Визначення індукції магнітного поля і перевірка формули Ампера

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Визначення індукції магнітного поля і дослідження формули Ампера

Введення
Останнім часом фізики знову звернулися до необхідності використання різних експериментальних робіт для більш поглибленого і осмисленого вивчення фізики. Дана експериментальна робота не представлена ​​в підручниках, як лабораторна, тому ми пропонуємо її вчителям для використання в лабораторному практикумі та для більш поглибленого вивчення теорії по темі «Дія магнітного поля на провідник зі струмом. Сила Ампера ».
Метою даної роботи є визначення індукції магнітного поля підковоподібного магніту, дія даного поля на провідник зі струмом, а також дослідження прямої пропорційної залежності сили Ампера від довжини провідника, сили струму в колі і індукції магнітного поля.
Головним завданням даної дослідницької роботи є виготовлення установки для проведення всіх вимірювань по даній темі, а також розробка методичного посібника на допомогу для вчителів та учнів, які зацікавляться поглибленим вивченням даної теми.
Теорія з даної теми грунтується на вивченні підручників під редакцією Г.С. Ландсберга «Елементарний підручник фізики. т. 2 », Б.І. Спаського «Хрестоматія з фізики 8-10», підручника «Фізика 10» авторів Г.Я. Мякишева, Б.Б. Буховцева, підручник з фізики Л. Еліота, У. Уїлкокса, а також статті автора І.І. Гейнбіхнера в журналі «Фізика в школі».
Так як найважливішим застосуванням сили Ампера є її використання в електричних двигунах, то дана робота дозволяє учням пізнати їх принцип дії, а в майбутньому, можливо, підштовхне на створення більш потужних електричних приладів.

1. Магнітне поле
Рухомі заряди утворюють електричний струм. Отже, магнітне поле - це поле, створюване електричним струмом. Воно здійснює взаємодію електричних струмів.
Між нерухомими електричними зарядами діють сили, що визначаються законом Кулона. Відповідно до теорії блізкодействія це взаємодія здійснюється так: кожен із зарядів створює електричне поле, яке діє на інший заряд, і навпаки.
Однак між електричними зарядами можуть існувати сили та іншої природи. Їх можна виявити за допомогою наступного досвіду.
Візьмемо два гнучких провідника, зміцнимо їх вертикально, а потім приєднаємо нижніми кінцями до полюсів джерела струму. Тяжіння або відштовхування провідників при цьому не виявиться. Але якщо інші кінці провідників замкнути дротом так, щоб у провідниках виникли струми протилежного напряму, то провідники почнуть відштовхуватися один від одного. У разі струмів одного напрямку провідники притягуються
Взаємодії між провідниками зі струмом, тобто взаємодії між рухомими електричними зарядами, називають магнітними. Сили, з якими провідники зі струмом діють один на одного, називають магнітними силами.
Відповідно до теорії блізкодействія струм в одному з провідників не може безпосередньо діяти на струм в іншому провіднику.
Подібно до того, як у просторі, що оточує нерухомі електричні заряди, виникає електричне поле, в просторі, що оточує струми, виникає поле, зване магнітним.
Електричний струм в одному з провідників створює навколо себе магнітне поле, яке діє на струм у другому провіднику. А поле, створене електричним струмом другого провідника, діє на перший.
Магнітне поле являє собою особливу форму матерії, з якої здійснюється взаємодія між рухомими електрично зарядженими частинками.
Перелічимо основні властивості магнітного поля, що встановлюються експериментально:
1. Магнітне поле породжується електричним струмом.
2. Магнітне поле виявляється за дією на електричний струм.
Експериментальним доказом реальності магнітного поля, як і реальності електричного поля, є факт існування електромагнітних хвиль
1.1 Замкнутий контур зі струмом у магнітному полі
Для вивчення магнітного поля можна взяти замкнутий контур малих розмірів. Наприклад, можна взяти маленьку плоску дротяну рамку довільної форми. Підвідні струм провідники потрібно розташувати близько один до одного або сплести разом. Тоді результуюча сила, що діє з боку магнітного поля на ці провідники, буде дорівнює нулю.
З'ясувати характер дії магнітного поля на контур з струмом можна за допомогою наступного досвіду.
Підвісимо на тонких гнучких провідниках, сплетених разом, маленьку плоску рамку, що складається з декількох витків дроту. На відстані, значно більшому розмірів рамки, вертикально розташуємо провід. При пропущенні електричного струму через дріт і рамку рамка повертається і розташовується так, що провід виявляється у площині рамки. При зміні напрямку струму в проводі рамка повернеться на 180 °.
М агнітное поле створюється не тільки електричним струмі а й постійними магнітами. Якщо ми підвісимо на гнучких проводах рамку зі струмом між полюсами магніту, то рамка буде повертатися до тих пір, поки площина її не встановиться перпендикулярно до лінії, що з'єднує полюси магніту. Таким чином, магнітне поле робить на рамку з ток ориентирующее дію.
1.2 Вектор магнітної індукції
Величина, що характеризує магнітне поле кількісно називається вектором магнітної індукції і позначають
Ориентирующее дію магнітного поля на магнітну стрілку або рамку зі струмом можна використовувати для визначення напрямку вектора магнітної індукції.
За напрямок вектора магнітної індукції приймається напрям від південного полюса S до північного N магнітної стрілки, вільно устанавливающейся в магнітному полі. Цей напрямок співпадає з напрямком додатної нормалі до замкнутого контуру зі струмом. рис. 4
Позитивна нормаль направлена ​​в ту сторону, куди переміщається буравчик, якщо обертати його у напрямку струму в рамці.
Маючи в своєму розпорядженні рамкою з струмом або магнітною стрілкою, можна визначити напрям вектора магнітної індукції в будь-якій точці поля.
У магнітному полі прямолінійного провідника зі струмом магнітна стрілка в кожній точці встановлюється по дотичній до окружності. Площина окружності перпендикулярна проводу, а центр її лежить на осі дроту. Напрямок вектора магнітної індукції встановлюють за допомогою правила свердлика: якщо напрям поступального руху свердлика збігається з напрямом струму в провіднику, то напрям обертання ручки свердлика збігається з напрямом вектора магнітної індукції.

1.3 Лінії магнітної індукції
Наочну картину магнітного поля можна отримати, якщо побудувати лінії магнітної індукції. Лініями магнітної індукції називають лінії, дотичні до яких спрямовані так само, як і вектор   в даній точці поля.
Для прямолінійного провідника зі струмом лінії магнітної індукції представляють собою концентричні кола, що лежать у площині, перпендикулярній цього провідника з струмом. Центр кіл знаходиться на осі провідника. Стрілки на лініях вказують, в який бік спрямований вектор магнітної індукції, дотичний до даної лінії.
Для котушки з струмом картина ліній магнітної індукції, побудована за допомогою магнітних стрілок або малих контурів зі струмом, показана на рис. 6. Якщо довжина соленоїда набагато більше його діаметра, то магнітне поле всередині! соленоїда можна вважати однорідним. Лінії магнітної індукції такого поля паралельні.
Картину ліній магнітної індукції можна зробити видимою, скориставшись дрібними залізними тирсою.
У магнітному полі кожен шматочок заліза, насипаний на лист картону, намагнічується і веде себе як маленька магнітна стрілка. Наявність великої кількості таких стрілок дозволяє в більшу числі точок визначити напрямок магнітного поля і, отже більш точно дізнатися про розташування ліній магнітної індукції.
Важлива особливість ліній магнітної індукції полягає в тому, що вони не мають ні початку, ні кінця. Вони завжди замкнені.
Поля із замкненими силовими лініями називають вихровими. Магнітне поле - вихровий поле.
Замкнутість ліній магнітної індукції представляє собою фундаментальне властивість магнітного поля. Воно полягає в тому, що магнітне поле не має джерел. Магнітних зарядів, подібних електричним в природі немає.

2. Сила Ампера
Магнітне поле діє на всі ділянки провідника зі струмом. Знаючи силу, що діє на кожен малий ділянку провідника, можна обчислити силу, що діє на весь замкнутий провідник у цілому. Закон, що визначає силу, що діє на окрему ділянку провідника, був встановлений в 1820 р. А. Ампером. Так як створити відокремлений елемент струму не можна, то Ампер проводив досліди із замкнутими провідниками. Змінюючи форму провідників та їх розташування, Ампер зумів встановити вираз для сили, що діє на окремий елемент струму.
2.1 Біографія і наукова діяльність Андре Марі Ампера
Андре Марі Ампер - французький фізик і математик. Ампер народився в м. Ліоні. Його батько, добре освічена людина, був комерсантом і згодом Королівським прокурором м. Ліона.
У ранньому віці у Ампера проявилися любов до читання, математичні здібності, прагнення до різносторонніх знань. Під керівництвом батька він отримав так зване домашню освіту. Юний Ампер самостійно вивчав книги з математики, твори, з ботаніки, займався фізикою. Він рано перейнявся любов'ю до природничих наук і філософії. Найважливішим джерелом знань для нього була «Енциклопедія», що видавалася під редакцією знаменитих французьких просвітителів Д. Дідро і Ж. Даламбера. Амперу було 14 років, коли він вже прочитав всі 20 томів «Енциклопедії».
Трудову діяльність Ампер почав в якості домашнього вчителя: він став давати приватні уроки математики, фізики, хімії. Уроки Ампера мали успіх. У 1801 р. він був прийнятий на посаду вчителя фізики і хімії в Центральну школу в Бурк-ан-Брес. Перші праці Ампера з математики отримують високу оцінку Даламбера і Лапласа - відомих французьких учених того часу. У 1805 р. Ампер займає місце викладача математики в одному з кращих навчальних закладів Франції - Політехнічній школі в Парижі. У 1814 р. Ампера обирають членом Паризької академії наук. У 1824 р. після 20 років роботи в Політехнічній школі Ампер займає посаду професора фізики Нормальної школи в Парижі.
Наукові роботи Ампера до 1820 р. відносяться переважно до математики та хімії. Звістка про досліди Ерстеда надзвичайно зацікавив Ампера. Воно наштовхнуло його на думку про те, що магнітні взаємодії зводяться до взаємодії електричних струмів. 18 вересня 1820 він виступив на засіданні Паризької академії наук з першим і 25 вересня - з другим доповідями про результати проведених ним досліджень електромагнітних явищ.
У протоколі Академії наук про засіданні 25 вересня записано: «Я надав великий розвиток цієї теорії і сповістив про новий факт тяжіння і відштовхування двох електричних струмів без участі будь-якого магніту, а також про факт, який я спостерігав з спиралевидні провідниками. Я повторив ці досліди під час цього засідання ». Таким чином, Ампер відкрив механічну взаємодію струмів. Далі він ставить перед собою завдання - встановити закон, якому підпорядковується це явище. Це нелегке завдання була їм вирішена.
На підставі гіпотези про існування молекулярних струмів Ампер побудував першу теорію магнетизму.
Викладацька робота вимагала від Ампера великої затрати часу. Ампер в одному зі своїх листів повідомляв: «Я змушений спати пізно вночі ... Будучи навантажений читанням двох курсів лекцій, я тим не менш не хочу повністю закинути мої роботи про вольтаіческіх провідниках і магнітах. Я маю у своєму розпорядженні ліченими хвилинами ». Незважаючи на таку завантаженість, Ампер підготував і видав у 1826 р. свій основна праця - «Теорія електродинамічних явищ, виведена виключно з досвіду».
2.2 Модуль вектора магнітної індукції
Вільно підвішений горизонтально провідник знаходиться в полі постійної підковоподібного магніту. Поле магніту зосереджено в основному між його полюсами, тому магнітна сила діє практично тільки на частину провідника довжиною , Розташовану безпосередньо між полюсами. Сила вимірюється за допомогою спеціальних ваг, пов'язаних з провідником двома стерженька. Вона спрямована горизонтально перпендикулярно провіднику і лініях магнітної індукції.
Збільшуючи силу струму в 2 рази, можна помітити, що й діє на провідник сила також збільшується у 2 рази. Додавши ще один магніт, в 2 рази збільшивши розміри області, де існує магнітне поле, і тим самим у 2 рази збільшивши довжину частини провідника, на яку діє магнітне поле. Сила при цьому також збільшується у 2 рази. І нарешті, сила Ампера залежить від кута, утвореного вектором В з провідником. У цьому можна переконатися, змінюючи нахил підставки, на якій знаходяться магніти, так, щоб змінювався кут між провідником і лініями магнітної індукції. Сила досягає максимального значення F т, коли магнітна індукція перпендикулярна провіднику.
Отже, максимальна сила, що діє на ділянку провідника довжиною , По якому йде струм, прямо пропорційна добутку сили струму I на довжину ділянки : ~ .
Збільшуючи силу струму в 2 рази, можна помітити, що й діє на провідник сила також збільшується у 2 рази. Додавши ще один магніт, ми в 2 рази збільшимо розміри області, де існує магнітне поле, і тим самим в 2 рази збільшимо довжину частини провідника, на яку діє магнітне поле. Сила при цьому також збільшується у 2 рази. І нарешті, сила Ампера залежить про ^ кута, утвореного вектором В з провідником. У цьому можна переконатися, змінюючи нахил підставки, на якій знаходяться магніти, так, щоб змінювався кут між провідником і лініями магнітної індукції. Сила досягає максимального значення Р т, коли магнітна індукція перпендикулярна провіднику.
Отже, максимальна сила, що діє на ділянку провідника довжиною А /, по якому йде струм, прямо пропорційна добутку сили струму / на довжину ділянки Д /: / 7 т ~ / Л /.
Модулем вектора магнітної індукції назвемо відношення максимальної сили, що діє з боку магнітного поля на ділянку провідника зі струмом, до добутку сили струму на довжину цієї ділянки:

Магнітне поле повністю характеризується вектором магнітної індукції В. У кожній точці магнітного поля можуть бути визначені напрям вектора магнітної індукції та його модуль за допомогою вимірювання сили, що діє на ділянку провідника зі струмом.
2.3 Модуль сили Ампера
Нехай вектор магнітної індукції В становить кут з напрямком відрізка провідника зі струмом. Досвід показує, що магнітне поле, вектор індукції якого спрямований вздовж провідника зі струмом, не надає ніякої дії на струм. Тому модуль сили залежить лише від модуля складової вектора В, перпендикулярної провіднику, тобто від , І не залежить від паралельної складової вектора В, спрямованої вздовж провідника.
Максимальна сила Ампера дорівнює:

їй відповідає . При довільному значенні кута сила пропорційно не , А складовою . Тому вираз для модуля сили F, що діє на малий відрізок провідника , По якому тече струм I, з боку магнітного поля з індукцією , Що складає з елементом струму кут , Має вигляд:

Цей вираз називають законом Ампера.
Сила Ампера дорівнює добутку вектора магнітної індукції на силу струму, довжину ділянки провідника і на синус кута між магнітною індукцією і ділянкою провідника.
2.4 Напрямок сили Ампера
У розглянутому вище досвіді вектор перпендикулярний елементу струму й вектору . Його напрямок визначається правилом лівої руки:
якщо ліву руку розташувати так, щоб перпендикулярна до провідника складова вектора магнітної індукції В входила в долоню а чотири витягнутих пальці були направлені по напрямку струму, то відігнутий на 90 ° великий палець покаже напрям сили, що діє на відрізок провідника
За одиницю магнітної індукції можна прийняти магнітну індукцію однорідного поля, в якому на ділянку провідника довжиною 1 м при силі струму в ньому 1 А діє з боку поля максимальна сила F m = 1 Н.
Одиниця магнітної індукції отримала назву тесла на честь югославського вченого-електротехніка Н. Тесла.
Спираючись на вимірювання сили, що діє з боку магнітного поля на ділянку провідника зі струмом, можна визначити модуль вектора магнітної індукції.

3. Експериментальне визначення індукції магнітного поля і дослідження сили Ампера
Досвідчений закон Ампера встановлює залежність величини сили, що діє на прямолінійний ділянку провідника зі струмом, вміщений в магнітне поле, від основної характеристики магнітного поля - вектора індукції магнітного поля :

де l - Довжина активної частини прямолінійного ділянки провідника, по якому протікає струм силою I, В-чисельне значення вектора індукції магнітного поля в місці розташування провідника, - Кут між напрямком осі провідника і напрямом вектора ,
Якщо провідник розташувати так, щоб = 90 °, то

Таким чином, вимірявши діючу силу в ньютонах, величину струму в амперах і довжину активної частини провідника в метрах, легко визначити величину індукції магнітного поля.
У даній експериментальній роботі необхідно визначити індукцію магнітного поля В між полюсами різних підковоподібних магнітів, а також експериментально перевірити пряму пропорційну залежність сили F від величини струму, довжини активної частини провідника і індукції магнітного поля:
Залишаючи по черзі дві величини, що входять у формулу, постійними, можна встановити залежність сили, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом, від третьої величини. Оскільки у формулу входять три величини, від яких залежить величина сили, то й потрібно провести три серії вимірювань.
3.1. Опис і принцип дії установки
Для робіт використовується наступне обладнання: електродинамічна рамка, штатив з приладдям, лабораторні ваги з важками, лабораторні амперметр і реостат, джерело постійної напруги на 4-6 В, два або три підковоподібних магніту.
Збирають установку як показано на малюнку 13, а також на фотографіях у додатку № 1 і врівноважують ваги. Саморобну рамку з відводами включають у ланцюг по схемі малюнка 14. Магніт для стійкості встановлюють або на немагнітної коробці, відповідного розміру, або на спеціальній підставці з дерева. Всі вживані в роботах магніти доцільно попередньо перенумерувати незмивною фарбою.
На провідник зі струмом, вміщений в магнітне постійного підковоподібного магніту полі діє сила Ампера. Отже, замикаючи електричне коло, рівновагу терезів порушується за рахунок дії сили Ампера з боку магнітного поля.
Врівноважуючи ваги з допомогою важків, можна визначити значення сили тяжіння, а отже і сили Ампера.

Знаючи довжину активної частини провідника, силу струму в ланцюзі, можна обчислити індукцію магнітного поля даного підковоподібного магніту.


При зміні сили струму, а також довжини провідника, сила Ампера також буде змінюватися. Ці властивості і використовувалися в ході даної дослідницької роботи.
3.2 Етапи і результати проведення роботи
Для вимірювань були взяті 3 магніту: два однакової довжини в поперечнику і один в два рази вже.
Виконують серії вимірювань з магнітом № 1 при включенні рамки на 15 витків. Зазначені вимірювання проводять для різних струмів: 0,18 А,
0,2 А, 0,3 А, 0,4 А і 0,5 А. Такі ж вимірювання виконують з магнітом № 2 і № 3.
Потім вимірювання проводять з двома магнітами № 2 і № 3, а також з магнітами № 1 і № 2, скріпленими між собою однаковими полюсами.
Всі результати заносимо в таблицю.
Для кожного випадку вимірювань обчислюємо значення сили Ампера, а також індукції магнітного поля кожного підковоподібного магніту з обчисленням значень абсолютної і відносної похибки.
За даними результатами будуємо графіки залежності сили Ампера від сили прикладеної струму і від довжини провідника. За отриманими графіками переконуємося в прямій залежності даних величин і у виконанні закону Ампера.
У додатку № 6 представлена ​​розробка лабораторної роботи з даної теми.

Висновок
У результаті вивчення та дослідження даної теми можна зробити висновок про те, що цілі і завдання, поставлені на початку даної роботи виконані.
Головним завданням даної дослідницької роботи стало виготовлення установки для проведення всіх вимірювань по даній темі. Особливих труднощів це не представляє, оскільки обладнання для виготовлення описаної установки є в будь-якому кабінеті фізики.
Метою даної роботи було визначення індукції магнітного поля підковоподібного магніту, дія даного поля на провідник зі струмом, а також дослідження прямої пропорційної залежності сили Ампера від довжини провідника, сили струму в колі і індукції магнітного поля.
Для всіх трьох магнітів, а також для їх комбінацій була визначена індукція магнітного поля. У результаті проведених обчислень виявилося, що всі магніти мають однакову магнітну індукцію, тому дослідити залежність сили Ампера від індукції магнітного струму не вдалося.
Однак пряма залежність сили Ампера від довжини провідника і сили струму чітко проглядається і представляється на графіках.
Також була розроблена лабораторна робота по даній темі, яку вчителі можуть запропонувати учням на лабораторному практикумі для більш поглибленого вивчення теми «Дія магнітного поля на провідник зі струмом. Сила Ампера »

Список літератури
1. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев. Фізика 10. М.: Просвещение, 1998.
2. Л. Елліот, У. Вілкокс. Фізика. М.: Наука, 1975.
3. Хрестоматія з фізики 8-10. під редакцією Б.І. Спаського. М.: Просвещение, 1987.
4. Елементарний підручник фізики. т. 2. під редакцією Г.С. Ландсберга. М.: Наука, 1972.
5. І.І. Гейнбіхнер.: Визначення індукції магнітного поля. - «Фізика в школі», 1972, № 1.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Фізика та енергетика | Контрольна робота
50.7кб. | скачати


Схожі роботи:
Вихровий характер магнітного поля
Дивацтва магнітного поля Землі
Причина магнітного поля Землі
Монопольний джерело потенційної магнітного поля
Обурені варіації магнітного поля високих широт геоекологічні аспекти
Експериментальне спостереження хвиль магнітного поля і дослідження їх розповсюдження в металах
Вплив температури і магнітного поля на електричну провідність і акумуляцію енергії в кондуктометричного
Вимірювання коефіцієнта самодифузії методом Хана з постійним градієнтом магнітного поля
Дослідження капілярного под ма магнітної рідини при дії неоднорідного магнітного поля
© Усі права захищені
написати до нас