Контрольные вопросы

1. Что такое электрический ток?

2. Что называется силой тока, плотностью тока?

3. Что такое ЭДС источника тока, сторонние силы?

4. Сформулировать закон Ома для замкнутой цепи.

5. В чем состоит экспериментальная часть в данной работе?

6. Каковы теоретические основы определения r и ε по I способу?

7. Каковы теоретические основы определения r и ε по II способу?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

Определение магнитной индукции в межполюсном зазоре прибора магнитоэлектрической системы

Цель работы: ознакомиться с принципом действия измерительного прибора магнитоэлектрической системы, определить величину индукции магнитного поля в межполюсном зазоре прибора, исследовать графически зависимость угла поворота рамки прибора от силы тока в ней.

Приборы: амперметр магнитоэлектрической системы, шкала которого специально для данной работы проградуирована в градусах; два реостата; амперметр или прибор комбинированный типа Ф 4313, Ц 4315, Ц317 для измерения тока, напряжения и сопротивления.

Сведения из теории

Подробно теоретические сведения для данной лабораторной работы изложены в разделах 3.3.1. Магнитное поле. Магнитная индукция, 3.3.2. Закон Ампера. Сила Лоренца (стр. 165-175 данного учебного пособия).

Принцип действия прибора магнитоэлектрической системы

Устройство прибора магнитоэлектрической системы, который может служить для измерения тока, напряжения и т.п. показано на рис. 6.1. Полюсные наконечники постоянного магнита имеют цилиндрическую расточку, в которой по оси установлен стальной сердечник. Между полюсами и сердечником образуется зазор с радиальным магнитным полем, индукция которого одинакова по величине во всех точках зазора (рис. 6.2). Рамка (см. рис. 6.1), укрепленная на оси, может вращаться в межполюсном зазоре. При вращении две ее стороны (на рис. 6.2 они перпендикулярны) постоянно пересекают радиальное магнитное поле в зазоре.

Рис. 6.1

Для уменьшения трения ось рамки оканчивается стальными кернами, опирающимися на подпятники, изготовленные из агата, рубина или корунда. С осью жестко связана стрелка прибора. При включении прибора в электрическую цепь ток проходит по виткам рамки. При этом на каждую сторону рамки, расположенную в магнитном поле зазора, действует сила . С учетом числа витков рамки k согласнозакону Ампера имеем

F = k B I l₁, (6.1)

здесь B ‒ величина магнитной индукции в зазоре; I ‒ сила тока в рамке; l₁ ‒ длина той стороны рамки, которая расположена в зазоре; направление силы F определяется правилом ”левой руки”. Каждая из сил создает вращающий момент рамки, равный , где l₂ - длина стороны рамки, не помещенной в зазор.

Направление вектора ₁ можно определить по правилу ”правого винта”: если вращать винт так, как вращает рамку приложенная сила, то поступательное движение винта указывает направление вектора . На рис. 6.2 направлен по оси вращения рамки к нам и обозначен точкой.

Момент пары сил, приложенных к рамке

, (6.2)

где S – площадь рамки, l₂ – длина второй стороны рамки.

Величину k I S обозначают P_m и называют магнитным моментом рамки. Эту величину вводят как вектор и направляют по положительной нормали к рамке с током. Следовательно, , где - единичный вектор вдоль положительной нормали к рамке.

С введением вектора P_m выражение (6.2) можно записать в векторной форме:

, (6.3)

здесь ‒ магнитная индукция в тех местах зазора, где расположена рамка.

Используя закон Ампера, нетрудно показать, что формула (6.3) справедлива также в случае, когда рамка с током расположена в однородном магнитном поле с индукцией .

При изменении направления тока в рамке направление каждой из сил изменится на противоположное, и, следовательно, стрелка будет отклоняться в другую сторону от положения равновесия. Поэтому магнитоэлектрический измерительный механизм пригоден только в цепях постоянного тока.

Для компенсации момента служат пружины, скрепленные одним концом с осью рамки. При повороте рамки пружины создают момент сил упругости, пропорциональный углу поворота рамки 

N = C  , (6.4)

здесь C - жесткость пружины. Момент всегда направлен противоположно вращающему моменту .

Пока угол поворота  мал (| |>| |), рамка продолжает вращаться под действием результирующего момента M ‒ N. При этом угол  увеличивается и вместе с ним увеличивается и N. Это происходит до тех пор, пока момент сил упругости пружин N не станет равным вращающему моменту M. Следовательно, угол, соответствующий установившемуся положению равновесия рамки, будет удовлетворять, согласно (6.2) и (6.4), равенству

C  = k B I S . (6.5)

Из формулы (6.5) следует, что угол поворота рамки пропорционален току в ней. Поэтому шкала прибора магнитоэлектрической системы равномерная.

По формуле (6.5) индукция магнитного поля в зазоре

, (6.6)

что позволяет определить ее опытным путем, если измерить каким-либо образом величины C, , k, S .