Описание экспериментальной установки. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛЫ АМПЕРА

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛЫ АМПЕРА

Методические указания к лабораторной работе №40

по физике

(раздел «Электричество и магнетизм»)

Ростов-на-Дону

УДК

Составители: И.А. Осипенко, И.Г. Попова, Т.В. Шкиль

Экспериментальное исследование силы Ампера: метод. указания к лабораторной работе № по физике. – Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2015. – 11 с.

Указания содержат краткую теорию по экспериментальному определению силы Ампера, действующей на проводник с током, помещенный в однородное магнитное поле, и методику определения индукции магнитного поля.

Методические указания предназначены для студентов-бакалавров инженерных специальностей всех форм обучения, в программу учебного курса которых входит выполнение лабораторных работ по физике (раздел «Электричество и магнетизм»).

Печатается по решению методической комиссии факультета

«Автоматизация, мехатроника и управление»

Рецензент д-р. техн. наук, проф. В.С. Кунаков

©Издательский центр ДГТУ, 2015

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛЫ АМПЕРА

Цель работы: экспериментальное исследование силы Ампера и определение индукции магнитного поля.

Оборудование: электромагнит; набор проводящих рамок; металлическая лента со штепсельными вилками; соединительные проводники; источник питания универсальный; выпрямитель; аналитические весы; универсальный штатив.

Краткая теория

Сила Ампера – это сила, с которой магнитное поле действует на помещенный в него проводник с током.

Магнитное поле - форма существования материи, окружающей движущиеся электрические заряды (проводники с током, постоянные магниты).

Магнитное поле имеет направленный характер и должно иметь векторную силовую характеристику. Ее обозначают и называют магнитной индукцией.

Магнитное поле изображается графически с помощью магнитных силовых линий или линий магнитной индукции. Магнитными силовыми линиями называются линии, вдоль которых в магнитном поле располагаются железные опилки или оси маленьких магнитных стрелок. В каждой точке такой линии вектор направлен по касательной.

Магнитное поле называется однородным, если вектор в любой точке постоянен.

Ампер экспериментально установил, что сила (рис. 1), с которой магнитное поле действует на элемент проводника с током , находящийся в магнитном поле , прямо пропорциональна силе тока и векторному произведению элемента длины на магнитную индукцию .

Закон Ампера: .

Модуль силы Ампера:

,

где - угол между векторами и .

Направление вектора может быть найдено согласно общим правилам векторного произведения, откуда следует правило левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы магнитные силовые линии входили в нее, а четыре вытянутых пальца направить по току, то отогнутый большой палец покажет направление силы.

Сила, действующая на провод конечной длины, находится интегрированием по всей длине:

Рис. 4

.

В однородном магнитном поле :

. (1)

Если .

Согласно этой формуле:

(2)

Индукция магнитного поля - векторная физическая величина, численно равная силе, действующей в однородном магнитном поле на проводник единичной длины с единичной силой тока, расположенный перпендикулярно магнитным силовым линиям.

Индукция магнитного поля измеряется в теслах:

.

1Тл - индукция однородного магнитного поля, в котором на проводник длиной 1м с током в 1А, расположенный перпендикулярно магнитным силовым линиям, действует сила 1Н.

Как следует из формулы (1), сила Ампера, действующая в однородном магнитном поле с индукцией на прямолинейный проводник длины с током , линейно зависит от и . Цель данной экспериментальной работы - доказать эти зависимости.

Описание экспериментальной установки

Исследуемый проводник длиной (длина указана на рамке) с током представляет собой нижний горизонтальный участок проводящей рамки, которая помещается в однородное магнитное поле перпендикулярно магнитным силовым линиям (рис. 2). Принципиальная схема экспериментальной установки приведена на рисунке 3.

От источника питания (клеммы АС) постоянный ток через металлическую ленту и соединительные провода пропускается через проводящую рамку; величина тока измеряется амперметром А₁; цепь тока замыкается ключом К.

Однородное магнитное поле возникает между полюсами электромагнита при пропускании через его обмотку постоянного тока , который измеряется амперметром А₂. Выпрямление переменного тока (клеммы DС универсального источника питания) осуществляется с помощью мостовой схемы (рис. 3).

Величина индукции однородного магнитного поля зависит от силы тока в обмотках электромагнита . Как видно из рис. 2, силы и , действующие на вертикальные участки рамки с током в магнитном поле, одинаковы по величине и компенсируют друг друга. Следовательно, сила, действующая на рамку с током со стороны магнитного поля, определяется формулой (см. формулу (1) при ):

, (3)

где - длина нижнего горизонтального участка рамки.

Эта сила может быть определена с помощью, так называемого датчика силы. Датчик силы представляет собой аналитические весы, позволяющие определять массу с точностью до 0,01 г. Измерительная часть весов состоит из горизонтальной шкалы, круговой шкалы и нониуса (точность 0,01 г).

Измерение массы на аналитических весах выполняется согласно показаниям на линейной, круговой шкале и нониусе. Пример измерения показан на рисунке 4.

При отсутствии тока в проводнике на рамку массой действует только сила тяжести:

, (4)

направленная вертикально вниз.

При пропускании тока через проводник на него действует сила Ампера:

, (5)

направленная на данной установке вертикально вверх (рис. 1).

В этом случае на рамку действуют и сила тяжести , и сила Ампера . Поскольку силы направлены противоположно, их равнодействующая равна:

,

. (6)

Поэтому показания датчика силы (аналитических весов) изменяются и соответствуют силе , которая может быть выражена формулой:

, (7)

где - показания аналитических весов.

Согласно (6) и (7),

,

. (8)

Примечание. Если направление тока в рамке поменять на противоположное, будет направлена вниз; в этом случае:

.