Разработка методического пособия физического практикума: 'Измерение индукции магнитного поля постоянного магнита' 10 класс

Измерение индукции магнитного поля постоянного магнита.

Теоретическая часть

Движущиеся заряды образуют электрический ток. Следовательно, магнитное поле - это поле, создаваемое электрическим током.

Оно осуществляет взаимодействие электрических токов. Между неподвижными электрическими зарядами действуют силы, определяемые законом Кулона. Согласно теории близкодействия, это взаимодействие осуществляется так: каждый из зарядов создает электрическое поле, которое действует на другой заряд, и наоборот. Магнитное поле представляет собой особую форму материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами.

Перечислим основные свойства магнитного поля, устанавливаемые экспериментально:

1. Магнитное поле порождается электрическим током.

2. Магнитное поле обнаруживается по действию на электрический ток.

Экспериментальным доказательством реальности магнитного поля, как и реальности электрического поля, является факт существования электромагнитных волн. Для изучения магнитного поля можно взять замкнутый контур малых размеров. Например, можно взять маленькую плоскую проволочную рамку произвольной формы. Подводящие ток проводники нужно расположить близко друг к другу или сплести вместе. Тогда результирующая сила, действующая со стороны магнитного поля на эти проводники, будет равна нулю.

Магнитное поле создается не только электрическим током, но и постоянными магнитами. Если мы подвесим на гибких проводах рамку с током между полюсами магнита, то рамка будет поворачиваться до тех пор, пока плоскость ее не установится перпендикулярно к линии, соединяющей полюсы магнита. Таким образом, магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие (рис.1).

Рис.1. Ориентирующее действие магнитного поля на рамку с током.

Величина, характеризующая магнитное поле количественно называется вектором магнитной индукции и обозначают B. Ориентирующее действие магнитного поля на магнитную стрелку или рамку с током можно использовать для определения направления вектора магнитной индукции. За направление вектора магнитной индукции принимается направление от южного полюса S к северному N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле. Это направление совпадает с направлением положительной нормали к замкнутому контуру с током.

Положительная нормаль направлена в ту сторону, куда перемещается буравчик, если вращать его по направлению тока в рамке. Располагая рамкой с током или магнитной стрелкой, можно определить направление вектора магнитной индукции в любой точке поля. В магнитном поле прямолинейного проводника с током магнитная стрелка в каждой точке устанавливается по касательной к окружности. Плоскость окружности перпендикулярна проводу, а центр ее лежит на оси провода. Направление вектора магнитной индукции устанавливают с помощью правила буравчика: если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции.

Наглядную картину магнитного поля можно получить, если построить линии магнитной индукции. Линиями магнитной индукции называют линии, касательные к которым направлены так же, как и вектор в данной точке поля (рис.2).

Рис.2. Направление линий магнитной индукции.

Для прямолинейного проводника с током линии магнитной индукции представляют собой концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной этому проводнику с током. Центр окружностей находится на оси проводника. Стрелки на линиях указывают, в какую сторону направлен вектор магнитной индукции, касательный к данной линии (рис.3).

Рис.3. Расположение линий магнитной индукции для прямолинейного проводника с током.

Картину линий магнитной индукции можно сделать видимой, воспользовавшись мелкими железными опилками. В магнитном поле каждый кусочек железа, насыпанный на лист картона, намагничивается и ведет себя как маленькая магнитная стрелка. Наличие большого количестве таких стрелок позволяет в большее числе точек определить направление магнитного поля и, следовательно, более точно выяснить расположение линий магнитной индукции.

Важная особенность линий магнитной индукции состоит в том, что они не имеют ни начала, ни конца. Они всегда замкнуты. Поля с замкнутыми силовыми линиями называют вихревыми. Магнитное поле - вихревое поле. Замкнутость линий магнитной индукции представляет собой фундаментальное свойство магнитного поля. Оно заключается в том, что магнитное поле не имеет источников. Магнитных зарядов, подобных электрическим в природе нет.

Магнитное поле действует на все участки проводника с током. Зная силу, действующую на каждый малый участок проводника, можно вычислить силу, действующую на весь замкнутый проводник в целом. Закон, определяющий силу, действующую на отдельный участок проводника, был установлен в 1820 г. А. Ампером. Так как создать обособленный элемент тока нельзя, то Ампер проводил опыты с замкнутыми проводниками. Меняя форму проводников и их расположение, Ампер сумел установить выражение для силы, действующей на отдельный элемент тока.

Сила достигает максимального значения F_m, когда магнитная индукция перпендикулярна проводнику. Следовательно, максимальная сила, действующая на участок проводника длиной , по которому идет ток, прямо пропорциональна произведению силы тока I на длину участка : ~ .

Модулем вектора магнитной индукции назовем отношение максимальной силы, действующей со стороны магнитного поля на участок проводника с током, к произведению силы тока на длину этого участка:

Магнитное поле полностью характеризуется вектором магнитной индукции В. В каждой точке магнитного поля могут быть определены направление вектора магнитной индукции и его модуль с помощью измерения силы, действующей на участок проводника с током.

Пусть вектор магнитной индукции В составляет угол с направлением отрезка проводника с током. Опыт показывает, что магнитное поле, вектор индукции которого направлен вдоль проводника с током, не оказывает никакого действия на ток. Поэтому модуль силы зависит лишь от модуля составляющей вектора В, перпендикулярной проводнику, т.е. от , и не зависит от параллельной составляющей вектора В, направленной вдоль проводника.

Максимальная сила Ампера равна:

Ей соответствует . При произвольном значении угла сила пропорциональна не , а составляющей. Поэтому выражение для модуля силы F, действующей на малый отрезок проводника , по которому течет ток I, со стороны магнитного поля с индукцией , составляющей с элементом тока угол , имеет вид:

- Это выражение называют законом Ампера.

Сила Ампера равна произведению вектора магнитной индукции на силу тока, длину участка проводника и на синус угла между магнитной индукцией и участком проводника.

В рассмотренном выше опыте вектор перпендикулярен элементу тока и вектору . Его направление определяется правилом левой руки: если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции В входила в ладонь а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы, действующей на отрезок проводника (рис.4).

Рис.4. Правило левой руки.

За единицу магнитной индукции можно принять магнитную индукцию однородного поля, в котором на участок проводника длиной 1 м при силе тока в нем 1 А действует со стороны поля максимальная сила F_m=1 Н. Единица магнитной индукции получила название тесла в честь югославского ученого-электротехника Н. Тесла. Опираясь на измерение силы, действующей со стороны магнитного поля на участок проводника с током, можно определить модуль вектора магнитной индукции.

Опытный закон Ампера устанавливает зависимость величины силы, действующей на прямолинейный участок проводника с током, помещенный в магнитное поле, от основной характеристики магнитного поля - вектора индукции магнитного поля:

где l - длина активной части прямолинейного участка проводника, по которому протекает ток силой I, В-численное значение вектора индукции магнитного поля в месте расположения проводника, - угол между направлением оси проводника и направлением вектора.

Если проводник расположить так, чтобы = 90°, то

Таким образом, измерив действующую силу в ньютонах, величину тока в амперах и длину активной части проводника в метрах, легко определить величину индукции магнитного поля.

В данной экспериментальной работе необходимо определить индукцию магнитного поля В между полюсами дугообразного магнита, а также экспериментально проверить зависимость силы F от величины тока.

Описание установки и вывод рабочей формулы.

Для работы используется следующее оборудование: весы, набор гирь, дугообразный магнит, прямоугольная рамка (72 витка/5,4м), источник питания, лабораторный амперметр, ключ замыкания тока, измерительная линейка, соединительные провода.

Электрическая схема установки (рис.5):

5

4

3

2

1

В

А
Рис.5. Электрическая схема установки. 1 - Источник тока, 2 - реостат, 3 - амперметр,4 - АВ - прямолинейный проводник, 5 - ключ.

На проводник с током, помещенный в магнитное поле постоянного дугообразного магнита действует сила Ампера. Модуль которой равен:

где l - длина активной части прямолинейного участка проводника, по которому протекает ток силой I, В-численное значение вектора индукции магнитного поля в месте расположения проводника, - угол между направлением оси проводника и направлением вектора.

Отсюда следует:

Если угол α равен 90⁰, то индукция магнитного поля будет определяться выражением:

Таким образом, для измерения индукции магнитного поля необходимо измерить силу Ампера F, действующую на проводник, длину проводника и силу тока в этом проводнике.

Замыкая электрическую цепь, равновесие весов нарушается за счет действия силы Ампера со стороны магнитного поля. (см рис.6)

рис.6. Наблюдение нарушения равновесия весов при замыкании электрической цепи.

Уравновешивая весы с помощью разновесов, можно определить значение силы тяжести, а следовательно и силы Ампера:

Зная длину активной части проводника, силу тока в цепи, можно вычислить индукцию магнитного поля данного подковообразного магнита.

Стоит учесть, что при изменении силы тока сила Ампера также будет изменяться.

Индикатор индукции магнитного поля И554

Для индикации магнитной индукции во второй части работы используется прибор «Индикатор индукции магнитного поля И554» (см рис.2).

рис.7. Индикатор индукции магнитного поля И554.

Данный индикатор предназначен для использования в качестве наглядного пособия при демонстрации опытов по исследованию электромагнитных полей при изучении курса физики. Чувствительность индикатора должна быть не менее 1,5 мВ на 1А/м при напряжении возбуждения 10В переменного тока частоты 2000 Гц.

Индикатор индукции магнитного поля И554 представляет собой замкнутый сердечник, навитый из ленты сплава с высокой магнитной проницаемостью, на стержнях которого намотана обмотка возбуждения, состоящая из двух соединенных последовательно обмоток по 100 витков (провод ПЭВ-1 0.14) каждая (рис.8).

Рис.8. Сердечник индикатора индукции магнитного поля.

Обмотка возбуждения создает в сердечнике магнитный поток. Поверх обоих стержней с обмоткой возбуждения расположена измерительная обмотка, содержащая 1000 витков (провод ПЭВ-1 0.1). Если через обмотку возбуждения индикатора пропустить переменный ток, то в измерительной обмотке э.д.с. не возникает, так как суммарный магнитный поток, охватываемый измерительной обмоткой в любой момент времени, равен нулю. При появлении постоянного внешнего магнитного поля, направленного вдоль оси измерительной обмотки (направление которой определяется «остриями» сердечника), в последней наводится э.д.с. удвоенной частоты, пропорциональная индукции наблюдаемого магнитного поля.

Индикатор заключен в пластмассовый корпус с ручкой, сквозь которую пропущены выводы обмоток. Питание обмотки возбуждения индикатора осуществляется напряжением переменного тока частоты 2000 Гц. Измерительная обмотка индикатора подключается к зажимам переменного тока школьного демонстрационного гальванометра от амперметра.

Подключив выводы измерительной обмотки индикатора с маркировкой «Г» к зажимам переменного тока школьного демонстрационного гальванометра от амперметра, а выводы обмотки с маркировкой «ЗГ» к зажимам школьного генератора ГЗШ-63 соответствующим выходу для сопротивления нагрузки 600 Ом, установите частоту 2000 Гц на генераторе. При включении генератора в сеть подайте напряжение на обмотку индикатора, при этом индикатор начинает слабо звучать.

При введении индикатора в постоянное магнитное поле будет наблюдаться отклонение указателя гальванометра. Наибольшее отклонение указателя будет при совпадении направления испытуемого поля с направлением концов сердечника. Установку указателя в любое начальное положение производите корректором.

Этапы выполнения работы.

1. Соберите электрическую схему согласно рис.5 и экспериментальную установку, показанную на рис.9:

2

9

8

7

6

5

4

3

1
Рис.9. Рабочая установка: 1 - штатив, 2 - рамка (проводник), 3 - весы, 4 - постоянный магнит, 5 - разновесы, 6 - амперметр, 7 - источник, 8 - ключ, 9 - реостат.

2. Установите рамку так, чтобы горизонтальная сторона была расположена перпендикулярно вектору B.

3. Уравновесьте весы с точностью до десятых килограмма.

4. Подготовьте в тетради таблицу для записи результатов:

   № опыта

   d, м

   ∆l=dn, м

   I, A

   m, кг

   F_A, Н

   B, Тл

   B, Тл

   B=B±∆B, Тл

   1

   0

   0

   2

   0,1

   
   

   3

   0,2

   
   

   4

   0,3

   
   

   5

   0,4

   
   

   6

   0,5

   
   

   7

   0,6

   
   

   8

   0,7

   
   

   9

   0,8

   
   

   10

   0,9

   
   

5. Измерьте линейкой ширину рамки d и подсчитайте общую длину активного проводника с током помещаемого в магнитное поле. Результат запишите в рабочую таблицу.

6. Уравновесив весы, пропустите через рамку ток 0,1 А. Уравновесьте вышедшие из равновесия весы. Запишите в таблицу значение m, кг.

7. Повторите опыт, изменяя значение тока, проходящего через рамку с шагом 0,1 А.

8. Рассчитайте модуль силы Ампера и индукцию магнитного поля. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу.

9. Найдите среднее значение индукции магнитного поля по формуле:

2. Рассчитайте погрешность ваших измерений по формуле:

2. Простройте график зависимости F_a от I. Сделайте соответствующие выводы по работе.

3. Используя «индикатор индукции магнитного поля И554» и постоянный магнит из предыдущего опыта, пронаблюдайте за движением стрелки гальванометра от амперметра при введении индикатора в постоянное магнитное поле.

4. Поменяйте положение индикатора привнесение его в магнитное поле. Сделайте вывод.

Контрольные вопросы:

1. Магнит создает вокруг себя магнитное поле. Где будет проявляться действие этого поля наиболее сильно?

А. Около полюсов магнита.
Б. В центре магнита.
В. Действие магнитного поля проявляется равномерно в каждой точке магнита.

2. При каком условии магнитное поле появляется вокруг проводника?

А. Когда в проводнике возникает электрический ток.
Б. Когда проводник складывают вдвое.
В. Когда проводник нагревают.

3. На рисунке показано расположение магнитной стрелки. Как в точке А направлен вектор магнитной индукции?

А. Вверх.
Б. Вниз.
В. Направо.
Г. Налево.

4. Укажите фундаментальное свойство магнитного поля?

А. Его силовые линии всегда имеют источники: они начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных.
Б. Магнитное поле не имеет источников. Магнитных зарядов в природе нет.
В. Его силовые линии всегда имеют источники: они начинаются на отрицательных зарядах и оканчиваются на положительных.

5. Выберите рисунок, где изображено магнитное поле.

Рис. 1

Рис. 2

6. По проволочному кольцу протекает ток. Укажите направление вектора магнитной индукции.

А. Вниз.
Б. Вверх.
В. Направо.

7. Силовые линии магнитного поля представляют собой
А. прямые

Б. замкнутые кривые

В. окружности

Г. параболу

Упражнение:

Задача 1.

На прямолинейный участок проводника с током длиной 2 см между полюсами постоянного магнита действует сила 10^-3 Н при силе тока в проводнике 5 А. Определите магнитную индукцию, если вектор индукции перпендикулярен проводнику.

Задача 2.

С какой силой действует магнитное поле с индукцией 10 мТл на проводник, в котором сила тока 50 А, если длина активной части проводника 0,1м? Линии индукции поля и ток взаимно перпендикулярны.

Задача 3.

Какова индукция магнитного поля, в которой на проводник с длиной активной части 5см действует сила 50 мН? Сила тока в проводнике 25 А. проводник расположен перпендикулярно индукции магнитного поля.