Лабораторная установка для изучения силы ампера

А. Е. ВАСИЛЬЕВ, В. А. РАЧКОВ

ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА

ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ СИЛЫ АМПЕРА

Изучение силового действия магнитного поля на проводник с током требует постановки физических опытов по наблюдению этого явления. Известно несколько модификаций простых методов экспериментального исследования силы Ампера [1,2], однако возможности их совершенствования ещё не исчерпаны. В данной работе предлагается простая лабораторная установка, в которой действие силы на проводник с током в магнитном поле (силы Ампера) демонстрируется с помощью упругой деформации изгиба прямоугольной рамки из тонкой медной проволоки.

Сечение проволоки, а также размеры петли подбираются так, чтобы при взаимодействии магнитного поля подковообразного постоянного магнита с током проводника смещение петли было достаточно заметным (0,5-3,5 см) при приемлемых значениях силы тока в рамке. Наиболее удобная конструкция соответствует закреплению рамки с током в вертикальном положении на массивной неподвижной опоре; поднятый на штативе подковообразный магнит может перемещаться в горизонтальном направлении в пределах нескольких сантиметров. Для повышения удобства и точности измерений отсчет положений подвижной стороны гибкой рамки и торца магнита проводился с помощью лежащей на столе линейки, на которую падала тень указанных предметов, создаваемая проектором с параллельным пучком лучей.

Ток через рамку обеспечивается выпрямителем ВС-24М; в качестве балластного сопротивления использовался реостат. Измерения силы тока проводились с помощью амперметра (до 2А). Перед началом измерений проволока, из которой изготовлена гибкая рамка, тщательно выпрямлялась; верхняя (подвижная) часть рамки устанавливалась строго в плоскости симметрии магнита.

Приближенно предполагалось, что эта верхняя (рабочая) часть рамки остается в процессе перемещения под действием силы Ампера в той же плоскости, учитывая, что длина рамки (38 см) значительно превосходила величину перемещения (до 3,5 см). С помощью данной установки успешно решались следующие задачи.

1). Проводилась демонстрация действия магнитного поля на проводник с током. При выключенном источнике магнит устанавливался так, чтобы рабочий участок рамки находился плоскости торца магнита. Затем наблюдалось, как в зависимости от полярности включения источника проводник с током втягивался или выталкивался из области магнитного поля. Магнитные свойства дугообразного магнита наглядно демонстрировались с помощью стальной линейки.

2). Проводилась экспериментальная проверка формулы Ампера, т. е. прямо пропорциональной зависимости силы, действующей на рабочий участок проводника, от силы тока в проводнике. Сам опыт заключался в том, что при последовательном изменении силы тока через рамку I постоянный магнит перемещался таким образом, чтобы рабочая сторона рамки оставалась в плоскости торца магнита.

Это обеспечивало постоянство индукции магнитного поля B, действующего на проводник с током. Непосредственным результатом опыта являлось смещение проводника Xr, пропорциональное действующей на него силе (F=k Xr). Вычислялась величина Xr / I, пропорциональная индукции магнитного поля B. После усреднения результатов измерений по данным нескольких опытов, делался вывод о постоянстве значения Xr / I. Это и означало прямо пропорциональность зависимости силы Ампера от силы тока в проводнике.

3) Проводилось исследование распределения магнитного поля по оси постоянного магнита. С этой целью при некотором фиксированном значении силы тока подковообразный магнит плавно перемещался в горизонтальном направлении. Его координата Xm, отсчитываемая по положению края тени магнита на линейке, изменялась через 4-5 мм. Непосредственным результатом опыта являлся отсчет положения рабочей части рамки Xr (также проводимый по положению своей тени на линейке). Значение индукции магнитного поля пропорционально отношению Xr / I, точнее

Здесь k – коэффициент упругости рамки; L – длина и Xr – смещение рабочей стороны рамки; I – сила тока в ней. Координата точки магнитного поля X определялась соотношением X = Xm + Xr.

Таким образом, предлагаемая лабораторная установка вполне отвечает поставленной задаче – проведение достаточно простых и наглядных исследований влияния магнитного поля постоянного магнита на проводник с током. В результате выполнения работы учащиеся получают отчетливое представление о законе Ампера, о характере распределения магнитного поля по оси подковообразного магнита, а также могут самостоятельно оценить точность своих измерений.

____________________

1. , , Практикум по школьному физическому эксперименту. М.: Просвещение, 1977.

2. , Физические эксперименты по разделу «Электромагнитные явления». Методические указания для учителей физики и студентов педвузов. СГПИ, 1991.