установка для исследования жидкого магнетика

Формула изобретения

Установка для исследования жидкого магнетика, содержащая две плоские катушки индуктивности и источник постоянного тока, отличающаяся тем, что в нее введены подставка, две оси вращения катушек индуктивности, закрепленные на подставке, два жестких подвеса, первые концы которых подвешены шарнирно на осях вращения катушек индуктивности, а вторые концы жестко соединены с плоскими катушками индуктивности и являются первыми вводами плоских катушек индуктивности, а вторыми вводами их являются тонкие изолированные проводники, навитые на оба жестких подвеса, амперметр и реостат, которые образуют последовательную замкнутую цепь с двумя последовательно соединенными плоскими катушками индуктивности и источником постоянного тока, сосуд с жидким магнетиком, установленный на подставке, в котором размещены две плоские катушки индуктивности в одной плоскости, перпендикулярной осям самих катушек индуктивности и осям вращения этих катушек, шкала с делениями в градусах, установленная на подставке.

Описание изобретения к патенту

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.

Известен прибор Кольбе для демонстрации взаимодействия двух катушек с током, подвешенных на гибком шнуре на штативе. (Д.Д.Галанин и др. Физический эксперимент в школе, том 4. Учпедгиз, 1954, стр.125, рис.238). Он позволяет демонстрировать только взаимодействие двух катушек с током, без измерения силы Ампера и учета влияния магнитной проницаемости среды на силу взаимодействия.

Известен также учебный прибор для исследования электромагнитного поля (RU патент №2210815, 20.08.2003, Бюл. №23. Автор: Ковнацкий В.К.), содержащий два тороида с железным сердечником (твердым магнетиком). Этот прибор позволяет измерять характеристики электромагнитного поля, но на нем нельзя измерить магнитную проницаемость сердечников тороида.

Наиболее близкой к предлагаемой установке является установка (фиг.4) для демонстрации взаимодействия двух катушек с током, подвешенных на двух тонких проводах, (О.Ф.Кабардин. Физика. Справочные материалы. М.: Просвещение 1991, с.184, рис.190.) Установка содержит две плоские катушки индуктивности и источник постоянного тока. При подключении катушек к источнику постоянного тока наблюдается отклонение одной катушки от другой. При внесении в одну из катушек железного стержня, другая катушка отклоняется на больший угол. Однако эта установка не позволяет измерить силу Ампера при взаимодействии катушек индуктивности, а также определить величину магнитной проницаемости жидкой среды, в которой эти катушки могут взаимодействовать.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей этой установки. Эта цель достигается тем, что в нее введены: подставка; две оси вращения плоских катушек индуктивности, закрепленные на подставке; два жестких подвеса, первые концы которых подвешены шарнирно на осях вращения плоских катушек индуктивности, а вторые концы жестко соединены с этими катушками и являются первыми вводами плоских катушек индуктивности, а вторыми вводами их являются тонкие изолированные проводники, навитые на оба жестких подвеса; амперметр и реостат, которые образуют последовательно замкнутую цепь с двумя последовательно соединенными плоскими катушками индуктивности и источником постоянного тока; сосуд с жидким магнетиком, установленный на подставке, в котором расположены две плоские катушки индуктивности в одной плоскости, перпендикулярной осям самих катушек индуктивности и осям вращения этих катушек; шкала с делениями в градусах, установленная на подставке.

На фиг.1 и фиг.2 представлены чертежи, поясняющие принцип работы предлагаемой установки. На фиг.3 изображен общий вид этой установки, на фиг.4 - ее прототип.

В предлагаемую установку входит: 1 - плоская катушка индуктивности; 2 - жесткий подвес; 3 - ось вращения плоской катушки индуктивности; 4 - подставка; 5 - сосуд с жидким магнетиком; 6 - амперметр; 7 - реостат; 8 - источник постоянного тока; 9 - шкала с делениями в градусах.

При проведении исследований с искусственно создаваемым жидким магнетиком (например, раствором хлористого железа в воде) необходимо каждый раз измерять магнитную проницаемость среды. Важно также определить силу Ампера при взаимодействии катушек с током в такой среде. Существующие устройства для измерения магнитной проницаемости (Руководство к лабораторным занятиям по физике под редакцией Л.Л.Гольдина. М.: Наука. 1973. стр.293-334; Ф.В.Кушнир. Измерение в технике связи. М.: Связь.1970. стр.480-495) не позволяют это сделать. Рассмотрим, каким образом это достигается в предлагаемой установке.

Пусть два круговых витка с током I₁ и I₂ и радиусом R₀ (фиг.1) подвешены на двух жестких одинаковых подвесах длиной 1 на осях O₁ и O₂. Катушки находятся в исходном положении на расстоянии r₀ в жидком магнетике с магнитной проницательностью и плотностью . Круговые витки расположены в одной плоскости, перпендикулярной осям вращения катушек O₁ и O₂, а также осям самих катушек О₃ и O₄. Под действием силы Ампера эти витки разойдутся на угол от исходного положения. В жидком магнетике на круговой виток с током I₁ (фиг.1) действуют четыре силы: сила Ампера , сила натяжения нити , сила тяжести и выталкивающая сила Архимеда , где V_B - объем кругового витка, - плоскость жидкого магнетика, m_B - масса витка и g - ускорение свободного падения.

Условие равновесия для каждого витка имеет вид:

или в проекциях на ось х:

на ось у:

Из выражений (1) и (2) находим:

Определим силу ампера , с которой круговой виток с током I₂ действует на виток с током I₁. Сначала найдем силу, с которой магнитное поле с индукцией , создаваемое током I₂, действует на элемент , принадлежащий контуру l₁ с током I₁ (фиг 2):

Магнитная индукция в соответствии с законом Био-Савара-Лапласа

причем точкой наблюдения А является элемент (фиг.2) первого витка, и следовательно, R означает расстояние между элементами и обоих векторов, а вектор направлен от к .

Объединяя (4) и (5) найдем силу:

Сила, с которой круговой виток с током I₂ действует на виток с током I₁.

С той же силой круговой виток с током I₁ действует на виток с током I₂.

Аналитическое вычисление двукратного интеграла в формуле (6) невозможно, поэтому значение его найдено авторами методом численного интегрирования:

где R₀ - радиус витков, r - расстояние между центрами круговых витков, которое находим из фиг.1:

Приравнивая выражения (3) и (7) и учитывая равенство токов в круговых витках I₁=I₂, а также выражение (8) находим формулу для определения магнитной проницаемости жидкого магнетика.

Для уменьшения величины потребляемого тока круговыми витками заменяем их плоскими катушками индуктивности массой m, каждая из которых содержит по N витков. Тогда ток I₁ в выражении (9) заменим на I₁=NI, где I - ток, протекающий через один виток катушки. В этом случае выталкивающая сила Архимеда F_A=gV, где V - объем катушки индуктивности.

С учетом введенных обозначений получим окончательное выражение для определения магнитной проницаемости жидкого магнетика:

Схема экспериментальной установки для исследования жидкого магнетика представлена на фиг.3. Она содержит две плоские катушки индуктивности 1. Обе катушки 1 подвешены на жестких подвесах 2. Первые концы жестких подвесов 2 неподвижно соединены с катушками индуктивности 1, а вторые концы их подвешены шарнирно на осях вращения 3 катушек индуктивности, которые закреплены на подставке 4. Плоские катушки индуктивности 1 соединены последовательно между собой, расположены в сосуде с жидким магнетиком 5 в одной плоскости, перпендикулярной осям самих катушек индуктивности 1 и осям вращения 3 этих катушек. Первым вводом каждой катушки индуктивности 1 является жесткий подвес 2, а вторым вводом - тонкий изолированный проводник, навитый на жесткий подвес 2. Последовательно соединенные плоские катушки индуктивности 1 соединены также последовательно с амперметром 6, реостатом 7 и источником постоянного тока 8.

Сосуд с жидким магнетиком 5 установлен на подставке 4, на которой установлена шкала с делениями в градусах 9. Указателем положения на шкале 9 является жесткий подвес 2.

Изменяя величину тока в цепи с помощью реостата 7, катушки индуктивности расходятся на разные углы , значения которых измеряем по шкале с делениями в градусах 9. Величину тока измеряем с помощью амперметра 6. Измеренные значения угла и тока I подставляем в формулу (10) для определения магнитной проницаемости жидкого магнетика. Остальные величины, входящие в формулу (10), указаны на лабораторной установке.

Зависимость силы Ампера F при взаимодействии катушек с током от величины этого тока можно рассчитать по формуле (7).

Технико-экономическая эффективность предлагаемой установки для исследования жидкого магнетика заключается в том, что она обеспечивает повышение качества усвоения основных законов и явлений физики студентами.

Предлагаемая установка реализована на кафедре физики и используется в учебном процессе на лабораторных занятиях по электромагнетизму.