to  HIGH  x200  or  6.4  mT.  The  slinky  was  connected  to  a  power  supply  to  form  a  circuit.  The   alligator  cables  and   banana  plugs   used  as  connectors   were  kept  far   from  the  slinky   to  avoid   interference   with  measurements, as  these  devices  also  create  current­induced magnetic field. The power supply was set to steady current  2.0  A.  The  sensor  was   inserted  in  the  center  of  the  slinky.  It  was  rotated  as  the  LabQuest  collects  data  to  find  the  direction  of  the  most  positive  magnetic  field  reading.  That  orientation  was  used  for  the  rest  of  the  experiment.  The  power supply was turned off and the meter screen of LabQuest was calibrated to zero.  

  Figure 1. Experimental setup 

Using  the  Graph  Screen,  data  was  collected,  then the power supply  was turned on for five seconds. The mean  for the portion of the graph where the power supply is on was recorded as the magnetic field strength.   Using  these  methods,  the  magnetic  field  strength  was  measured for different current values; 0.5 A, 1.0 A, 1.5  A,  2.0  A,   and  2.5   A.  The  number  of  turns  of  the  slinky  was  counted  and   recorded.  Loops  that  stick  together  were  counted as one.   To  find  the  relationship between  magnetic  field  and  spacing  of  turns,  the  current  was  fixed  to  1.5  A  and the  length  of  slinky  was  varied  from  0.25  m  to 1.25 m with 0.25 m intervals. For each setup, the number of turns of slinky  was counted. The same procedures as before were used for getting their respective magnetic fields.   Magnetic  field  lines  of  a  bar  magnet  and  combinations  of   bar  magnet  were  mapped  using  field  pattern  window. For the slinky stretched to 0.50 m length at a steady current of 2.0 A, 3D field tracer was used.  

  3.       Results and Discussion  The  data  gathered  from  the  experiment  were  used  to  establish  the  relationship  between  magnetic  field  and  current. 

  Figure 2. Magnetic field strength vs current through the solenoid 

  The  magnetic  field  strength  vs  current  graph  behaves  linearly.  The  equation  of  the  trendline  is y = 0.1034x ­  0.0107,  where  y  represents  magnetic   field,  x  represents  current,  the  y­intercept  ­0.0107  is  equal  to  the  value  of  magnetic  field  when current  is  zero,  and  the  slope  0.1034  is the value of  μ0n  from equation (1).  Since n = 85 m−1 ,  we  can deduce that  μ0 = 0.1034/85m−1 = 1.22 × 10−3mT ∙ m/A   

 

  Figure 3. Magnetic field strength vs number of turns per unit length of solenoid 

Similarly, the  magnetic  field  vs  number  of  turns  per  unit length of solenoid graph is  also linear. The  equation  of  the trendline is  y = 0.0021x ­ 0.0521, where x represents the number  of turns per unit length of  solenoid, y represents  the magnitude of  magnetic field, the y­intercept ­0.0521  is the magnitude of magnetic field when there are no turns,  and  the  slope  0.0021  is  equal  to  the  value  of  μ0I  from equation (1). Since  I = 1.5 A, we can deduce that  μ0 = 0.0021/1.5A = 1.4 × 10−3mT ∙ m/A .  The magnetic field lines of solenoid, bar magnet, and combination of bar magnets were mapped this way:   

             

 

(a)                                                                           (b)   Figure 4. Sketches of magnetic field lines of (a) large bar magnet (b) slinky 

           

 

(a)                                                                                 (b)  Figure 5. Sketches of magnetic field lines of two small bar magnets aligned and connected at (a) North and South (b) South and  South 

Based  on  Figure  4,  the  direction  of  magnetic  field  lines of bar magnet and slinky are  the same in terms of the  direction  and  flow  of lines.  In  both  cases,  field  lines  flow  from  North  pole to South pole. It is evident on Figure 5 that  opposite poles attract and like poles repel.  

  4.       Conclusion  From  the  gathered  data  and results, the direct relationship that magnetic field has  with current and the number  of  turns  per  unit  length  of  the  solenoid,  that  is  the  coil  density.  The  equation  B = μ0nI has  been  proven  and  is clearly  shown  by  the  linear  behavior  of  the  graphs  of  both  the  magnetic  field   versus  number  of  turns  per  unit  length  of  solenoid,  and  the  magnetic  field  versus  the  current  through  the solenoid. This just goes to show that for every increase  and  decrease  in the  current  and/or  the  number  of  turns per  unit length,  there is a corresponding change in the magnetic  field  in  the  same  direction,  whether  increasing  or  decreasing.  Moreover,  for  the  magnetic bars and  the combination of  such,  regardless  of  the orientation of the  magnet, especially for the combination of magnets, the field is always directed  away  from  the  North  pole  and  into  the  South  pole.  Also,  it  has  been  proven  through  the  observation  of field lines the  opposite poles attract and like poles repel.    

Acknowledgment  The  researchers  would  like  to  express  their   deepest   gratitude  and   appreciation  to  the  University  of  the  Philippines  Diliman   National  Institute  of  Physics   for  providing  the  necessary  resources  and   materials,  and  to  their  laboratory   instructor,  Ms.  Arianne  Lacaba  for  the  knowledge  imparted  and  guidance  throughout  the  whole  experiment.  This  experiment will not be possible without their help.  

  References  1. 2. 3. 4. 5.

Influence of Permanent Magnets With Network Cabling ­ Siemon. (n.d.). Retrieved March 10, 2015, from  http://www.siemon.com/uk/white_papers/06­05­01­magnets.asp  Magnetic Field in a Slinky. (n.d.). Retrieved March 10, 2015, from  http://physics.ham.miamioh.edu/LabPages/MagFieldSlinky/Magnetic_Field_in_SlinkyS14.htm  Solenoid. (n.d.). Retrieved March 10, 2015, from  http://hyperphysics.phy­astr.gsu.edu/hbase/magnetic/solenoid.html  Resnick, R., & Halliday, D. (2002). Chapter 30. In ​ Physics​  (5th ed.). New York: Wiley.  Young, H., & Freedman, R. (2012). Chapter 28. In University physics (13th ed.). Reading, Mass.: 

 

Addison­Wesley.

       

View more...

Comments

Copyright ©2017 KUPDF Inc.
SUPPORT KUPDF