Файл: Лабораторная работа 11 изучение действия магнитного поля на проводник с током.pdf

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11
ИЗУЧЕНИЕ ДЕЙСТВИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
НА ПРОВОДНИК С ТОКОМ
Цель работы

экспериментальное изучение закона Ампера; определение магнитной индукции в воздушном зазоре постоянного магнита.
1. Теоретические основы работы
На элемент d
l

проводника с током I, находящегося в магнитном поле с индукцией
B

(рис.1), действует сила d
F

, значение которой определяется законом Ампера:
]
,
[d d
B
l
I
F




(1)
На прямолинейный проводник длиной b c током I, расположенный перпендикулярно линиям индукции однородного магнитного поля действует сила, значение которой находится интегрированием (1) по длине проводника:



b
A
b
B
I
F
F
0
d
,
(2) где I

сила тока в проводнике; b

длина проводника; B

магнитная индукция.
В технике широко используются приборы, в которых магнитное поле создается в малом кольцевом зазоре 1 постоянными магнитами 2 и 4 (рис. 2). В пределах зазора линии магнитного поля направлены радиально, а значение магнитной индукции зависит только от расстояния до точки О. Если в такое магнитное поле поместить рамку 3 с током I, свободно вращающуюся вокруг оси О, то на нее будет действовать пара сил Ампера.
Момент этих сил относительно оси вращения О зависит от значения магнитной индукции в тех точках пространства, где расположены стороны рамки параллельные оси вращения, от силы тока в рамке, ее геометрических размеров, числа витков N намотанного на нее про вода,
Рис.2. Рамка с током в радиальном магнитном поле
но не зависит от угла поворота рамки:
N
a
F
M
A
=
,
(3) где М

момент сил Ампера относительно оси вращения; F
A

сила Ампера; N

число витков, a

ширина рамки.
Из (2 ) и (3 ) имеем
N
a
b
B
I
M

,
(4) где b

длина рамки.
B
B
B
dl
dF
A
I l
d
B

Если момент сил Ампера М
(А)
, приложенный к рамке 1 (рис. 3), уравновесить моментом силы тяжести
mg, действующей на стрелку 2, жестко связанную с рамкой, то значение момента сил Ампера можно определить по углу поворота

рамки, при котором достигается механическое равновесие:
M
(A)
= M
(mg)
(5)
Рис. 3 Момент силы тяжести уравновешивает момент силы ампера
Из (4 ) и (5) и рис. 3 следует:

sin
l
g
m
n
a
b
B
I
N
a
F
A


,
(6) где I

сила тока в рамке, B

магнитная индукция, a

ширина рамки, b

длина рамки, l

расстояние от центра масс стрелки до оси вращения рамки, m

масса стрелки, N

число витков рамки,


равновесный угол поворота рамки.
Из (6) следует:

sin
=
N
a
l
g
m
F
A
,
(7)
2. Описание экспериментальной установки
Экспериментальная установка представляет собой амперметр магнитоэлектрической системы, в котором измерительная рамка находится в радиальном поле постоянных магнитов, как это показано на рис. 2. На стрелке прибора, в отсутствие тока занимающей вертикальное положение, закреплена тонкая металличекая трубочка. Измерительная шкала амперметра заменена транспортиром для измерения углов отклонения стрелки.
Для учета методической погрешности, связанной с наличием момента упругих сил M
y
, возникающих в подвеске рамки при ее повороте, необходимо поставить корпус прибора на левую боковую грань и измерить угол

отклонения груза от вертикали. По углу

можно определить коэффициент жесткости подвески k.
Так как М
у
= k

, то при равновесии рамки с грузом момент силы тяжести равен моменту упругих сил:
m
g
l
cos

= k

Отсюда
k =


cos
l
g
m
С учетом момента упругих сил выражение (6) принимает вид
F
A
a
N = m
g
l
sin

+ k

,
(8) а выражение (7)







N
a
l
g
m
N
a
l
g
m
F
A
cos sin
(9)
Из (2) и (9) получим выражение для расчета магнитной индукции:

 
 













cos sin
INab
l
g
m
B
(10)
3. Порядок выполнения работы.
1. Заполните табл. 1 спецификации измерительных приборов.
2. Измерьте зависимость угла

отклонения груза (поворота рамки) от силы тока I в рамке:

подключите модуль лабораторной работы соединительным кабелем к источнику питания. Регулятор напряжения на источнике питания установите в крайнее левое положение;

к нижнему штекерному разъему модуля подсоедините прибор для измерения силы тока в рамке;

произведите измерение силы тока в рамке для углов отклонения от 5 до 45

. Результаты измерений запишите в табл. 2.

выключите электропитание. Положите модуль лабораторной работы на левую боковую грань и измерьте угол

отклонения груза от горизонтали, результат измерений запишите после табл. 2.
Таблица 1
Спецификация измерительных приборов
Название прибора и его тип
Пределы измерения
Цена деления
Инструментальная погрешность
Таблица 2
Зависимость угла отклонения от силы тока в рамке
№
I, А

F
А
,
Н
4. Обработка результатов измерений
1. По данным табл. 2 рассчитайте по формуле (9) значения силы Ампера и результаты запишите в ту же таблицу.
2. Постройте график зависимости силы Ампера от силы тока в рамке, проведя через экспериментальные точки прямую, выходящую из начала координат.
3. Используя выражение (2) найдите по тангенсу угла наклона прямой на графике значение магнитной индукции B в воздушном зазоре постоянного магнита.
4. Рассчитайте погрешность измерения

F
A
и

В, запишите окончательный результат в стандартной форме.
5. Контрольные вопросы
1. Запишите закон Ампера для силы, действующей на проводник с током в магнитном поле.
2. Запишите условие равновесия рамки с учетом момента упругих сил.
3. Какова зависимость силы Ампера от силы тока в рамке?
4. Каким образом в данной лабораторной работе можно оценить работу сил Ампера?

Лабораторная работа №11
Изучение действия магнитного поля на проводник с током
1. Состав работы:
- источник питания постоянного тока……………………………1 шт.
- лабораторный модуль……………………………………………1 шт.
- мультиметр……………………………………………………….1 шт.
2. Параметры работы:
- масса стрелки “m”……………………………………………….80 мг.
- расстояние от центра масс стрелки до оси вращения “l”……...3 см.
- ширина рамки “a”………………………………………………18 мм.
- длина рамки “b”………………………………………………...13 мм.
- число витков рамки N………………………………………………50
- предельный угол отклонения стрелки α…………………………..50˚