Научные работы Ампера до 1820 г. относятся преимущественно к математике и химии. Известие об опытах Эрстеда чрезвычайно заинтересовало Ампера. Оно натолкнуло его на мысль о том, что магнитные взаимодействия сводятся к взаимодействию электрических токов. 18 сентября 1820 г. он выступил на заседании Парижской академии наук с первым и 25 сентября – со вторым докладами о результатах проведенных им исследований электромагнитных явлений.
В протоколе Академии наук о заседании 25 сентября записано: «Я придал большое развитие этой теории и известил о новом факте притяжения и отталкивания двух электрических токов без участия какого-либо магнита, а также о факте, который я наблюдал со спиралеобразными проводниками. Я повторил эти опыты во время этого заседания». Таким образом, Ампер открыл механическое взаимодействие токов. Далее он ставит перед собой задачу – установить закон, которому подчиняется это явление. Эта нелегкая задача была им решена.
На основании гипотезы о существовании молекулярных токов Ампер построил первую теорию магнетизма.
Преподавательская работа требовала от Ампера большой затраты времени. Ампер в одном из своих писем сообщал: «Я принужден бодрствовать глубокой ночью… Будучи нагружен чтением двух курсов лекций, я тем не менее не хочу полностью забросить мои работы о вольтаических проводниках и магнитах. Я располагаю считанными минутами». Несмотря на такую загруженность, Ампер подготовил и издал в 1826 г. свой основной труд – «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта».
2.2 Модуль вектора магнитной индукции
Свободно подвешенный горизонтально проводник находится в поле постоянного подковообразного магнита. Поле магнита сосредоточено в основном между его полюсами, поэтому магнитная сила действует практически только на часть проводника длиной , расположенную непосредственно между полюсами. Сила измеряется с помощью специальных весов, связанных с проводником двумя стерженьками. Она направлена горизонтально перпендикулярно проводнику и линиям магнитной индукции.
Увеличивая силу тока в 2 раза, можно заметить, что и действующая на проводник сила также увеличивается в 2 раза. Прибавив еще один магнит, в 2 раза увеличив размеры области, где существует магнитное поле, и тем самым в 2 раза увеличив длину части проводника, на которую действует магнитное поле. Сила при этом также увеличивается в 2 раза. И наконец, сила Ампера зависит от угла, образованного вектором В с проводником. В этом можно убедиться, меняя наклон подставки, на которой находятся магниты, так, чтобы изменялся угол между проводником и линиями магнитной индукции. Сила достигает максимального значения Fт, когда магнитная индукция перпендикулярна проводнику.
Следовательно, максимальная сила, действующая на участок проводника длиной , по которому идет ток, прямо пропорциональна произведению силы тока I на длину участка : ~ .
|
Увеличивая силу тока в 2 раза, можно заметить, что и действующая на проводник сила также увеличивается в 2 раза. Прибавив еще один магнит, мы в 2 раза увеличим размеры области, где существует магнитное поле, и тем самым в 2 раза увеличим длину части проводника, на которую действует магнитное поле. Сила при этом также увеличивается в 2 раза. И наконец, сила Ампера зависит о^ угла, образованного вектором В с проводником. В этом можно убедиться, меняя наклон подставки, на которой находятся магниты, так, чтобы изменялся угол между проводником и линиями магнитной индукции. Сила достигает максимального значения Рт, когда магнитная индукция перпендикулярна проводнику. Итак, максимальная сила, действующая на участок проводника длиной А/, по которому идет ток, прямо пропорциональна произведению силы тока / на длину участка Д/: /7т~/Л/. |
Модулем вектора магнитной индукции назовем отношение максимальной силы, действующей со стороны магнитного поля на участок проводника с током, к произведению силы тока на длину этого участка:
Магнитное поле полностью характеризуется вектором магнитной индукции В. В каждой точке магнитного поля могут быть определены направление вектора магнитной индукции и его модуль с помощью измерения силы, действующей на участок проводника с током.
2.3 Модуль силы Ампера
Пусть вектор магнитной индукции В составляет угол с направлением отрезка проводника с током. Опыт показывает, что магнитное поле, вектор индукции которого направлен вдоль проводника с током, не оказывает никакого действия на ток. Поэтому модуль силы зависит лишь от модуля составляющей вектора В, перпендикулярной проводнику, т.е. от , и не зависит от параллельной составляющей вектора В, направленной вдоль проводника.
Максимальная сила Ампера равна:
ей соответствует . При произвольном значении угла сила пропорциональна не , а составляющей. Поэтому выражение для модуля силы F, действующей на малый отрезок проводника , по которому течет ток I, со стороны магнитного поля с индукцией , составляющей с элементом тока угол , имеет вид:
Это выражение называют законом Ампера.
Сила Ампера равна произведению вектора магнитной индукции на силу тока, длину участка проводника и на синус угла между магнитной индукцией и участком проводника.
2.4 Направление силы Ампера
В рассмотренном выше опыте вектор перпендикулярен элементу тока и вектору . Его направление определяется правилом левой руки:
если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции В входила в ладонь а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы, действующей на отрезок проводника
За единицу магнитной индукции можно принять магнитную индукцию однородного поля, в котором на участок проводника длиной 1 м при силе тока в нем 1 А действует со стороны поля максимальная сила Fm=1 Н.
Единица магнитной индукции получила название тесла в честь югославского ученого-электротехника Н. Тесла.
Опираясь на измерение силы, действующей со стороны магнитного поля на участок проводника с током, можно определить модуль вектора магнитной индукции.
3. Экспериментальное определение индукции магнитного поля и исследование силы Ампера
Опытный закон Ампера устанавливает зависимость величины силы, действующей на прямолинейный участок проводника с током, помещенный в магнитное поле, от основной характеристики магнитного поля – вектора индукции магнитного поля:
где l – длина активной части прямолинейного участка проводника, по которому протекает ток силой I, В-численное значение вектора индукции магнитного поля в месте расположения проводника, – угол между направлением оси проводника и направлением вектора,
Если проводник расположить так, чтобы = 90°, то
Таким образом, измерив действующую силу в ньютонах, величину тока в амперах и длину активной части проводника в метрах, легко определить величину индукции магнитного поля.
В данной экспериментальной работе необходимо определить индукцию магнитного поля В между полюсами различных подковообразных магнитов, а также экспериментально проверить прямую пропорциональную зависимость силы F от величины тока, длины активной части проводника и индукции магнитного поля:
Оставляя поочередно две величины, входящие в формулу, постоянными, можно установить зависимость силы, с которой магнитное поле действует на проводник с током, от третьей величины. Поскольку в формулу входят три величины, от которых зависит величина силы, то и нужно провести три серии измерений.
3.1. Описание и принцип действия установки
Для работ используется следующее оборудование: электродинамическая рамка, штатив с принадлежностями, лабораторные весы с разновесками, лабораторные амперметр и реостат, источник постоянного напряжения на 4–6 В, два или три подковообразных магнита.
Собирают установку как показано на рисунке 13, а также на фотографиях в приложении №1 и уравновешивают весы. Самодельную рамку с отводами включают в цепь по схеме рисунка 14. Магнит для устойчивости устанавливают либо на немагнитной коробке, соответствующего размера, либо на специальной подставке из дерева. Все применяемые в работах магниты целесообразно предварительно перенумеровать несмываемой краской.
На проводник с током, помещенный в магнитное постоянного подковообразного магнита поле действует сила Ампера. Следовательно, замыкая электрическую цепь, равновесие весов нарушается за счет действия силы Ампера со стороны магнитного поля.
Уравновешивая весы с помощью разновесов, можно определить значение силы тяжести, а следовательно и силы Ампера.
Зная длину активной части проводника, силу тока в цепи, можно вычислить индукцию магнитного поля данного подковообразного магнита.
При изменении силы тока, а также длины проводника, сила Ампера также будет изменяться. Эти свойства и использовались в ходе данной исследовательской работы.
3.2 Этапы и результаты проведения работы
Для измерений были взяты 3 магнита: два одинаковой длины в поперечнике и один в два раза уже.
Выполняют серии измерений с магнитом №1 при включении рамки на 15 витков. Указанные измерения проводят для различных токов: 0,18А,
0,2 А, 0,3 А, 0,4 А и 0,5 А. Такие же измерения выполняют с магнитом №2 и №3.
Затем измерения проводят с двумя магнитами №2 и №3, а также с магнитами №1 и №2, скрепленными между собой одинаковыми полюсами.
Все результаты заносим в таблицу.
Для каждого случая измерений вычисляем значение силы Ампера, а также индукции магнитного поля каждого подковообразного магнита с вычислением значений абсолютной и относительной погрешности.
По данным результатам строим графики зависимости силы Ампера от силы приложенного тока и от длины проводника. По полученным графикам убеждаемся в прямой зависимости данных величин и в выполнении закона Ампера.
В приложении №6 представлена разработка лабораторной работы по данной теме.
Заключение
В результате изучения и исследования данной темы можно сделать вывод о том, что цели и задачи, поставленные в начале данной работы выполнены.
Главной задачей данной исследовательской работы явилось изготовление установки для проведения всех измерений по данной теме. Особых трудностей это не представляет, так как оборудование для изготовления описанной установки есть в любом кабинете физики.
Целью данной работы являлось определение индукции магнитного поля подковообразного магнита, действие данного поля на проводник с током, а также исследование прямой пропорциональной зависимости силы Ампера от длины проводника, силы тока в цепи и индукции магнитного поля.
Для всех трех магнитов, а также для их комбинаций была определена индукция магнитного поля. В результате проведенных вычислений оказалось, что все магниты имеют одинаковую магнитную индукцию, поэтому исследовать зависимость силы Ампера от индукции магнитного тока не удалось.
Однако прямая зависимость силы Ампера от длины проводника и силы тока четко просматривается и представляется на графиках.
Также была разработана лабораторная работа по данной теме, которую учителя могут предложить учащимся на лабораторном практикуме для более углубленного изучения темы «Действие магнитного поля на проводник с током. Сила Ампера»
Список литературы
1. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев. Физика 10. М.: Просвещение, 1998.
2. Л. Эллиот, У. Уилкокс. Физика. М.: Наука, 1975.
3. Хрестоматия по физике 8–10. под редакцией Б.И. Спасского. М.: Просвещение, 1987.
4. Элементарный учебник физики. т. 2. под редакцией Г.С. Ландсберга. М.: Наука, 1972.
5. И.И. Гейнбихнер.: Определение индукции магнитного поля. – «Физика в школе», 1972, №1.
Страницы: 1, 2
