МАЙЕР Р.В.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ МАГНИТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТОКОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАГНИТНОЙ ПОСТОЯННОЙ

Анализ методической литературы по учебному физическому эксперименту [1, 2, 3, 4], позволяет констатировать отсутствие экспериментальных установок, обеспечивающих исследование зависимости силы магнитного взаимодействия проводников с током от силы тока и расстояния между ними, а также измерение магнитной постоянной μ0. В то же время, хорошо известны магнитные весы, позволяющие по силе магнитного взаимодействия между двумя обмотками определять ток в цепи [5, с.88--91]. Нами разработана методика использования магнитных весов для изучения магнитного взаимодействия проводников с током.

Рассмотрим два параллельных проводника длиной b каждый, находящиеся в воздухе на расстоянии a много меньше b друг от друга, по которым текут параллельные сонаправленные токи. Каждый ток создает магнитное поле, которое действует на другой проводник с силой: F=μ0bI1I2/2πa. Если I1=I2=nI и b=πD, где n и D--- число и средний диаметр витков то: F=μ0n2DI2/2a.

Итак, сила взаимодействия прямопропорциональна квадрату силы тока. Измерив F и I, можно определить μ0: μ0=2aF/n2DI2. Чтобы исключить систематические погрешности эксперимента, запишем уравнения для Fi и Fk, полученные в i--том и k--том опытах, вычтем из одного другое и выразим μ0 : μ0=2a(Fk-Fi)/ n2D(Ik2-Ii2). Приведенные формулы справедливы и в случае, когда по проводникам течет переменный ток с действующим значением I.

Рис. 1. Экспериментальная установка.

Предлагаемая установка (рис.1) состоит из металлического коромысла, которое подвешено за центр масс. С одной стороны коромысла прикреплена чаша весов с грузами, c другой --- одна из обмоток 3. Вторая обмотка 4 находится точно под первой и лежит неподвижно на столе. Обе обмотки соединены последовательно и через клеммы 1 и 2 и резистор R1 подключены к лабораторному автотрансформатору Т1. Для измерения тока, текущего через обмотки, в цепь включен амперметр.

Обмотки намотаны медным проводом ПЭЛ 0,67 и содержат по 60 витков. Использование обмоток с достаточно большим количеством витков обусловлено тем, что сила взаимодействия двух отдельных проводников разумной длины с токами меньше 10 А очень мала. Сила взаимодействия двух обмоток с током значительно возрастает и составляет для данной установки 0,3 Н при силе тока 7 А и расстоянии между проводниками 0,035 м. Установка допускает использование тока до 8--10 А при расстоянии между катушками до 60 мм. Следует заметить, что использование представленных выше формул возможно лишь в том случае, когда расстояние между обмотками существенно меньше их диаметра.

Методика выполнения эксперимента состоит в следующем. С помощью грузов добиваются слабого перевеса чаши весов (меньше 0,2 г), при котором она стоит на поверхности стола. Располагают катушки 3 и 4 соосно точно друг под другом на расстоянии 1--5 см, поворачивая их так, чтобы при протекании тока они притягивались.

Постепенно увеличивая силу тока в цепи, определяют его минимальное значение, при котором чаша весов отрывается от поверхности стола и начинает подниматься вверх. На чашу весов кладут гирьку массой 3--5 г. Снова определяют ток в обмотках, при котором сила их магнитного взаимодействия практически уравновешивает силу тяжести, действующую на гирьку.

Несколько раз увеличивают массу чашечки с гирьками и повторяют измерения, снимая зависимость F=F(I). Затем повторяют опыт при другом расстоянии между обмотками. По полученным данным строят графики F(I) для трех различных значений расстояния между обмотками r0. Находят значение μ0.

Рис. 2. Экспериментальные кривые.

Нами проведены эксперименты с данной экспериментальной установкой при трех различных расстояниях между обмотками. Для каждого опыта было найдено значение силы тока, определялась сила взаимодействия катушек с током и вычислялась магнитная постоянная. По полученным результатам построены графики зависимости силы взаимодействия от тока F=F(I) (рис.2). Если построить график зависимости F=F(I2), то точки окажутся на прямой, проходящей вблизи начала координат. Это позволяет сделать вывод о пропорциональности силы магнитного взаимодействия квадрату тока. По результатам измерений, магнитная постоянная равна μ0=(12±1)·10-7 Гн/м, что хорошо согласуется с табличным значением.

Предлагаемые магнитоэлектрические весы были использованы в качестве одной из лабораторных установок на занятиях по курсу "Экспериментальная физика".

Литература

1. Лабораторный практикум по общей физике: Учеб. пособие для студентов физ.--мат. фак. пед. ин--тов / Ю.А.Кравцов, А.Н.Мансуров, Н.Г.Птицина и др.; Под ред. Е.М.Гершензона, Н.Н.Малова.--- М.: Просвещение, 1985. --- 351 с.

2. Лабораторный практикум по физике: Учеб. пособие для студентов втузов / А.С.Ахматов, В.М.Андреевский, А.И.Кулаков и др.; Под ред. А.С. Ахматова.--- М.: Высшая школа, 1980.--- 360 с.

3. Расулов Н.С., Каримов А.Б. Универсальная установка для изучения магнитного взаимодействия токов // Физика в школе. --- 1996. --- N 2. --- C. 55--56.

4. Руководство к лабораторным занятиям по физике / Л.Л.Гольдин, Ф.Ф.Игошин, С.М.Козел и др.; Под ред. Л.Л.Гольдина.--- М.: Наука, 1973.--- 687 с.

5. Хвольсон О.Д. Курс физики. Т.5: Учение о магнитных и электрических явлениях / Изд. второе. --- Берлин: Гос.издат., 1925. --- 983 с.


Майер Р.В. Экспериментальное изучение магнитного взаимодействия токов и определение магнитной постоянной // Проблемы учебного физического эксперимента: Сборник научных и методических работ. Выпуск 4. --- Глазов: ГГПИ, 1998. --- C. 37--39.


ВВЕРХ

Hosted by uCoz