4.3. Описание экспериментальной установки

Общий вид экспериментальной установки показан на рис.4.

Рис.4

Рамка с током 1 помещена в магнитное поле, создаваемое катушками Гельмгольца 2, взаимное расположение и подключение которых наилучшим образом обеспечивает однородность поля между ними. Питание катушек и рамки осуществляется блоками питания 3 и 4 и контролируется мультиметрами 5 и 6.

Необходимый ток в катушках Гельмгольца устанавливается с помощью переключателя «POWER», ручки установки напряжения и ручки установки тока (в) на блоке питания 3. Ток рамки устанавливается с помощью ручки блока питания 4. Вращающий момент сил, действующих на рамку с током, определяется с помощью крутильных весов 7, закрепленных на штативе. Нулевое положение крутильных весов следует контролировать перед каждым измерением. При отсутствии вращающего момента «0» указателя по шкале прибора должен соответствовать положению верхней стороны квадратного проволочного подвеса 8 вдоль установочной линейки 9, что можно откорректировать винтом 10.

При прохождении тока через рамку под действием магнитного поля она повернется, закрутив пружину крутильных весов. Чтобы определить закручивающий момент, надо вернуть вернуть рамку в начальное положение с помощью винта 11. При этом стрелка винта покажет на круговой шкале 12 величину момента вращающей силы, действующей на рамку с током (цена деления шкалы 12 – 0,05 Н⋅м). Рамка прикрепляется к подвесу с помощью поворотного устройства с прорезями 13, обеспечивающего положение рамки под различными углами положительной нормали по отношению к направлению магнитного поля катушек Гельмгольца.

Индукция однородного магнитного поля внутри катушек Гельмгольца есть

,

где I – сила тока в катушках Гельмгольца, – некоторый постоянный коэффициент, учитывающий геометрию, число витков и взаимное расположение катушек.

Для круглых рамок, используемых в работе, величина вращающего момента сил рассчитывается по формуле:

(9),

где m – число витков рамки, I_p – сила тока в рамке, d – диаметр рамки, β – угол ориентации нормали рамки по отношению к линиям поля катушек Гельмгольца, с – постоянная установки. Для расчета теоретического момента М_теор (9) используется постоянная с =6,4 н/А²⋅м.

4.4. Порядок выполнения работы

При выполнении работы необходимо строго соблюдать правила техники безопасности. Работу следует проводить в строгом соответствии с нижеизложенным порядком выполнения. Следует помнить, что замена измерительных рамок должна проводится только при отключенном питании электроустановки.

1. Собрать установку, как показано на рис.4. цепь катушек Гельмгольца включает в себя: источник питания 3, мультиметр 5 и катушки Гельмгольца 2. Цепь рамки состоит из источника питания 4, мультиметра 6 и рамки 1.

2. Рамку 1 с тремя витками (m=3) присоединить к крутильным весам 7 и расположить в однородном поле во внутренней области между катушками Гельмгольца так, чтобы нормаль к рамке была перпендикулярна к оси катушек.

3. Установить нулевое положение стрелки по шкале 12 крутильных весов 4. Для этого с помощью винта 10 расположить верхнюю горизонтальную сторону квадрата подвеса над белыми «прорезями» установочной линейки 9.

4. Включить блок питания 3 с помощью клавиши на задней панели прибора. Установить ток катушек Гельмгольца I=1А. Для этого перемычкой переключить «Power», соединить центр с отметкой «8». Установить напряжение U=17,5 В, силу тока I=1А. Величину тока проконтролировать мультиметром 5 (на мультиметре должен быть поставлен диапазон измерения 20А).

5. Включить блок питания 4, установить ток рамки I_P=1,5А. Величину тока проконтролировать мультиметром 6 (на мультиметре должен быть поставлен диапазон измерения 20А).

6. Измерить закручивающий момент сил, действующий на рамку с током в магнитном поле. Для этого следует повернуть винт 11 до возвращения квадрата подвески 8 ( и вместе с ним рамки с током) в положение «над прорезями» установочной линейки 9. По шкале крутильных весов 12 определить величину момента сил.

7. Измерить диаметр d рамки с током.

8. Результаты измерений занести в таблицу 1.

9. Повторить п.п. 4-6 и п.8 при токах катушек Гельмгольца 1,4А, 1,8А, 2,2А, 2,6А.

Таблица 1

Измерения вращающего момента при различных токах в катушках Гельмгольца

I=1,5 А	β=π/2		m=3		d= см
Ip, A	1	1,4	1,8	2,2	2,6
М, Н⋅м
МТЕОР, Н⋅м

10. Установить ток катушек Гельмгольца I=1,5А. Измерить вращающий момент при токах в рамке 1А, 1,5А, 2А, 2,5А, 3А. Результаты занести в таблицу 2.

Таблица 2

Измерения вращающего момента при различных токах в рамке

I=1,5 А	β=π/2		m=3		d=12см
Ip, A	1	1,5	2	2,5	3
М, Н⋅м
МТЕОР, Н⋅м

11. При выключенном источнике питания установить рамку с одним витком (m=1) диаметром 12 см. Провести измерения вращающего момента при I=1,5А; I_p=1,5А; β=π/2. Повторить п.10 с рамками m=2 и m=3. Результаты занести в таблицу 3.

Таблица 3

Измерения вращающего момента, действующего на рамки с различным числом витков

I=1,5 А	Iр=1,5 А	β=π/2	d=12см
m	1	2	3
М, Н⋅м
МТЕОР, Н⋅м

12. При выключенном источнике питания установить рамку с одним витком (m=1) диаметром 6 см. Провести измерения вращающего момента. Повторить п.11 с рамками диаметром 8,5 и 12 см. Результаты занести в таблицу 4.

Таблица 4

Измерения вращающего момента, действующего на рамки с различным диаметром

I=1,5 А	Iр=1,5 А	β=π/2	m=3
d, см	6	8,5	12
М, Н⋅м
МТЕОР, Н⋅м

13. Сравнить экспериментальные и теоретические значения вращательного момента.

14. Построить графики зависимостей M=f₁(I); M=f₂(I_P); M=f₃(m) и M=f₄(d) в удобном масштабе.

15. Оценить относительную погрешность расчетного значения М_теор для одного любого измерения М, исходя из формулы (9).

где ΔI, ΔI_p, и Δd – приборные погрешности.