Демонстрація спектрів магнітного поля струму.

Обладнання: 1) набір приладів для проектування спектрів магнітного поля струму, 2) коробочка із залізною тирсою, 3) проекційний апарат, 4) В-24 з напругою 4 В або батарея акумуляторів 3–НКН–10, 5) провідники з’єднувальні, 6) лист паперу.

Приступаючи в старших класах до поглибленого вивчення магнітного поля струму, учні вже мають уявлення про магнітні спектри, оскільки раніше вони практично отримували їх на лабораторних заняттях. Таким чином, мета даної демонстрації полягає лише в тому, щоб нагадати учням, що їм було відомо про магнітні спектри струму, про розташування і напрям силових ліній магнітного нуля струму залежно від форми провідника.

Для цього найбільш відповідним є метод проектування, що забезпечує швидкість підготовки досліду і якнайкращу видимість. Тут корисно скористатися приладами, що є квадратними панелями з органічного скла з дротяними контурами для отримання магнітного поля навколо прямого дроту, в дротяному витку і соленоїді (рис. 7).

Один з таких приладів встановлюють на оправу конденсора проекційного апарату, настроєного для горизонтального проектування, і рівномірно посипають невеликою кількістю дрібної залізної тирси. Потім дзеркалом або призмою направляють зображення приладу на екран і пересуванням об’єктиву отримують необхідну різкість зображення тирса.

Приєднавши до клем приладу дріт від джерела, включають струм. Під дією магнітного поля частина тирси, передолавши тертя, розташовується уздовж силових ліній і утворює спектр. Якщо після цього злегка постукати по панелі кінцем олівця, то тирса струшується і спектр стає виразнішим. Не слід стукати дуже сильно і довго: це приведе до сповзання тирси і спотворення спектру. Спектр, отриманий на екрані, зображений на рис. 8.

Дротяні контури розраховані на струм до 2 А. Для отримання такого струму потрібне джерело з ЕРС приблизно 4 В.

Після закінчення демонстрації прилад знімають і тирса зсипають спочатку на лист паперу, а потім назад в коробочку.

Дія магнітного поля на струм.

Покажіть, що прямолінійний провідник із струмом випробовує притягання або відштовхування поблизу смугового магніту.

Укріпіть вертикально гнучкий провідник і пропустить по ньому струм близько 5 А. (рис. 9). Піднесіть до провідника один з полюсів магніту і покажіть взаємодію.

Повторіть дослід, підносячи до провідника із струмом інший полюс магніту.

Повторіть досліди, заздалегідь змінивши в дроті напрям струму на протилежний.

На основі дослідів двох попередніх завдань можна ввести поняття про магнітне поле, що існує навколо електричних зарядів і діюче на рухомі електричні заряди.

Дія магнітного поля на струм. /ознайомитися/

Обладнання: 1) ваги аеродинамічні, 2) амперметр демонстраційний, 3) метр демонстраційний, 4) магніти дугоподібні – 4 шт., 5) скоба дротяна, 6) вимикач демонстраційний, 7) штатив універсальний, 8) дроти з’єднувальні, 9) циркуль–вимірник демонстраційний.

Механічна дія магнітного поля на струм, так само як і способи визначення напряму руху провідника із струмом в магнітному полі, учням добре відомо. Ґрунтуючись на цих знаннях, можна визначити чинники, від яких залежить величина сили, що діє на провідник із струмом, і потім ввести поняття про магнітну індукцію і одиницю її вимірювання. Числові результати проведеного досліду дозволять потім приблизно визначити середню магнітну індукцію між полюсами постійних магнітів. Це сприятиме більшій конкретизації нового поняття.

1. Демонстраційна установка для проведення досліду зображена на рис. 10. У ній основною деталлю служить скоба з голого мідного дроту, поміщена між полюсами двох магнітів. Форма скоби, її розміри і спосіб підвісу показані на рис. 11. Кільця з гачками, що додаються до універсального штатива, ізольовані від стрижня листом звичайного паперу. Цього цілком достатньо, зважаючи на те, що напруга, що підводиться, мала. Між папером і колечками затиснуті кінці сполучних проводів. Надійність контактів в точках підвісу скоби цілком забезпечується її достатньою вагою.

Для вимірювання сили, що діє на провідник із струмом, служать аеродинамічні важелі. При підготовці їх до вимірювання в отвір втулки важелів вставляють стрижень 1 з малим диском із аеродинамічного набору і виготовляють рейтер на 500 мг у вигляді зігнутої металічної смужки. Товкачем 2, що з’єднує важелі слугує м’який тоненький дріт, один кінець якого огинає навколо стрижня над самим диском, а інший кінець, зігнутий у вигляді крючка, вільно накладають на середину скоби між магнітами.

При визначенні ціни поділки треба застосувати правило моментів. Якщо довжина стержня 10 см, а рейтер вагою 0,5 г знаходиться, наприклад, на відстані 20 см від осі, то

F ˑ 10 см = 0,5 Г ˑ 20 см

Звідси сила F дорівнює 1 г, коли рейтер знаходиться на відстані 20 см від осі; кожен сантиметр – дрібна поділка на шкалі важелів відповідає 1/20 г=0,05 г.

Для вимірювання сили струму служить демонстраційний амперметр з шунтом на 10 А і відповідною шкалою для постійного струму.

2. Приступаючи до проведення досліду, від важелів відчіплюють штовхач і знімають з важеля рейтер. За допомогою зрівняльного гвинта добиваються збігу покажчиків.

Постійний струм беруть від випрямляча на розподільному щиті. Спочатку встановлюють рукоятку регулятора на нуль, потім включають струм, доводять його до 8 А і спостерігають за рухом скоби. Змінюючи напрям струму або перевертаючи магніти, показують зміну напряму руху провідника. Ці досліди дають привід пригадати правило лівої руки, що зв’язує напрями струму, силових ліній поля і руху провідника.

Вимкнувши струм, при якому спостерігалося виштовхування скоби вліво, сполучають скобу з вертикальним стрижнем важелів за допомогою дротяного штовхача, як було вказано вище, і пересувають ваги по столу так, щоб покажчики рівноваги знов співпали. На цьому закінчується підготовка установки.

Включають струм і спостерігають, як важіль важелів підводиться. Насадивши на важіль рейтер і пересуваючи його уздовж важеля, знаходять для нього таке положення, при якому ваги знов врівноважуються. Знаючи ціну ділення шкали, знаходять силу, з якою магнітне поле діє на провідник із струмом.

Дослід повторюють при інших значеннях сили струму. Потім видаляють один з магнітів і тим зменшують майже удвічі довжину тієї частини провідника, яка знаходиться в магнітному полі. Знову вимірюють величину виштовхуваючої сили. Довжину провідника визначають циркулем–вимірником і демонстраційним метром. На дошці записують результати дослідів:

Довжина дроту l (см)	Сила струму I (А)	Виштовхуюча сила F (Г)
10 10 10 5	8 4 2 8	0,9 0,45 0,12 0,45

Аналіз отриманих результатів приводить до висновку, що сила, з якою дане магнітне поле діє на провідник, пропорційна силі струму і довжині частини провідника, що знаходиться в магнітному полі: F~Il .

Після цього замінюють магніти двома іншими магнітами тих же розмірів і форми, але слабкішими, і виявляють, що при тих же I і l сила, що діє на провідник, виявляється менше. На цій підставі вважають, що сила F залежить також від величини, що характеризує інтенсивність поля і званою магнітною індукцією В. Таким чином, F=kBIl, де k — коефіцієнт пропорційності.

Вважаючи в отриманій формулі коефіцієнт пропорційності рівним одиниці, встановлюють з виразу одиницю магнітної індукції в системі СІ:

– і визначають середню величину магнітної індукції між полюсами вибраних для досліду магнітів. Для цього можна скористатися, наприклад, даними першого досліду:

l = 10 см = 0,1 м, І= 8А, F = 0,9 Г = 0,009 Н. Підставивши ці дані у формулу, знаходять:

В = 0,009 Н / (8А • 0,1 м) = 0,01 Тл