RU2321074C1 - Device for verifying the ampere law experimentally - Google Patents
Device for verifying the ampere law experimentally Download PDFInfo
- Publication number
- RU2321074C1 RU2321074C1 RU2006138368/28A RU2006138368A RU2321074C1 RU 2321074 C1 RU2321074 C1 RU 2321074C1 RU 2006138368/28 A RU2006138368/28 A RU 2006138368/28A RU 2006138368 A RU2006138368 A RU 2006138368A RU 2321074 C1 RU2321074 C1 RU 2321074C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- conductive frame
- rectangular conductive
- rheostat
- conductor
- axis
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Instructional Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к учебным приборам и может быть использовано в лабораторном практикуме в высших и средних специальных учебных заведениях по курсу физики для изучения и углубления знаний физических законов и явлений.The invention relates to educational devices and can be used in laboratory practice in higher and secondary special educational institutions at the rate of physics to study and deepen knowledge of physical laws and phenomena.
Известен прибор для проверки закона Ампера (А.В.Кортнев и др. Практикум по физике. М.: Высшая школа, 1965, рис.195, а с.310) (фиг.4). Он состоит из физического маятника, помещенного между полюсами постоянного магнита. Физический маятник представляет собой медный проводник ab, подвешенный на двух токопроводящих нитях. Сила тока может изменяться с помощью реостата R. На этом приборе можно демонстрировать закон Ампера, а также определять магнитную индукцию, которая одна и та же и не меняется от опыту к опыту. Недостаток этого прибора также в том, что эксперимент занимает много времени, т.к. измерение заключается в определении периода собственных колебаний маятника и периодов колебаний при различных токах.A known device for checking the law of Ampere (A.V. Kortnev and others. Workshop on physics. M: Higher school, 1965, Fig. 195, and p. 310) (Fig. 4). It consists of a physical pendulum placed between the poles of a permanent magnet. The physical pendulum is a copper conductor ab suspended on two conductive threads. The current strength can be changed using a rheostat R. On this device, you can demonstrate Ampere's law, as well as determine the magnetic induction, which is the same and does not change from experience to experience. The disadvantage of this device is also that the experiment takes a lot of time, because the measurement consists in determining the period of natural oscillations of the pendulum and the periods of oscillations at various currents.
Известен также прибор для демонстрации закона Ампера (Там же, с.310, рис.195, в). Он содержит рамку с током, помещенную в магнитное поле постоянного магнита. На этом приборе, кроме демонстрации закона Ампера, можно определить неизменную магнитную индукцию в зазоре постоянного магнита. Эксперимент на этом приборе также занимает много времени, т.к. определение магнитной индукции заключается в измерении периода колебаний рамки.A device is also known for demonstrating Ampere's law (Ibid., P. 310, fig. 195, c). It contains a frame with current, placed in the magnetic field of a permanent magnet. On this device, in addition to demonstrating Ampere's law, it is possible to determine the constant magnetic induction in the gap of a permanent magnet. The experiment on this device also takes a lot of time, because the definition of magnetic induction is to measure the period of oscillation of the frame.
Наиболее близким к предлагаемому прибору является прибор для определения неизменной магнитной индукции с помощью аналитических весов (Там же, с.310, рис.195, б) (фиг.4). В этом приборе одна из чашек весов заменена постоянным магнитом, между полюсами которого помещен линейный проводник ab. Прибор содержит последовательно соединенные с проводником ab первый реостат, ключ К, источник постоянного тока ε и амперметр А. При пропускании тока через проводник ab на него будет действовать сила Ампера и равновесие весов нарушается. Для уравновешивания необходимо менять массу гирь, а это также увеличивает время проведения эксперимента.Closest to the proposed device is a device for determining constant magnetic induction using an analytical balance (Ibid., P. 310, Fig. 195, b) (Fig. 4). In this device, one of the cups of the scales is replaced by a permanent magnet, between the poles of which a linear conductor ab is placed. The device contains a first rheostat connected in series with conductor ab, a switch K, a direct current source ε and ammeter A. When current is passed through conductor ab, an Ampere force will act on it and the balance will not balance. To balance it is necessary to change the mass of weights, and this also increases the time of the experiment.
Целью изобретения является упрощение экспериментальной установки, сокращение времени и повышение точности проведения эксперимента. Эта цель достигается тем, что в известный прибор (фиг.4) (рис.195, б) введены: второй реостат, электромагнит, обмотка которого через второй реостат последовательно соединена с источником постоянного тока; прямоугольная проводящая рамка, установленная так, что одна из вертикальных сторон ее расположена в зазоре между полюсами электромагнита, а другие ее стороны находятся вне зазора; ось вращения прямоугольной проводящей рамки, установленная перпендикулярно плоскости прямоугольной проводящей рамки; два жестких проводника, первые концы которых жестко закреплены на оси вращения прямоугольной проводящей рамки, а вторые концы жестко соединены с прямоугольной проводящей рамкой, при этом первый жесткий проводник соединен через первый гибкий проводник с подвижным контактом первого реостата, а второй жесткий проводник соединен через второй гибкий проводник со вторым вводом амперметра; стрелка, закрепленная на оси вращения прямоугольной проводящей рамки на одной линии с жесткими проводниками; шкала с делениями в градусах.The aim of the invention is to simplify the experimental setup, reducing time and improving the accuracy of the experiment. This goal is achieved by the fact that the following are introduced into the known device (Fig. 4) (Fig. 195, b): a second rheostat, an electromagnet, the winding of which is connected through a second rheostat to a constant current source; a rectangular conductive frame installed so that one of its vertical sides is located in the gap between the poles of the electromagnet, and its other sides are out of the gap; an axis of rotation of the rectangular conductive frame mounted perpendicular to the plane of the rectangular conductive frame; two rigid conductors, the first ends of which are rigidly fixed to the axis of rotation of the rectangular conductive frame, and the second ends are rigidly connected to the rectangular conductive frame, while the first hard conductor is connected through the first flexible conductor to the movable contact of the first rheostat, and the second hard conductor is connected through the second flexible a conductor with a second input of the ammeter; an arrow mounted on the axis of rotation of a rectangular conductive frame in line with hard conductors; graduated scale in degrees.
На фиг.1 и 2 представлены чертежи, поясняющие принцип работы предлагаемого прибора. На фиг.3 изображен общий вид этого прибора, а на фиг.4 - его прототип.Figure 1 and 2 presents drawings explaining the principle of operation of the proposed device. Figure 3 shows a General view of this device, and figure 4 - its prototype.
Предлагаемый прибор (фиг.3) содержит: 1 - электромагнит; 2 - источник постоянного тока; 3 - второй реостат; 4 - прямоугольная проводящая рамка; 5 - ось вращения прямоугольной проводящей рамки; 6 - жесткие проводники; 7 - гибкие проводники; 8 - первый реостат; 9 - амперметр; 10 - ключ; 11 - стрелка; 12 - шкала с делениями в градусах.The proposed device (figure 3) contains: 1 - an electromagnet; 2 - a direct current source; 3 - second rheostat; 4 - rectangular conductive frame; 5 - axis of rotation of a rectangular conductive frame; 6 - hard conductors; 7 - flexible conductors; 8 - the first rheostat; 9 - ammeter; 10 - key; 11 - arrow; 12 - scale with divisions in degrees.
Согласно закону Ампера на элемент проводника с током I длиной dl, помещенный в магнитном поле, действует сила:According to Ampere’s law, a force acts on a conductor element with a current I of length dl placed in a magnetic field:
где - вектор, по модулю равный длине dl элемента проводника и совпадающий по направлению с током, - вектор магнитной индукции. Направление силы определяется векторным произведением векторов или правилом левой руки.Where is a vector modulo equal to the length dl of the conductor element and coinciding in direction with the current, is the vector of magnetic induction. Direction of power defined by the vector product of vectors or left-handed rule.
В скалярном виде выражение (1) имеет вид:In scalar form, expression (1) has the form:
где φ - угол между векторами и .where φ is the angle between the vectors and .
Рассмотрим изогнутый проводник в виде жесткой прямоугольной рамки, подвешенной шарнирно на оси Р (фиг.1). Часть проводника ab этой рамки длиной l находится в постоянном магнитном поле , направленном перпендикулярно плоскости рамки от нас в сторону рамки. В этом случае φ=90° иConsider a curved conductor in the form of a rigid rectangular frame suspended pivotally on the axis P (figure 1). Part of the conductor ab of this frame of length l is in a constant magnetic field directed perpendicular to the plane of the frame from us towards the frame. In this case, φ = 90 ° and
Тогда на проводник ab длиной l действует сила Ампера, которая поворачивает рамку с током I на угол αThen, an ampere force acts on the conductor ab of length l, which rotates the frame with current I by an angle α
На центр тяжести рамки О действует сила тяжести и сила реакции подвеса, на котором висит рамка . Силы и направлены под углом π-α друг к другу (фиг.1).Gravity acts on the center of gravity of frame O and the reaction force of the suspension on which the frame hangs . Forces and directed at an angle π-α to each other (figure 1).
Равнодействующая этих сил по правилу сложения векторов будет равна:The resultant of these forces by the rule of addition of vectors will be equal to:
Проекция силы на ось Ох (фиг.1) будет равна:Power projection on the axis Ox (figure 1) will be equal to:
где m - масса рамки, g - ускорение свободного падения. Сила Fp стремится вернуть рамку в исходное положение.where m is the mass of the frame, g is the acceleration of gravity. The force F p tends to return the frame to its original position.
Под действием силы Ампера рамка отклоняется от исходного положения на некоторый угол α. В соответствии с уравнением динамики вращательного движения твердого тела результирующий момент силы можно записать в виде:Under the action of the Ampere force, the frame deviates from the initial position by a certain angle α. In accordance with the equation of dynamics of the rotational motion of a solid body, the resulting moment of force can be written in the form:
где J - момент инерции рамки относительно оси, проходящей через точку Р, - угловое ускорение рамки.where J is the moment of inertia of the frame relative to the axis passing through the point P, - angular acceleration of the frame.
Обозначим плечо силы и через L, тогда результирующий момент сил и будет равен:Let us designate the shoulder of strength and through L, then the resulting moment of forces and will be equal to:
Мр=-FpL+FL=-mgsinαL+BIlLM p = -F p L + FL = -mgsinαL + BIlL
В момент равновесия , следовательно Мp=0. Отсюда магнитная индукция однородного магнитного поляAt the moment of equilibrium therefore M p = 0. Hence the magnetic induction of a uniform magnetic field
При малых значениях угла α (до 10°) вместо формулы (7) можно воспользоваться ее приближением:For small values of the angle α (up to 10 °), instead of formula (7), we can use its approximation:
Формула (8) может быть использована для определения магнитной индукции магнитного поля между полюсными наконечниками электромагнита. Постоянная r2 - сторона квадрата полюсного наконечника (фиг.2).Formula (8) can be used to determine the magnetic induction of a magnetic field between the pole tips of an electromagnet. The constant r 2 is the side of the square of the pole piece (figure 2).
Если ток I в проводнике ab (фиг.1) поддерживается постоянным и проводник совершает конечное перемещение в магнитном поле, то работа силы Ампера на этом перемещении А=IФm, где Фm - поток вектора магнитной индукции через площадь S, прочерчиваемую проводником при рассматриваемом перемещении (фиг.2). Так как магнитное поле однородное и направленно перпендикулярно площади S, то Фm = BS.If the current I in the conductor ab (Fig. 1) is kept constant and the conductor makes a final movement in a magnetic field, then the work of the Ampere force on this movement is A = IF m , where Ф m is the flux of the magnetic induction vector through the area S, drawn by the conductor under consideration moving (figure 2). Since the magnetic field is uniform and directed perpendicular to the area S, Φ m = BS.
Из фиг.1 и 2 в результате тригонометрических преобразований находим площадь для малых углов α:From figures 1 and 2 as a result of trigonometric transformations we find the area for small angles α:
Постоянные r1 и r2 показаны на фиг.1 и 2. Окончательные выражения для вычисления работы, совершаемой силой Ампера при перемещении проводника с током в магнитном поле, имеет вид:The constants r 1 and r 2 are shown in figures 1 and 2. The final expressions for calculating the work performed by the Ampere force when moving a conductor with a current in a magnetic field is:
Схема предлагаемого прибора для экспериментальной проверки закона Ампера представлена на фиг.3. Она содержит электромагнит 1, который питается от источника постоянного тока 2. С помощью второго реостата 3 можно менять величину тока в катушке электромагнита 1 и, соответственно, величину магнитной индукции в зазоре между его полюсами. В зазоре между полюсами электромагнита 1 установлена прямоугольная токопроводящая рамка 4 таким образом, что одна из вертикальных сторон ее расположена в зазоре, а другие ее стороны находятся вне зазора, как показано на фиг.1. Прибор снабжен осью вращения прямоугольной проводящей рамки 5, установленной перпендикулярно плоскости прямоугольной проводящей рамки 4. Два жестких проводника 6 первыми концами жестко закреплены на оси вращения прямоугольной проводящей рамки 5, а вторыми концами жесткие проводники 6 соединены с прямоугольной проводящей рамкой 4. При этом первый жесткий проводник соединен через первый гибкий проводник 7 с подвижным контактом первого реостата 8, а второй жесткий проводник 6 соединен через второй гибкий проводник 7 со вторым вводом амперметра 9. Первый ввод амперметра 9 соединен последовательно через источник постоянного тока 2 и ключ 10 с неподвижным контактом первого реостата 8. Величина тока в прямоугольной токопроводящей рамке 4 регулируется первым реостатом 8 и контролируется амперметром 9. На оси вращения прямоугольной токопроводящей рамки 5 закреплена стрелка 11 на одной линии с жесткими проводниками 6. Стрелка 11 указывает угол отклонения по шкале с делениями в градусах 12 прямоугольной проводящей рамки 4.The diagram of the proposed device for experimental verification of Ampere's law is presented in figure 3. It contains an
При выключенном ключе 10 в прямоугольной проводящей рамке 4 отсутствует ток, она находится в исходном положении, и стрелка 11 расположена на нулевой отметке шкалы с делениями в градусах 12. Если включить ключ 10, то в прямоугольной токопроводящей рамке 4 появляется ток, возникает сила Ампера F, стремящаяся втянуть проводник ab вглубь зазора электромагнита 1. Эта сила определяется формулой (4).When the key 10 is off, there is no current in the rectangular conductive frame 4, it is in the initial position, and the arrow 11 is at the zero point of the scale with degrees in 12 degrees. If you turn on the key 10, then a current appears in the rectangular conductive frame 4, an Ampere force F occurs , tending to draw the conductor ab deep into the gap of
С помощью второго реостата 3 устанавливаем разные токи в обмотке электромагнита 1. Между наконечниками образуются разные однородные магнитные поля, которые остаются неизменными в процессе выполнения работ. Первым реостатом 8 изменяем ток I, соответственно, изменяется угол отклонения α прямоугольной проводящей рамки 4. По формуле (8) вычисляем значения магнитной индукции В в зазоре электромагнита 1. Результаты записываем в таблицу.Using the second rheostat 3 we set different currents in the winding of
По методике обработки физических измерений одной и той же величины вычисляем среднее арифметическое значение магнитной индукции и половину доверительного интервала ΔВ. Результаты вычислений записываем в табл. Результат вычислений представляем в виде (Тл). По данным табл. и формуле (4) вычисляем значения силы Ампера Fi, где i=1, 2,..., n (n - число измерений). В качестве значения В в формуле (4) берем среднее значение , a l=r2. Строим график функции F=f(I). По формуле (10) вычисляем работу, совершаемую силой Ампера при перемещении проводника с током в магнитном поле. При этом используем данные последней строки табл., а в качестве значения В берем среднее значение .By the method of processing physical measurements of the same value, we calculate the arithmetic mean value of magnetic induction and half the confidence interval ΔB. The results of the calculations are written in table. The result of the calculations is presented in the form (T). According to the table. and formula (4) we calculate the values of the Ampere force F i , where i = 1, 2, ..., n (n is the number of measurements). As the value of B in the formula (4) we take the average value , al = r 2 . We plot the function F = f (I). By the formula (10), we calculate the work performed by the Ampere force when moving a conductor with a current in a magnetic field. In this case, we use the data of the last row of the table, and as the value of B we take the average value .
Технико-экономическая эффективность предлагаемого прибора для экспериментальной проверки закона Ампера заключается в том, что он обеспечивает повышение качества усвоения основных законов и явлений физики обучающимися.The technical and economic efficiency of the proposed device for experimental verification of Ampere's law lies in the fact that it provides an improvement in the quality of assimilation of the basic laws and phenomena of physics by students.
Предлагаемый прибор реализован на кафедре физики и используется в учебном процессе на лабораторных занятиях по электромагнетизму.The proposed device is implemented at the Department of Physics and is used in the educational process in laboratory studies on electromagnetism.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006138368/28A RU2321074C1 (en) | 2006-10-30 | 2006-10-30 | Device for verifying the ampere law experimentally |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006138368/28A RU2321074C1 (en) | 2006-10-30 | 2006-10-30 | Device for verifying the ampere law experimentally |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2321074C1 true RU2321074C1 (en) | 2008-03-27 |
Family
ID=39366431
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006138368/28A RU2321074C1 (en) | 2006-10-30 | 2006-10-30 | Device for verifying the ampere law experimentally |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2321074C1 (en) |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104064089A (en) * | 2014-07-03 | 2014-09-24 | 张新宇 | Comprehensive experiment exploration platform for Ampere force |
CN108877434A (en) * | 2018-07-03 | 2018-11-23 | 张涵森 | A kind of Ampere force experiment device for teaching |
CN109637310A (en) * | 2019-01-10 | 2019-04-16 | 沈阳师范大学 | A kind of the physics experiments of high school equipment and measurement method of quantitative measurment Ampere force |
RU188542U1 (en) * | 2018-08-23 | 2019-04-16 | Сергей Михайлович Кастюкевич | MODEL OF MAGNETIC SHEET AMPER |
CN109949670A (en) * | 2019-04-20 | 2019-06-28 | 安徽师范大学 | One kind quantitatively probing into Ampere force size demonstrator |
CN110632539A (en) * | 2019-09-27 | 2019-12-31 | 古丽涛 | Electromagnet magnetism size related factor detection equipment |
RU198422U1 (en) * | 2020-05-15 | 2020-07-07 | Джамиль Джониевич Бабаев | Device for demonstrating the rule of the left hand |
CN111402692A (en) * | 2020-05-08 | 2020-07-10 | 福建省同安第一中学 | Ampere force quantitative experiment device |
-
2006
- 2006-10-30 RU RU2006138368/28A patent/RU2321074C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
КОРТНЕВ А.В. и др. Практикум по физике, М.: Высшая школа, 1965, с.310. * |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104064089A (en) * | 2014-07-03 | 2014-09-24 | 张新宇 | Comprehensive experiment exploration platform for Ampere force |
CN108877434A (en) * | 2018-07-03 | 2018-11-23 | 张涵森 | A kind of Ampere force experiment device for teaching |
RU188542U1 (en) * | 2018-08-23 | 2019-04-16 | Сергей Михайлович Кастюкевич | MODEL OF MAGNETIC SHEET AMPER |
CN109637310A (en) * | 2019-01-10 | 2019-04-16 | 沈阳师范大学 | A kind of the physics experiments of high school equipment and measurement method of quantitative measurment Ampere force |
CN109949670A (en) * | 2019-04-20 | 2019-06-28 | 安徽师范大学 | One kind quantitatively probing into Ampere force size demonstrator |
CN110632539A (en) * | 2019-09-27 | 2019-12-31 | 古丽涛 | Electromagnet magnetism size related factor detection equipment |
CN111402692A (en) * | 2020-05-08 | 2020-07-10 | 福建省同安第一中学 | Ampere force quantitative experiment device |
RU198422U1 (en) * | 2020-05-15 | 2020-07-07 | Джамиль Джониевич Бабаев | Device for demonstrating the rule of the left hand |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2321074C1 (en) | Device for verifying the ampere law experimentally | |
JP5818267B2 (en) | Method and apparatus for producing a uniform magnetic field | |
RU2321895C1 (en) | Assembly for studying nonuniform magnetic field | |
CN113985330A (en) | Comprehensive tester for various magnetic fields based on Arduino | |
Prytz | Electrodynamics: The Field-Free Approach | |
RU2308095C1 (en) | Device for researching loading characteristics of a current supply | |
RU2357295C1 (en) | Device for investigating magnetic field of rectangular contour with current | |
Sonntag et al. | A low-cost Kibble balance for Africa | |
RU2269823C1 (en) | Installation for testing vorticity electric field | |
JP7194434B2 (en) | Magnetic levitation device and measuring device using it | |
RU2303295C1 (en) | Device for studying vortex electric field in magnetic medium | |
RU2292601C1 (en) | Installation for studying an electromagnetic field | |
RU2491650C1 (en) | Installation for research of electromagnetic field of helmholtz coils | |
RU2272325C1 (en) | Installation for researching on liquid magnet | |
RU2137209C1 (en) | Device for detection of circulation of intensity vector of electric and magnetic field | |
SU746354A1 (en) | Astatic magnetometer | |
Grumeza et al. | “mBH”, Efficient Device for Measuring Static BH Relationships of Ferromagnetic Materials. | |
CN216560958U (en) | Comprehensive tester for various magnetic fields based on Arduino | |
Boháč et al. | Educational device for demonstrating Lenz’s law | |
RU2746040C1 (en) | Device for testing magnetic force of pole elements of magnetic devices and instruments | |
Kazup et al. | Cutting force measurement of electrical jigsaw by strain gauges | |
Lüders et al. | Forces in Magnetic Fields | |
Zdeshchyts et al. | Measuring Earth’s mean density using BYOD technology | |
Verreault | The anisosphere model: a novel differential phase space representation for Foucault pendulums and 2D oscillators | |
KR101976552B1 (en) | Magnetic substance character analysis system and method |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20081031 |