Экспериментальное исследование силы Ампера

Лабораторная работа № 40

Цель работы: экспериментальное исследование силы Ампера и определение индукции магнитного поля.

Оборудование: электромагнит; набор проводящих рамок; металлическая лента со штепсельными вилками; соединительные проводники; источник питания универсальный; выпрямитель; весы; универсальный штатив.

Описание экспериментальной установки

Экспериментальная установка представлена на рис. 11.

От источника питания 1 постоянный ток через металлическую ленту 2 и соединительные провода 3 пропускается через проводящую рамку 4; величина тока измеряется амперметром 5; цепь тока замыкается ключом 6.

 

 

Рис. 11

Однородное магнитное поле возникает между полюсами электромагнита 7 при пропускании через его обмотку постоянного тока , который измеряется амперметром 8. Выпрямление переменного тока универсального источника питания осуществляется с помощью мостовой схемы 9.

Исследуемый проводник длиной (длина указана на рамке) с током представляет собой нижний горизонтальный участок проводящей рамки 4, которая помещается в однородное магнитное поле перпендикулярно магнитным силовым линиям (рис. 12).

Величина индукции однородного магнитного поля зависит от силы тока в обмотках электромагнита.

Рис. 12.

Как видно из рис. 12, силы и , действующие на вертикальные участки рамки с током в магнитном поле, одинаковы по величине и компенсируют друг друга. Следовательно, сила, действующая на рамку с током со стороны магнитного поля, согласно закону Ампера определяется формулой , где - длина нижнего горизонтального участка рамки. Так как проводник расположен перпендикулярно магнитным силовым линиям, т.е. для данной установки

Эта сила может быть определена с использованием весов 10, позволяющих определять массу с точностью до 0,01 г. Измерительная часть весов состоит из горизонтальной шкалы 11, круговой шкалы 12 и нониуса 13.

Измерение массы на весах выполняется согласно показаниям на линейной, круговой шкале и нониусе.

К установке прилагается комплект различных рамок 14.

При отсутствии тока в проводнике на рамку массой действует только сила тяжести , направленная вертикально вниз. Величина определяется с помощью аналитических весов.

При пропускании тока через проводник на него действуют и сила тяжести , и сила Ампера , направленная на данной установке вертикально вниз (рис. 12).

Поскольку силы сонаправлены, их равнодействующая равна:

. (1)

При этом показания весов изменяются и соответствуют силе , которая может быть выражена формулой

, (2)

где - новые показания весов.

Согласно (1) и (2),

,

(3)

Примечание. Если направление тока в рамке поменять на противоположное, будет направлена вверх; в этом случае:

.

Порядок выполнения работы

Задание 1. Определение зависимости силы Ампера от силы тока в проводнике, .

1. Измерить с помощью весов массу рамки и занести результат измерения в табл. 7; туда же записать значение для данной рамки.

2. Включить блок питания, перемычку «Power» выставить на значение, указанное преподавателем. По амперметру 8 определить силу тока в цепи электромагнита. При этом значение рекомендуется выбирать примерно равным 1 А. Результат занести в табл. 7.

3. На блоке питания регулятор «А» установить на предельном значении; ключ К замкнуть.

4. Используя регулятор «U» и амперметр 5, установить первое значение силы тока в проводнике в соответствии с заданием преподавателя (рекомендуется начинать с 1 А).

5. Используя весы, произвести измерение массы рамки в этом случае.

6. Повторить п. 4-5 для других значений силы тока в проводнике с шагом 0.5 А или 1 А по указанию преподавателя. Полученные результаты занести в табл. 7.

7. Выключить блок питания.

8. Рассчитать величину . В соответствии с формулой (3) рассчитать .

9. Используя данные табл. 7, построить график зависимости и сделать вывод о характере этой зависимости.

 

Таблица 7

= г, м, А
№	,А	,г	,г	,мН	,мТл	,мТл
Среднее значение

 

 

Задание 2. Определение значения индукции магнитного поля между полюсами электромагнита.

1. Используя данные табл. 7, рассчитать значения по формуле

2. Рассчитать и занести в табл. 7 значения

1. Записать окончательный результат в виде

.

Задание 3. Определение зависимости силы Ампера от длины проводника , .

Комплект рамок состоит из трех разных рамок, отличающихся массой и длиной горизонтальной части, т.е. длиной проводника .

1. Установить на весах рамку с =12,5 мм. Записать значение для данной рамки в табл. 8.

2. Измерить с помощью весов массу рамки и занести результаты измерения в табл. 8.

3. Включить блок питания, перемычку «Power» выставить на значение, указанное преподавателем, по амперметру 8 определить силу тока в цепи электромагнита. Результат занести в табл. 8.

4. Используя регулятор «U» и амперметр 5, установить значение силы тока в проводнике в соответствии с заданием преподавателя (следует устанавливать значения не менее 3 А).

5. Используя весы, произвести измерение массы рамки в этом случае.

6. Рассчитать величину . В соответствии с формулой (3) рассчитать . Полученные результаты занести в табл. 8.

7. Выключить блок питания и заменить исследуемую рамку следующей, с другим значением =25 мм.

8. Повторить п. 2-6 задания 3 для этой рамки. (Примечание: на амперметрах 5 и 8 сила тока должна быть той же, что и при измерениях с рамкой =12,5 мм.)

9. Выключить блок питания и заменить исследуемую рамку следующей, с другим значением =50 мм; повторить п. 2-6 задания.

10. По данным таблицы построить график зависимости и сделать вывод о характере этой зависимости.

 

Таблица 8

А, А
№	, м	, г	, г	,г	,мН

Контрольные вопросы

1. Что называется индукцией магнитного поля? В каких единицах она измеряется?

2. На какие объекты действует магнитное поле?

3. Что называется линией магнитной индукции? Как определяется направление магнитных силовых линий?

4. Как формулируется принцип суперпозиции магнитных полей?

5. Какое магнитное поле называется однородным? Изобразить его графически.

6. Что такое 1 Тл?

7. Сформулируйте закон Ампера.

8. Сформулируйте правило левой руки для определения силы Ампера.

9. Сформулируйте закон Био-Савара-Лапласа.

10. Написать формулу вращательного момента контура.

11. Дать определение магнитного момента контура. Как он направлен?