Экспериментальная проверка закона ампера

Учебно-методическое пособие к лабораторной работе № 3.5 по дисциплине «Физика»

Владивосток 2014

Министерство образования и науки Российской Федерации Дальневосточный федеральный университет Школа естественных наук

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЗАКОНА АМПЕРА

Учебно-методическое пособие к лабораторной работе № 3.5 по дисциплине «Физика»

Владивосток Дальневосточный федеральный университет

УДК53(076.5)

ББК 22.36

Э-60

Э-60 Экспериментальная проверка закона Ампера: учебно-методич. пособие

к лабораторной работе № 3.5р по дисциплине «Физика» // сост. Н.П. Дымченко, Л.П. Ляхова. — Владивосток: Издательский дом Дальневост. федерал. ун-та, 2013. — 13 с.

Пособие, подготовленное на кафедре общей физики Школы естественных наук ДВФУ, содержит краткие теоретические сведения по взаимодействию элементарных токов, методические указания по выполнению физического эксперимента по проверке закона Ампера с использованием точных весов, указания по обработке экспериментальных данных.

Пособие предназначено для студентов ДВФУ.

УДК 53(076.5)

ББК 22.36

Дымченко Н.П.

Ляхова Л.П.

2014

Лабораторная работа № 3.5р Экспериментальная проверка закона Ампера

Цель работы: исследовать зависимость силы Ампера от длины проводника, силы тока в проводнике и индукции магнитного поля.

Оборудование: рычажные весы, амперметры, источник тока, набор проводников различной длины.

Теория эксперимента

Фундаментальным свойством магнитного поля является его действие на движущиеся заряды и проводники с током. Датским физиком Х. Эрстедом в 1820 году было впервые обнаружено действие электрического тока на магнитную стрелку, тем самым было доказано, что электрический ток является источником магнитного поля. Сразу же после открытия Эрстеда французский ученый А. Ампер провел экспериментальное исследование силового взаимодействие электрических токов. На основании этих экспериментов Ампером был сформулирован закон взаимодействия электрических токов.

По своей сути он подобен закону взаимодействия точечных зарядов (закону Кулона). Но вместо точечных зарядов в этом законе используется понятие небольших по размеру проводников с током (элементов тока или элементарных токов).

Под элементарным током (элементом тока) подразумевают вектор где — сила тока в проводнике,— элементарный (бесконечно малый) векторизованный элемент проводника. Его модуль равен длине бесконечно малого участка проводника с током, а направление совпадает с направлением тока в проводнике.

Закон Ампера, определяющий силу взаимодействия элементарных токови, записанный в системе физических единиц СИ, имеет вид:

(1)

где индексы 1 и 2 относятся соответственно к первому и второму элементам тока, а — радиус-вектор 2-го элемента тока относительно 1-го элемента тока.

Более просто можно найти силу, действующую в магнитном поле с известной индукцией на элемент тока:

(2)

Формулу (2) также называют законом Ампера.

В скалярной форме, расписав модуль векторного произведения, получим:

, (3)

где α – угол между направлениями тока и вектора магнитной индукции.

Направление силы определяется правилом векторного произведения:

1) вектор перпендикулярен плоскос­ти, в которой лежат векторыи;

2) вектор силы направлен в ту сторону перпендикуляра к этой плоскости, с которой поворот от 1-го () множителя ко 2-му () в кратчайшем направлении виден против часовой стрелки. Данное определение иллюстрируется рис. 1. Можно также использовать правило левой руки

Формула (5) определяет элементарную силу, действующую на бесконечно малый элемент тока. Если магнитное поле однородно ( = const), а проводник прямой и имеет конечную длину L, то результирующая сила, действующая на весь проводник, равна

:

, или в скалярной форме: .

(4)

Если угол между векторами иравен 90^º, то формула (7) упрощается и принимает вид:

.

(5)

Формула (5) и подвергается экспериментальной проверке.

В данной лабораторной работе сила Ампера определяется с помощью рычажных весов. Её будем обозначать — экспериментальная сила Ампера. Получим формулу для экспериментальной силы Ампера.

Если по проводнику не течет ток, то на него действует только сила тяжести равная (рис. 2). Для равновесия весов к их правому плечу нужно приложить такую же силу .

Если по проводнику пустить ток, то на него в магнитном поле будут действовать уже две силы: сила тяжести и сила Ампера(рис.3). Причем, направлениебудет зависеть от направления тока и направления магнитной индукции магнитного поля(смотриправило буравчика или правило левой руки).

Рис. 3.

Результирующая этих двух сил равна . Для равновесия весов к их правому плечу нужно приложить такую же силу(рис. 3, а, б). Модуль результирующей силы равен(рис. 3, а) или(рис. 3, б). Тогда из этих формул сила Ампера равнаилиЭти две формулы можно объединить в одну. Силыиопределяются при уравновешивании весов по показаниям весовисоответственно. Тогда экспериментальная сила Ампера равна

(6)

Таким образом, в данной работе определение силы Ампера сводится к взвешиванию проводника на рычажных весах в отсутствии (масса) и при наличии тока в проводнике (масса).

Из формулы (5) можно предположить, что сила Ампера прямо пропорциональна силе тока, длине проводника и магнитной индукции.

В данной работе необходимо проверить это предположение и сделать соответствующий вывод.