Лабораторные / (№2-15)
.pdf1
Лабораторная работа № 2 -15
ДЕЙСТВИЕ СИЛЫ НА ПРОВОДНИК С ТОКОМ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ (ЗАКОН АМПЕРА)
В.В.Пташинский
Цель работы
Изучение влияния магнитного поля на проводник с током.
Теоретическое введение
|
R |
|
|
|
R |
В магнитном поле с индукцией B на заряд q, движущийся со скоростью υ , |
||
действует магнитная сила Лоренца, определяемая по формуле: |
|
|
R |
R |
|
|
R |
|
Fm = q[υB] , |
(12.1) |
|
R |
|
R |
|
|
R |
Вектор силы Fm перпендикулярен плоскости, образованной векторам υ и B . |
||
Модуль силы |
|
|
Fm = qυB sinα , |
(12.2) |
|
R
R |
|
где α – угол между векторами υ и B . |
|
|
R |
|
R |
Из формулы (12.1) следует, что сила |
Fm υ , и поэтому не изменяет модуля |
скорости, а изменяет только ее направление. Следовательно, сила Лоренца не
совершает работы над частицей т к R υR = и поэтому не может изменить энергию
, . . (Fm ) 0 ,
частицы.
R
Направление силы Лоренца Fm определяется с помощью правила векторного произведения (правила правого винта) и зависит от знака заряда частицы. Направление
R
силы Fm , действующей на положительный заряд, показано на рис.15.1а. На отрицательный заряд действует сила противоположного направления (рис.15.1б).
2
|
|
|
|
|
|
R |
a |
υ |
б |
Fm |
|||
|
|
|
|
|
υ |
|
|
|
|
R |
|
|
R |
|
|
q |
|
|
|
q |
|
|
|
|
|
||
R |
|
|
|
|||
B |
|
|
|
|
||
|
R |
|
B |
|
|
|
|
Fm |
|
|
|
||
|
|
|
|
R |
|
|
Рис.15.1. Направление силы Лоренца, действующей на заряд: положительный (а) и
отрицательный (б).
R
Если на движущийся электрический заряд действует еще и электрическое поле Е,
то полная сила Лоренца имеет вид:
R |
|
R |
R |
|
|
|
|
|
|
R |
|
Fэм = qE + q[υB] . |
(12.3) |
||||
Если поместить в магнитное поле проводник с током, то общий заряд электронов |
|||||
в проводнике длиной l может быть вычислен по формуле: |
|
||||
qυ = Il . |
|
(12.4) |
|||
|
|
|
|
R |
|
Действительно, имеется связь между плотностью тока j , концентрацией носителей |
|||||
|
|
|
|
R |
|
заряда n и средней скоростью их упорядоченного движения υ в проводнике: |
|||||
|
|
|
|
R |
(12.5) |
j = enυ = eN υ = qυ , |
|||||
R |
|
|
|
|
|
|
|
R |
R |
|
|
|
|
|
V |
V |
|
где n ─ число носителей заряда в единице объема V проводника, |
e – элементарный заряд. |
||||
Отсюда следует: |
|
|
|
|
|
|
jV = qυ . |
|
(12.6) |
||
Плотность тока есть: |
|
|
|
|
|
|
j = |
I |
. |
|
(12.7) |
|
|
|
|||
|
|
S |
|
|
|
Подставив (12.7) в (12.6), получаем (12.4):
I Sl = qυ Il = qυ ,
S
R
где Il - элемент тока.
Тогда сила, действующая на проводник с током (закон Ампера), будет:
R |
R R |
(12.8) |
F |
= I[l B] , |
Или в скалярном виде:
3
F = IlB sinα , |
(12.9) |
где I – сила тока в проводнике, l - длина проводника. |
|
Из (12.9) следует, что индукция магнитного поля – |
величина, численно равная |
максимальной силе Ампера, действующей на проводник с током 1А и длиной 1м.
Направление силы Ампера зависит от направления тока в проводнике и направления индукции магнитного поля.
Описание экспериментальной установки
Общий вид экспериментальной установки представлен на рис.15.2.
9
11 |
2 |
6
10
4
3
1
5
8
7
Рис.15.2. Общий вид установки.
Однородное магнитное поле генерируется электромагнитом 1.Силу, действующую на рамку с током, помещенную в однородное магнитное поле, измеряют при помощи датчика силы 2. Рамку 3 располагают между двумя полюсами электромагнита 4. Величина
4
магнитного поля регулируется силой тока через катушки электромагнита. Катушки в электромагните подсоединены последовательно к выпрямителю 5 по мостовой схеме,
который в свою очередь, соединен с универсальным источником питания 6. В цепи со стороны катушек возле выпрямителя расположены переключатель 7 и датчик тока 8 на 6А.
Датчик тока подсоединен к Аналоговому входу 2/S2 (Analog ln2|S2) универсальной установки «Cobra 3» 11. Рамка с током подвешена к датчику силы. При помощи двух металлических лент 9 рамка с током через распределительное приспособление подсоединена к выходу источника питания. В цепи рамки расположен другой датчик, тока
10 на 6А, который подключен к Аналоговому входу 1/s2 (Analog ln 2|S2). Расстояние между двумя лентами должно быть максимальным, они должны слегка провисать, поскольку следует учитывать силу притяжения при большой силе тока.
Перед выполнением работы заполните таблицу 15.1.
Таблица 15.1. Технические данные приборов.
№№ |
Название |
Пределы |
Число |
Цена |
Класс |
Абсолютная приборная |
|
п/п |
прибора |
измерения |
делений |
деления |
точности |
погрешность |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
Динамометр |
-0,4…+0,4 Н |
|
|
|
1 мН |
|
|
«Newton» |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
Амперметр I1 |
0…6 |
А |
|
|
|
0,1 А |
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
Амперметр I1 |
0…6 |
А |
|
|
|
0,1 А |
|
|
|
|
|
|
|
|
Порядок выполнения работы
Лабораторную работу следует выполнять, строго соблюдая правила техники безопасности и охраны труда, находящиеся на рабочем месте студента в лаборатории.
Следует помнить, что любые изменения в схеме установки необходимо проводить только при разомкнутом ключе.
1. Запустите программу измерений (на дисплее компьютера найдите иконку «m» (Measure)- «Измерение»). В открывшемся меню программы «m» выбрать графический редактор (иконка - темный кружочек в верхнем левом углу панели). В результате этого откроется вкладка с тремя блоками рис.15.3.
5
Рис. 15.3. Блоки установки «Cobra3».
2. Выберите измерительный блок «Ньютон» (Newton) и установите параметры,
указанные на рис.15.4:
Рис.15.4. Измерительный блок силы.
Диапазон: ± 0,4
Единица: mN
Усреднение: установить флажок Сила: 100
Цифровой дисплей: установить флажок Выбрать окно «Тара». Это установка нулевого значения любой измеряемой величины!
Универсальный модуль «Cobra 3» может устанавливать автоматически эту величину как положительную, так и отрицательную. Не обращать на это внимание!
Нажмите: «Да»
3. Выберите блок «S1» и установите параметры, указанные на рис.15.5:
6
Рис.15.5. Измерительный блок тока через рамку.
Отметка: I1
Диапазон: 6А
Единица: А
Усреднение: установить флажок
Сила: 100
Цифровой дисплей: установить флажок
Нажмите: «Да»
4. Выбрать блок «S2» и установить параметры, указанные на рис.15.6:
Рис.15.6. Измерительный блок тока через магнит.
7
Отметка: I2
Диапазон: 6А
Усреднение: установить флажок Сила: 100
Цифровой дисплей: установить флажок Нажмите: «Да»
5.Нажмите на вкладку «Настройка» и установить параметры, указанные на рис. 15.7:
Рис.15.7.Выбор каналов.
Выбрать для записи все каналы, необходимые для эксперимента.
Для измерения зависимости силы Ампера от величины тока через рамку:
Сила FO: установите флажок Ток(Stromstarke) I2: установите флажок
Для измерения зависимости силы Ампера от величины тока через магнит:
Сила FO: установите флажок Ток(Stromstarke) I1: установите флажок
Установить набор данных по току в зависимости от эксперимента ( х- данные ): I1- при измерении зависимости силы Ампера от величины тока через рамку
I2- при измерении зависимости силы Ампера от величины тока через магнит Поставить начальные условия: «по нажатию клавиши» Поставить конечные условия: «по нажатию клавиши»
8
Поставить запись данных: «по нажатию клавиши» или «автоматически с указанием времени» Сортировка данных: установить флажок Нажмите: «Далее»:
Выполните следующие эксперименты:
Эксперимент 1. Зависимость силы Ампера от тока I1 через рамку.
1.Замкнуть ключ
2.Установить величину магнитного поля: Для этого:
Поставить ключ на дискретном переключателе «Power» в одно из положений 2, 4, 6, 8, 10, 14, 15 V (согласно индивидуальному заданию). На дисплее компьютера высвечивается величина тока I2 через магнит, соответствующая этому напряжению.
3.На источнике питания выставляем максимальное значение напряжения поворотом ручки регулятора напряжения блока «Constanter» по часовой стрелке. Поворачивая ручку регулятора тока, с шагом указанном в индивидуальном задании, изменяем величину силы тока от 0 до 5,3А.
4.Для начала измерений нажмите: «Начать измерения». После каждого измеренного значения нажмите: «Сохранить».
5.После завершения эксперимента нажать: «Окончить измерение».
6.Результаты измерений занести в таблицу 15.2.
Таблица.15.2. Зависимость силы Ампера от тока в контуре проводника.
Ток I1 через контур |
Ток I2 через катушки |
Сила Ампера FO, mN |
проводника, А |
электромагнита, А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Эксперимент 2. Зависимость силы Ампера от тока I2 через магнит.
Во вкладке «Настройка» выберите каналы FO, I1 и установите набор данных по току
(х-данные) I2:
1.Замкнуть ключ.
2.На блоке «Constanter» регулятором тока установить максимальный ток I1,
соответствующий максимальному напряжению через рамку.
3. Установить ключ на блоке «Power» в положение 2, соответствующее минимальному току через магнит.
9
4. Нажать кнопку «Начать измерения». После каждого измеренного значения нажмите
«Сохранить».
5.Изменяя положение ключа из положения 2 в положение 15, с шагом указанным в индивидуальном задании ,повторить измерения.
6.После окончания измерений нажать «Окончить измерение».
7.Результаты измерений занести в таблицу 15.3.
Таблица 15.3. Зависимость силы Ампера от тока через магнит.
Ток I2 через катушки |
Ток I1 через контур |
Сила Ампера FO, mN |
электромагнит, А |
проводника, А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Обработка результатов эксперимента
1.По результатам измерений, представленным в таблицах 15.2 и 15.3, постройте графики зависимости силы, действующей на рамку с током от величины тока, проходящего через нее при постоянном магнитном поле и от величины магнитного поля при постоянном токе через рамку.
2.По графику FO от I1 оцените значение магнитной индукции В.
3.Оцените относительную погрешность измерения силы Ампера.
Примечание. В данной работе зависимость силы Ампера от тока через рамку или через магнит определяется прямыми измерениями по показаниям прибора «Cobra 3». Поэтому погрешности измерения силы Ампера и тока являются приборными погрешностями (см.
таблицу 15.1).
Библиографический список
а) основной:
1. Савельев И.В. Курс общей физики. Кн. 2. – М.: АСТ: Астрель. 2005. 464 с.
2. Батурин Б.Н. Правила электробезопасности при выполнении лабораторных работ.
Учебное пособие. – М.: МИСиС. 1995. 38с.
3. Капуткин Д.Е., Шустиков А.Г. Физика. Обработка результатов измерений при выполнении лабораторных работ. Ученое пособие. - М.: МИСиС. 2007.
б) дополнительный:
4. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.2. – М.: ФИЗМАТЛИТ. 2004. 600 с.
10
Контрольные вопросы
1. Какова единица измерения магнитной индукции и напряженности магнитного поля в СИ?
R
2.Чему равна индукция магнитного поля, созданного элементом тока ( Idl )?
3.От чего зависят величины сил Лоренца и Ампера?
4.Как определяется направление силы Лоренца?
5.В работе сказано, что расстояние между металлическими лентами должно быть большим,
поскольку следует учитывать силу притяжения. О какой силе идет речь?
Индивидуальные задания Задание 1
1.Рассмотреть движение заряженных частиц в магнитном поле.
2.Исследовать зависимость силы Ампера от тока через проводник.
3.Построить график зависимости силы Ампера от тока через проводник и определить по нему значение магнитной индукции (шаг по току I1 равен 0,5 А, ток через магнит I2 равен
1А ).
Задание 2
1.Вывести формулу, определяющую закон Ампера.
2.Исследовать зависимость силы Ампера от тока через магнит (расстояние между полюсами магнита равно 1см, сила тока через рамку I1 равна 5А). Оценить абсолютную погрешность измеряемой величины.
3.Какое условие указывает на вихревой характер магнитного поля?
Задание 3
1.Вывести формулу для работы силы Ампера по перемещению прямолинейного проводника с током в магнитном поле.
2.Исследовать зависимость силы Ампера от величины тока в рамке (зазор между полюсами магнита равен 4см, шаг по току I2 равен 1А).
3.Построить график зависимости силы Ампера от величины тока в рамке и по нему определить величину индукции магнитного поля.
Задание 4
1.Рассмотреть движение заряженных частиц, влетающих параллельно магнитному полю.
2.Исследовать зависимость силы Ампера от величины тока через магнит (расстояние между полюсами магнита равно 4см, сила тока через рамку равна 5А).
3.Построить график зависимости силы Ампера от величины тока через магнит и оценить относительную погрешность измерения.