Ćwiczenie 13 v

VIII LO
II F 2017
Ćwiczenie 12
Ile waży prąd ?
Co powinieneś wiedzieć przed rozpoczęciem wykonywania ćwiczenia:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Jak uzyskać prąd o natężeniu 0,5A? (dysponujemy zasilaczem 3V)
Dlaczego w tym ćwiczeniu waga laboratoryjna jest lepsza od wagi elektronicznej?
Gdzie występuje pole magnetyczne?
Jak wygląda pole magnetyczne wokół magnesu?
Jakie siły działają w polu magnetycznym?
Co to jest siła elektrodynamiczna
Co to jest wektor indukcji pola magnetycznego? Jaki ma symbol? Jaką ma jednostkę?
Lista przyrządów:
1. Waga laboratoryjna z odważnikami
2. Zasilacz (ładowarka), opornik suwakowy, włącznik, przewody
3. Zestaw do badania siły elektrodynamicznej
4. Zestaw do badania indukcji pola magnetycznego
5. Magnes
Cel ćwiczenia:

wyznaczenie wartości wektora indukcji pola magnetycznego poprzez pomiar wartości siły
elektrodynamicznej.
Opis ćwiczenia.
Pole magnetyczne jest to obszar, w którym działają siły magnetyczne. Występuje ono w dwóch
rodzajach: albo w pobliżu magnesów, albo (co znacznie częściej wykorzystywane) w pobliżu
przewodników, w których płynie prąd. Ten drugi sposób wytwarzania pola magnetycznego ma bardzo
szerokie zastosowania w technice.
Linie pola magnetycznego wokół magnesów o różnych
kształtach są przedstawione na rysunku obok. W obszarze
wokół magnesu biegną one zawsze od bieguna północnego
(N) do południowego (S). Wzdłuż tych linii możemy
narysować wektor indukcji pola magnetycznego.
Wektor indukcji pola magnetycznego (B) to wielkość
fizyczna, która mówi nam jak silne jest pole magnetyczne w danym punkcie. Jego wartość zalezy od
rodzaju magnesu, oraz od odległości od niego.
W przypadku pola magnetycznego wokół przewodnika z prądem wartość wektora indukcji pola
magnetycznego zależy od kształtu przewodnika, natężenia płynącego w nim prądu oraz odległości.
W polu magnetycznym działają dwie siły:
 siła Lorentza
 siła elektrodynamiczna.
Siła Lorentza działa na cząstkę naładowaną (np. elektron), która porusza się w polu magnetycznym
(nią nie będziemy się dziś zajmować).
Siła elektrodynamiczna jest to siła, która działa na
przewodnik z prądem znajdujący się w polu
magnetycznym. Jest ona wyrażona wzorem :
gdzie:
- B to wektor indukcji pola magnetycznego (informuje
nas jak silne jest pole magnetyczne w danym miejscu)
- I to natężenie prądu
- l to długość przewodnika
- α jest kątem między kierunkiem przepływu prądu a kierunkiem linii pola magnetycznego.
Silę elektrodynamiczną można wyznaczyć regułą lewej dłoni. Kierunek siły w zależności od
kierunku prądu i kierunku pola magnetycznego pokazuje zamieszczony obok rysunek.
Jak wynika ze wzoru, aby siła elektrodynamiczna była różna od 0, w przewodniku,
który znajduje się w polu magnetycznym, musi płynąć prąd, ale także musi on
znajdować się pod odpowiednim kątem w stosunku do linii pola magnetycznego, aby
kąta nie był równy 0.
sinus
Wyznaczenie wartości wektora indukcji pola magnetycznego
Do wyznaczenia wartości wektora indukcji pola magnetycznego posłuży odpowiedni przyrząd.
Dokładny jego opis i sposób działania znajduje się w instrukcji dołączonej do niego.
Zasada działania nie jest zbyt skomplikowana - gdy w ramce będzie płynął prąd i będzie ona
znajdowała się w polu magnetycznym, nastąpi pozorna zmiana ciężaru tej ramki. Ta zmiana to
wartość siły elektrodynamicznej. Należy zauważyć, że ramka składa się z 5 zwojów. Dlatego też
pozorna zmiana ciężaru jest równa wartości siły elektromotorycznej pomnożonej przez 5.
Inaczej mówiąc: gdy umieścisz jeden z boków ramki wykonanej z przewodnika w polu
magnetycznym, podłączysz ją do prądu, a całą ramkę zawiesisz na wadze wówczas ramka "będzie
miała inny ciężar" niż gdy wisiała bez magnesu i prądu. Różnica tych ciężarów to wartość siły
elektrodynamicznej.
Przed przystąpieniem do wykonania tej części zadania musisz odpowiednio ustawić wagę
laboratoryjną. Za jej pomocą uzyskasz informacje jaka jest wartość szukanej siły. W tym wypadku
wagę będziemy traktować jak siłomierz.
Być może się zastanawiasz, dlaczego nie używamy w tym ćwiczeniu wagi elektronicznej.
Odpowiedzią jest dokładność wagi. Wagą szalkową możemy mierzyć masę z dokładnością do 0,01g.
Przebieg ćwiczenia
Zadanie wstępne.
Zbuduj obwód prądu stałego, w którym popłynie prąd o natężeniu od 0,5A do 1A.
Wykorzystaj zasilacz(ładowarkę), opornik suwakowy, amperomierz, przewody oraz włącznik.
Obwód powinien być zbudowany w taki sposób, aby można było zmieniać natężenie prądu.
Przed włączeniem zasilacza skontaktuj się z nauczycielem.
I. Wyznaczenie wartości wektora indukcji pola magnetycznego - sposób 1
1. Przygotuj wagę szalkową do doświadczenia.
a. Zawieś ramkę i szalkę
b. Dobierz tak odważniki i ciężarki przy ramce, aby waga była w równowadze.
2. Podłącz ramkę do źródła prądu; aby nie uszkodzić spiralnych sprężynek doprowadzających
prąd do uzwojeń ramki natężenie prądu nie powinno przekraczać 0,8A
3. Połóż magnes w kształcie podkowy w pobliżu dolnego boku ramki. Sprawdź jak należy go
umieścić względem ramki, aby siła elektrodynamiczna była maksymalna, a jak aby miała ona
wartość 0 (obracaj magnesem)
4. Umieść magnes w taki sposób, aby siła elektrodynamiczna działająca na ramkę była
skierowana w dół. Im silniejszy magnes, tym efekt będzie lepiej widoczny.
5. Odczytaj wartości natężenia prądu płynącego przez ramkę
6. Poprzez dołożenie odpowiednich odważników odczytaj wartość siły elektrodynamicznej
(pozorną zmianę ciężaru ramki). Wynik umieść w tabeli
Masa
dołożonych
odważników
Ciężar
dołożonych
odważników
Wartość siły
elektrodynamicznej
(różnica ciężaru/5)
Fed
Natężenie prądu
I
Długość ramki
(część obejmowana
przez magnes)
l
Wartość wektora
indukcji pola
magnetycznego
B
7. Czynności z punktu 5 i 6 należy powtórzyć dla pięciu różnych wartości natężenia prądu
płynącego przez ramkę. Wyniki umieść w kolejnych wierszach tabeli
8. Zmierz długość uzwojenia poziomego ramki znajdującej się w polu magnetycznym (l) - jest
ona w przybliżeniu równa grubości magnesu.
9. Oblicz średnią wartość wektora indukcji pola magnetycznego. Skorzystaj ze wzoru:
10. Sporządź wykres wartości siły elektrodynamicznej w zależności od natężenia prądu płynącego
w ramce.
II. Wyznaczenie wartości wektora indukcji pola magnetycznego - sposób 2
1. Przy pomocy wagi elektronicznej zmierz masę wiszącej
części ramki.
2. Zmontuj ramkę na statywie, aby ramka znajdowała się w polu
magnetycznym, jak na rysunku.
3. Podłącz ramkę do zestawu przygotowane we wstępnej części
ćwiczenia.
4. Ustaw parametry prądu w taki sposób, aby jego natężenie
wynosiło około 0,5A.
5. Umieść magnes (im więcej tym lepiej) w taki sposób, aby pozioma część ramki znajdowała się
między jego biegunami. Jeżeli ramka nie ulega odchyleniu zwiększ natężenie prądu. Jeżeli
masz zamiar to zrobić najpierw skontaktuj się z nauczycielem.
6. Ustal kąt, o jaki odchyliła się ramka, gdy znalazła się w polu magnetycznym
7. Wyniki umieść w tabeli.
Masa ramki
m
Tangens kąta
odchylenia ramki
tg α
Natężenie prądu
I
Długość ramki
(część obejmowana przez
magnes)
l
Wartość wektora
indukcji pola
magnetycznego
B
8. Wartość wektora indukcji mola magnetycznego oblicz ze wzoru:
9. Kilkukrotnie zmień natężenie prądu i powtórz obliczenia. Na końcu podaj średnią wartość
wektora indukcji pola magnetycznego.