Дослідження сили Ампера

Чернецький Ігор
Автор Чернецький Ігор
Завідувач відділу створення навчально-тематичних систем знань НЦ «Мала академія наук України», кандидат педагогічних наук, голова Всеукраїнської громадської організації «Асоціація учителів фізики “Шлях освіти – ХХІ”». Наукові інтереси: моделювання освітніх та навчальних середовищ загальноосвітніх і позашкільних навчальних закладів з урахуванням трендів розвитку сучасних засобів навчання.
Рівень складності Середній
Рівень небезпеки Безпечно
Доступність використовуваних матеріалів На рівні шкільного обладнання
Орієнтовний час на виконання роботи До 1 години

Блок 1. Резюме

Проект присвячено вивченню явища взаємодії провідника з електричним струмом із магнітним полем.

Мета роботи: виготовити прилад для дослідження явища взаємодії провідника з магнітним полем та за його допомогою встановити залежність сили взаємодії (сили Ампера) від струму в провіднику та від орієнтації провідника у магнітному полі.

Завдання роботи:

  1. Виготовити прилад для дослідження взаємодії провідника з магнітним полем.
  2. Установити залежність сили взаємодії (сили Ампера) від струму в провіднику та від орієнтації провідника у магнітному полі. Побудувати цю залежність у вигляді графіка з використанням інструментів математичних таблиць.

Блок 2. Попередня інформація

Взаємодію провідників, в яких іде електричний струм, виявив та дослідив у 1820 р. французький фізик А. Ампер (1775-1836). Тому силу, яка виникає в такій ситуації, та закон, що кількісно описує взаємодію, називають відповідно силою Ампера та законом Ампера.

Навколо будь-якого провідника, в якому проходить електричний струм, виникає магнітне поле. Якщо такий провідник перебуватиме в іншому зовнішньому магнітному полі, між його полем та полем зовнішнім буде існувати взаємодія. Взаємодія зазвичай характеризується напрямком дії сили та її модулем. Відповідно до третього закону Ньютона така сама за модулем, але протилежна за напрямком сила має діяти і на джерело зовнішнього магнітного поля.

У цій роботі пропонується дослідити взаємодію провідника з електричним струмом та постійним магнітом, який є джерелом зовнішнього магнітного поля. Дослідження буде проводитися в якісному та кількісному плані. Загальновідомий закон такої взаємодії встановлює правило для визначення напрямку – правило лівої руки. Воно має таке формулювання: якщо ліву руку розташувати так, щоб перпендикулярна до провідника складова вектора магнітної індукції входила в долоню, а чотири витягнутих пальці були спрямовані так само, як струм, то відігнутий на 90° великий палець покаже напрямок сили, що діє на відрізок провідника. Тобто напрямок сили Ампера буде перпендикулярним до провідника і залежить від напрямку струму у провіднику. Зі зміною напрямку струму або зі зміною орієнтації зовнішнього магнітного поля відбуватиметься зміна напрямку дії сили. Під час проведення ряду експериментів також було з’ясовано вираз, який кількісно характеризує модуль зазначеної сили. Цей вираз називають законом Ампера.

 (1),

де В – модуль вектора індукції магнітного поля, І – струм у провіднику, l – довжина елемента провідника, що перебуває в магнітному полі, α – кут між напрямком струму та вектором індукції зовнішнього магнітного поля.

Якщо виходити з цієї закономірності, сила має бути прямо пропорційною струму, що проходить у провіднику, і змінюватися за законом функції синус при зміні кута взаємної орієнтації провідника і вектора  магнітної індукції зовнішнього поля. Саме ці дві залежності пропонується дослідити в роботі.

Оскільки модуль сили, що діє на відокремлений провідник у полі, створеному невеликими магнітами, відносно малий, пропонуємо використовувати декілька провідників, які входять до складу котушки з прямокутними сторонами. Для експерименту виготовляється котушка мідного дроту, що містить 100 витків. Котушка встановлюється так, щоб нижня її частина потрапила у простір між магнітами. Як джерело зовнішнього магнітного поля використовується пластикова підставка із вставленими в неї плоскими неодимовими магнітами, зорієнтованими так, щоб створити у проміжку підставки однорідне магнітне поле. Струм у котушці підтримується джерелом стабілізованої напруги у 5 В (USB-вихід power bank або подовжувачів). Для регулювання струму використовується реостат. Електрична схема живлення котушки представлена на світлині. Оскільки сила Ампера, що діє на провідники, все ж незначна, для її вимірювання застосовуються електронні терези, на платформу яких встановлено підставку з неодимовими магнітами. Підставка має можливість обертатися. Це буде використано для зміни кута між провідником і вектором індукції зовнішнього магнітного поля. На нижню частину підставки наклеєно невеликі фетрові опори для кращого зчеплення диску основи з платформою електронних терезів.

Блок 3. Обладнання

ПК, набірне поле з елементами електричного кола, джерело постійної напруги у 5 В (USB-вихід power bank або подовжувачів), з’єднувальні провідники, електронні терези, амперметр, модель приладу для експерименту, надрукована на 3D-принтері.

Програмне забезпечення: Excel.

Блок 4. Експериментальна процедура

Частина 1

Для проведення дослідження необхідно виготовити модель, надрукувавши її на 3D-принтері. Для цього пропонуємо завантажити файли елементів моделі з ресурсу та роздрукувати їх. Формат файлів для друку STL. Модель друкується із заповненням у 100%. Окрім того, потрібно також надрукувати на звичайному принтері масштабовану паперову шкалу для вимірювання кутів. ЇЇ також пропонується завантажити з ресурсу.

Для створення моделі вам знадобиться мідний дріт діаметром 0,3 мм або інший, 2 неодимових магніти розміром 40*20*2 мм та металеві контакти для кріплення на елемент набірної панелі. На основу котушки намотуємо 100 витків дроту. Кінці дроту припаюємо до виходів контактів, вкручених у корпус. Неодимові магніти встановлюємо в пази основи так, щоб всередину основи були спрямовані протилежні полюси. Надруковану шкалу розташовують на підставці. На нижню частину підставки наклеюємо невеликі фетрові прокладки. Підготовлені елементи моделі виглядають так, як представлено на світлині.

Після виготовлення елементів моделі складіть на набірній панелі електричне коло, представлене на першій світлині. Для дослідження використовується змінний резистор 47 Ом. Приєднайте послідовно з дотриманням полярності амперметр. Діапазон вимірювання струму 1 А. Розташуйте поряд із набірною панеллю електронні терези. Установіть на платформу терезів підставку з магнітною основою. Установіть у роз’єм електричної схеми котушку так, щоб нижня частина потрапила у простір між магнітами. Відрегулюйте положення магнітної основи так, щоб вектор індукції магнітного поля був перпендикулярним до провідників у нижній частині котушки.

Частина 2

Увімкніть електронні терези та «обнуліть» їх покази. Для цього є кнопка Tare. Увімкніть живлення електричного кола та встановіть за допомогою реостата струм у 0,5 А. Зверніть увагу на покази терезів. Вимкніть живлення кола. Змініть полярність джерела струму та полярність під’єднання амперметра. Знову увімкніть живлення і встановіть струм у 0,5 А. Напрямок струму змінився. Зверніть увагу на покази терезів. Розімкніть коло та поверніться до попереднього з’єднання.

Частина 3

Увімкніть живлення кола та за допомогою реостата встановіть мінімальне значення струму, наприклад 0,1 А. Зчитайте покази терезів за занотуйте їх до таблиці 1. Змінюючи струм із кроком у 0,1 А до 1 А за допомогою реостата, щоразу зчитуйте покази терезів за занотовуйте до таблиці. Намагайтеся якомога точніше встановлювати струм у котушці. Вимкніть живлення кола.

Частина 4

Увімкніть живлення кола та за допомогою реостата встановіть значення струму в 0,5 А. Занотуйте покази терезів у таблицю 2. Вимкніть живлення. Повертаючи основу на підставці з кроком у 15° за фіксованого значення струму, щоразу зчитуйте покази терезів та занотовуйте до таблиці 2. Вимкніть живлення кола.

Блок 5. Аналіз отриманих даних

Провівши вимірювання та спостереження в частині 2, зробіть висновок стосовно напрямку дії сили Ампера залежно від напрямку струму.

Побудуйте таблицю 1 в математичних таблицях Excel. Враховуючи, що покази терезів – це маса еквівалентного за вагою вантажу в грамах, розрахуйте інструментами математичних таблиць силу Ампера FA для кожного значення струму I. Інструментами математичних таблиць побудуйте графічну залежність сили Ампера від струму в котушці. Зробіть висновок стосовно отриманого результату.

Побудуйте таблицю 2 в математичних таблицях Excel. Враховуючи, що покази терезів – це маса еквівалентного за вагою вантажу в грамах, розрахуйте інструментами математичних таблиць силу Ампера FA для кожного значення кута α між провідником і вектором магнітної індукції поля. Інструментами математичних таблиць побудуйте графічну залежність сили Ампера від зазначеного кута. Зробіть висновок стосовно отриманого результату.

Таблиця результатів 1

I (A) m(г) FA(Н)
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1

Таблиця результатів 2

α (°) m(г) FA(Н)
90
75
60
45
30
15
0

Блок 6. Напрями розвитку

Запропонуйте методи встановлення залежності сили Ампера від довжини активної частини провідника та модуля індукції магнітного поля.