Задачи - опыты по физике (стр. 30 )

5. Найдите, чему равно отношение значений силы тока, питающего левый и правый электромагнит? Чему приблизительно должно быть равно отношение напряжений тока, питающего левый и правый электромагниты?

Решение и пояснения

128. (10-й кл.) У двух электромагнитов с одинаковыми сердечниками и катушками приблизительно одинаковых размеров получаются равные подъемные силы в том случае, если значение ампер-витков одного равно значению ампер-витков другого. Очевидно, подъемная сила правого электромагнита, равная подъемной силе левого, может быть получена при меньшей силе тока, так как число витков на правом больше (см. дополнение 1).

Дополнения. 1. Нет. Ампер-витки определяются произведением силы тока на число витков, какое умещается на единице длины катушки.

Справедливо. Предел накладывается технологическими процессами, которые не позволяют неограниченно уменьшать диаметр изолированной проволоки.
Существенное значение при проволоках малого диаметра играет толщина изоляции. Противоречит закону сохранения энергии. Само рассуждение не точно (см. дополнение 4). Энергия электрического тока пропорциональна силе тока при постоянном напряжении тока или при одной и той же ЭДС источника тока. Электродвижущая сила в левой установке имеет значение около 3 в, а в правой – около 18 в. Таким образом, энергия тока, питающего левый электромагнит, равна 3I1, а правый – 18 I2, где I1 – сила тока, проходящего через левый, а I2 – через правый электромагнит. Первое отношение равно = а. Второе отношение равно = b, где U1 и U2 – соответствующие напряжения тока. Так как приблизительно I1U1 = I2U2, то а = .

О приблизительном равенстве I1U1 = I2U2 говорится потому, что определение одинаковой подъемной силы электромагнитов делается с помощью весьма примитивного и неточного приема.

129. Гальванометр.

Установка. Кристаллизатор. Изолированная проволока диаметром порядка 0,1 мм. Длина ее определяется следующим образом.

Намотайте приблизительно 100 витков этой проволоки вокруг кристаллизатора, как показано на рис. 25. Затем снимите ее, аккуратно сверните и положите в установку. Коробка из-под папирос с прорезанной крышкой, как показано на рис. 25. Бутылочка с водой. Намагниченное стальное перо. Сильно истощенный гальванический элемент (или нормальный, но со включенным в один полюс сопротивлением приблизительно в 250 ом, например, катушка от головного телефона). Нож. Наждачная бумага.

Условие задачи. Рассмотрите внимательно, что дано в установке. Перо намагничено. В бутылке вода.

Если вы решали задачу о постройке компаса из пера и кристаллизатора, то вы без труда построите его и в этой задаче.

Как, используя этот компас, можно превратить его в гальванометр, применив для этого изолированную проволоку и папиросную коробку в качестве подставки к гальванометру?

Примечание. Проверяя работу построенного вами гальванометра, не соединяйте его непосредственно с полюсами элемента, так как вас должен интересовать вопрос, обнаруживает ли гальванометр слабые токи. Если вы приключите один провод гальванометра к сопротивлению, которое присоединено к полюсу элемента, то сила тока в цепи будет порядка тысячных долей ампера.

Дополнения. 1. Как следует располагать плоскость витков относительно плоскости магнитного меридиана? При каком угле между ними получится наибольшая чувствительность гальванометра?

Как следует установить работающий гальванометр для того, чтобы любой ток, проходящий через него, совершенно не отклонял бы перышка? Проверьте, какая зависимость существует между чувствительностью гальванометра и числом витков намотанной на нем проволоки?

Решение и пояснения

129. (7, 10-й кл.) Решение задачи видно из рис. 25.

Дополнения. 1. Витки надо расположить в плоскости магнитного меридиана, т. е. так, чтобы ось пера расположилась в плоскости витков. Именно в этом случае получим наибольшую чувствительность гальванометра.

Установить следует так, чтобы плоскость витков была нормальна к плоскости магнитного меридиана При одной и той же силе тока чувствительность гальванометра убывает с уменьшением числа витков. В этом можно убедиться, смотав сначала половину витков, затем 3/4 и т. д. Угол отклонения пера при этом уменьшается. (Для того, чтобы не изменялась сила тока, он пропускается во время наблюдений через всю проволоку.)

130. Движение магнита в неоднородном магнитном поле.

Установка. Установка описана в задаче 129. Отличие заключается в следующем: 1) Проволока должна быть предварительно намотана на кристаллизатор и последний установлен на коробочке. 2) Вместо одного берутся два нормально действующих элемента. 3) Ключ. 4) Реостат с движком примерно на 300 ом. В установке цепь уже собрана. Последовательно включены батарея, ключ, обмотка на кристаллизаторе и реостат. Намагниченное перо лежит отдельно.

Условие задачи. Налейте из бутылки воду в кристаллизатор до половины его высоты и опустите на ее поверхность стальное намагниченное перо. (Если вы решали задачу 122 или 129, то вы уже знаете, как следует положить намагниченное перо, чтобы оно не погрузилось в воду.)

Установите витки, охватывающие кристаллизатор, в плоскости магнитного меридиана. Поставьте движок реостата на максимальное его сопротивление и замкните цепь, нажав ключ. Возникшее при этом магнитное поле отклонит ось пера на некоторый угол от плоскости меридиана. Не размыкая цепи, начните уменьшать сопротивление реостата. Перо начнет отклоняться, образуя все больший угол. При некоторой силе тока перо начнет поступательно перемещаться параллельно своей оси к тому участку стенки кристаллизатора, по которому проходят витки обмотки. Разомкните цепь. Перо вернется на середину поверхности воды и, снова повернувшись на 90°, установится в плоскости магнитного меридиана. Не изменяя сопротивления реостата, замкните цепь ключом. Перо быстро повернется на 90° и снова начнет перемещаться параллельно своей оси к стенке кристаллизатора, по которой проходят витки проволоки.

Почему возникает это боковое поступательное движение пера?

Дополнения. 1. Почему при своем поступательном движении перо подходит к вертикальной части витков всегда своей средней частью?

Почему перо при замыкании цепи движется то к одному вертикальному участку витков, то к противоположному? Чем объяснить, что поступательное движение пера не возникает при слабых токах? Возникнет ли поступательное движение пера, если перо с абсолютной точностью будет расположено в самом центре витков обмотки? Как при замкнутой цепи изменится давление пера на поверхность воды, если налить воду тонким слоем на дно кристаллизатора? Как изменится давление пера на поверхность воды, если ее налить до краев кристаллизатора? (Цепь установки замкнута.) Какие ценные практические указания для постройки высококачественных гальванометров можно извлечь из всех проделанных вами опытов?

Решение и пояснения

130. (10-й кл.) Вращательное и поступательное движение магнита (пера) в магнитном поле происходит в том направлении, при котором увеличивается суммарная напряженность поля, складывающаяся из напряженностей внешнего поля и поля магнита. В виду того, что вращательное движение магнита в магнитном поле подробно рассматривается в курсе физики, задача 130 дается, главным образом, для анализа поступательного (бокового) движения магнита.

Напряженность магнитного поля имеет наибольшее значение около витков, наименьшее – в их центральной точке. Следовательно, магнит (перо) будет поступательно двигаться (повернувшись на 90°) от центра витков к самим виткам (см. решение задачи 119). Напряженность поля магнита (пера) имеет наибольшее значение в средней его части (наибольшая плотность линий индукции). Следовательно, магнит подойдет к виткам своей средней частью, так как именно при этом возникает наибольшее значение суммарной напряженности магнитного поля.

Так как перемещение магнита равновероятно как в сторону одной вертикальной части витков, так и в сторону противоположной, то, в случае абсолютно центрированного магнита, у него не должно возникать поступательное движение. Однако в реальных условиях, особенно после поворота магнита, он расположится несколько ближе к одной стороне, чем к другой. Этого достаточно для того, чтобы преобладающее влияние получили ближайшие к магниту вертикальные участки витков. Разница в расстоянии средней точки магнита от одной и другой стороны витков может быть весьма малой, незаметной на глаз. Вследствие этого нельзя предугадать, в каком направлении начнет двигаться поступательно перо при замыкании электрической цепи.

Дополнения. 1 и 2. Ответ дан в решении задачи.

Вода смачивает стенки кристаллизатора, и следовательно, ее поверхность имеет вогнутую форму. Таким образом, движение пера к стенке кристаллизатора есть движение вверх по наклонной плоскости (см. задачу 12 и ее решение). Для этого требуется определенная сила действующего на перо магнитного поля F = тН, где т – магнетизм пера и Н – напряженность магнитного поля, действующего на перо. Естественно, что при слабых токах напряженность поля Н, а следовательно, и сила F будут недостаточны для перемещения пера к вертикальной части витков, т. е. к стенкам сосуда. Ответ дан в решении задачи. Давление пера на поверхность воды увеличится, так как перо будет расположено значительно ближе к нижней горизонтальной части витков, чем к верхней. (Действие горизонтальных участков витков на перо по вертикали ничем не отличается от действия на него по горизонтали вертикальных его участков.) Давление пера на поверхность воды уменьшится, так как перо будет расположено ближе к верхней, горизонтальной части витков, чем к нижней. Все проделанные опыты приводят к заключению, насколько важно значение точного центрирования магнитной стрелки в гальванометрах, так как в противном случае возникает дополнительное и не симметричное давление, связанное с трением между стрелкой и ее осью. Это особенно существенно для тех, наиболее распространенных типов гальванометра, у которых подвижной системой является не магнит, а витки, подвешенные на тонкой проволоке. В этом случае недостаточно точное центрирование вызывает колебания подвижной системы и броски ее в вертикальной или горизонтальной плоскости. Они, конечно, очень не велики, однако, существенно снижают качество гальванометров, особенно зеркальных.

ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА ИНДУКЦИИ. ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК.

131. Электродвижущая сила индукции.

Установка. На детский обруч намотано сто витков изолированной проволоки. Направление обмотки должно быть отчетливо видно. Диаметр провода порядка 0,2 мм. Для прочности витки приклеены к обручу.