2.Описание лабораторной установки

Комплект оборудования данной лабораторной работы (рис.2.1) включает в себя лабораторную установку 1 и блок питания 2. Лабораторная установка предназначена для исследования силы Ампера. Для этого используется свободно подвешенный проводник. При включении электрического тока мы наблюдаем отклонение проводника, которое увеличивается с увеличением силы тока.

Установка представлена на рис.2.2, где 1-маховичок крепления и регулировки хода поперечной балки; 2-резьбовые монтажные отверстия; 3-поперечная балка; 4-подвес проводника; 5-штатив; 6-маховичок регулировки положения магнита; 7-магнит (не рабочее положение); 8-резьбовые отверстия для крепления магнита; 9-держатель подвеса проводника; 10 – основание.

Установка состоит из одного свободного перемещаемого алюминиевого основания 10, на который установлен штатив 5 с магнитом 7 , а также устройств-приемников и блока питания. Все составные части (кроме БП) устанавливаются на основание 10. Подвесы проводника могут переставляться по траверсе в специальные разъемы диаметром 4 мм в верхней части основания 10. Магнит 7 может уста навливаться вертикально (рис.2.3а), либо горизонтально (рис.2.3б). Для этого используются резьбовые отверстия 8 в нижней части. Подключение установки к блоку питания (БП) производится соединительными проводами через отверстия 2. Максимальный ток в проводнике не должен превышать 6 А. Вертикальное положение магнита (рис.2.3а) позволяет измерить силу Ампера, действующую на проводник с током в магнитном поле. Под действием приложенных к нему сил тяжести , Ампераи натяжения нитипроводник совершает колебания вправо и влево. Вектор магнитной индукциинаправлен вертикально, ток течет горизонтально.

Тогда, согласно правилу левой руки сила Ампера может иметь одно из направлений, указанных на рис.2.4. Сила Ампера отклоняет проводник до тех пор, пока векторная сумма приложенных к нему сил не станет равной нулю: (рис.2.5).В проекциях на оси координат получаем:_{Тогда , и, зная угол отклонения подвеса, при котором наступает равновесие проводника, можно вычислить силу Ампера:}

_{. (2.1)}

Для количественного определения силы Ампера используется три резьбовые отверстия, выдвинутые по отношению к вертикали на 15, 30 и 45 мм влево.

Горизонтальное положение магнита (рис.2.3.б) используется для доказательства того, что сила Ампера при любом направлении магнитного поля действует в направлении, перпендикулярном току. При таком положении магнита создаваемое им магнитное поле направлено горизонтально, ток в проводнике течет перпендикулярно полю тоже горизонтально, тогда сила Ампера направлена вертикально (рис.2.6) и не вызывает отклонения проводника.

Проводящий подвес можно считать математическим маятником, т.е. масса медного провода сведена в точку и равна 6.23 г. Эффективная длина маятника будет немного меньше, чем длина медного провода, т.к. его верхняя часть изгибается при отклонении маятника. Длина маятника s= 200 мм.

На рис.2.3.а с - отклонение подвеса от вертикального положения при равновесии проводника. Угол отклонения можно рассчитать по формуле:

. (2.2)

Полюсные наконечники магнитов имеют размеры, сравнимые с величиной зазора между ними. В этом случае при оценке результата эксперимента необходимо учитывать краевой эффект- на границах наконечников магнитное поле перестает быть однородным, силовые линии (линии магнитной индукции) искривляются (рис.2.7), и в качестве длины проводника, находящейся в магнитном поле, мы не можем использовать истинный диаметр магнита. Эффективная длина провода в магнитном поле будет равна b_w=b+a, где а – величина зазора.

В работе использован универсальный источник питания (рис.2.8), подающий на проводник напряжение. На рис.2.8 приняты следующие обозначения: 1- вентиляционные отверстия; 2 - дисплей отображения тока и напряжения; 3 –

цифровой дисплей постоянного тока; 4 - рукоятка грубого регулирования тока; 5- гнездо заземления; 6 -гнезда выходного напряжения; 7 - рукоятка тонкого регулирования напряжения; 8 - переключатель «ВКЛ/ВЫКЛ»; 9 - рукоятка грубого регулирования напряжения; 10 - цифровой дисплей постоянного напряжения. Источник формирует выходное напряжение в пределах 0 – 20 В, и ток в пределах 0 – 5 A.