150464 (Лабораторні роботи з фізики), страница 2

Штатив

Вимикач

Котушка з мідним провідником

Реостат

З’єднувальні провідники - 4 шт.

Загальні теоретичні положення

Магнітне поле, як і електричне, є одним з видів матерії. Воно виникає, наприклад, при русі електрично заряджених частинок і навколо провідників зі струмом. Магнітне поле має енергію, яка називається енергією магнітного поля. Тому, якщо в магнітне поле, що оточує провідник з електричним струмом, внести другий провідник зі струмом, то на останній діє сила магнітного поля. В свою чергу магнітне поле другого провідника зі струмом діє на перший. Під дією сил поля провідник зі струмом може переміщуватися; в цьому випадку виконується робота за рахунок енергії магнітного поля. Електричний струм у провіднику і магнітне поле навколо нього – нерозривно зв’язані явища.

Інтенсивність магнітного поля у кожної його точці характеризується (магнітною індукцією) вектором індукції магнітного поля - , [Тл] ; магнітне поле зручно зображати силовими лініями, до яких вектор напрямлен по дотичній. Магнітна індукція у будь-якій точці поля навколо провідника з електричним струмом залежить від величини сили струму I, форми провідника, відстані точці від провідника і від властивостей середовища, у якому знаходиться магнітне поле.

Магнітні силові лінії завжди замкнені і мають напрямок від північного полюса (N) до південного (S), що показано на малюнку 1. Щоб дослідити напрямок вектора індукції магнітного поля - у будь-якій точці, використовують магнітну стрілку (компас), яка може вільно обертатись навколо власної осі і орієнтується за напрямком вектора . Щоб побачити форму силових ліній у горизонтальній площині, використовують оргскло, на яке рівномірно розсипають намагнічені мілкі металеві ошурки. Останні під дією магнітного поля орієнтуються за його напрямком.

Правило взаємодії магнітних полюсів: однойменні магнітні полюса відштовхуються один від одного (S-S; N-N), а різнойменні – притягуються (S-N; N-S). Якщо до магнітного полюса котушки зі струмом піднести однойменний полюс постійного магніту, то вони відштовхуються, а якщо піднести різнойменний, - притягуються. У цьому випадку не обов’язково знати напрямок струму у котушці, щоб визначити її полюса.

На прямий провідник довжиною l зі струмом І, вміщений у магнітне поле з індукцією , діє сила Ампера , напрям якої визначається за правилом лівої руки, де α - кут між вектором і напрямком струму I.

Малюнок 1 - Зображені два полюса магніту, прямолінійна ділянка циліндричного провідника, напрям струму I, сила Ампера, вектор магнітної індукції.

Навколо котушки зі струмом існує магнітне поле, яке подібне полю прямого магніту.

Якщо відомий напрямок струму у котушці, то для визначення напрямку силових ліній магнітного поля кругового струму котушки (соленоїда) використовують правило Буравчика: якщо ручку буравчика обертати за напрямком колового струму, то поступовий рух його острія вкаже напрямок магнітних силових ліній внутрі колового струму.

Отже, скориставшись правилом Буравчика, визначають полюса котушки, по виткам якої тече коловий струм. У цьому випадку не обов’язково мати магніт, щоб визначити її полюса.

Малюнок 2 - Електросхема дослідної установки

Малюнок 3 - Дослідна установка

Порядок виконання роботи

Підвісьте котушку до штатива, приєднавши її до джерела струму послідовно з реостатом і вимикачем. Попередньо вимикач К1 слід розімкнути, а повзунок реостата встановити на максимальний опір.

До підвішеної котушки піднесіть магніт південним полюсом (S) до її торця і, замикаючи коло, спостерігайте за рухом котушки. Визначте магнітні полюса котушки по ефекту взаємодії котушки і магніту, користуючись правилом взаємодії магнітних полюсів.

У звіті про роботу зробіть малюнки магніту і котушки, вкажіть напрям силових ліній магнітної індукції в котушці, пом’ятая, що вони виходять з північного полюса (N), а заходять до південного (S).

Визначте напрям струму I в котушці по напрямку обертання ручки буравчика, якщо його острій поступово рухається від південного (S) до північного (N) полюса котушки (правило буравчика). Замість буравчика можна використовувати звичайну письмову ручку з правогвинтовою різьбою.

Перевірте визначений напрямок струму I у котушці, користуючись позначками клеми (+) і клеми (-) джерела струму.

Змініть напрям струму у електричному колі, під’єднавши по іншому джерело струму. Визначте передбачуваний напрям руху котушки відносно південного полюса магніту, виконуя пункти 4.1, 4.2, 4.3. і 4.4.

Піднесіть магніт іншим полюсом (північним) до того ж самого торця котушки. Визначте передбачуваний напрям руху котушки відносно цього полюса магніту. Накресліть малюнок за пунктами 4.3. і 4.4.

Контрольні запитання

Чи подібні ефекти взаємодії магнітних полюсів і електричних зарядів?

Чому для досягання мети цієї роботи використовують котушку з намотаним на неї мідним провідником, а не з залізним?

У якому напрямку тече струм у електричному колі, якщо на клемах джерела струму є позначки (+) і (-) ?

Як визначити напрям струму у електричному колі, якщо на клемах джерела струму відсутні позначки (+) і (-) ?

Що буде з магнітом, якщо його поділити на дві частини?

Що називають силовими лініями магнітного поля? Який напрямок вони мають?

Що визначає правило буравчика для колового струму і для прямолінійного струму?

Скільки є способів визначення полюсів котушки?

Який принцип роботи електромагніту? Де його використовують?

Висновки

Оформлення звіту

Лабораторна робота № 9 (2 години)

Тема: Визначення температурного коефіцієнту опору міді

1. Мета роботи: дослідним шляхом визначити температурний коефіцієнт опору міді

2. Прилади і обладнання:

Електроплитка;

Термометр (до 100 0С);

Посуд з водою;

Прилад для визначення температурного коефіцієнту опору міді

(котушка з намотаним на неї мідним провідником, що знаходяться у скляній колбі);

Амперметр;

Вольтметр;

Вмикач;

З’єднувальні провідники - 6 шт.

Загальні теоретичні положення

Електричний струм у металі – це впорядкований рух вільних зовнішніх його електронів по провіднику під дією електричного поля. Метали мають кристалічну решітку, в вузлах якої знаходяться позитивно заряджені іони, між якими рухаються вільні зовнішні електрони. Позитивно заряджені іони лише коливаються навколо власних положень рівноваги і не пересуваються у металі під впливом електричного поля. Атом, що втратив кілька власних зовнішніх електронів стає позитивним іоном. Електрони, що створюють електричний струм, під час руху частково стикаються та взаємодіють з іонами кристалічної решітки, що затримує їх рух. Тому вважають, що з боку метала існує опір R до впорядкованого руху електронів.

При збільшенні температури t металевого провідника його позитивні іони, що знаходяться в вузлах кристалічної решітці, збільшують інтенсивність коливань, що призводить до зростання кількості зіткнень їх з електронами провідності. Тому опір металевого провідника R зростає при збільшенні температури t. І, навпаки, опір металевого провідника різко зменшується при зменшенні температури до малих значень (T → 0 K або

t → - 273,15 0С). В останньому випадку виникає явище надпровідності, коли сила струму різко зростає.

Якщо при початковій температурі t0 опір провідника - R0, а при температурі t він дорівнює - R, то відносна зміна опору прямо пропорційна ∆tº:

, (1)

де α – температурний коефіцієнт опору металу, який різний у різних металів. Він характеризує залежність опору провідника при його нагріванні на 1 0С;

∆t – зміна температури, 0С;

R0 – опір при температурі t0, Ом;

R – опір при температурі t, Ом.

Якщо інтервал зміни температури невеликий, то температурний коефіцієнт можна вважати сталим. Оскільки він не змінюється, то графічна залежність R(t) має вигляд прямої:

Малюнок 1 – Графік залежності опору металевого провідника від температури.

Зміну опору металевого провідника з підвищенням температури треба враховувати при створенні нагрівальних пристроїв.

Якщо замкнути коло, то при початковій температурі t0, що дорівнює температурі навколишнього середовища, за законом Ома для ділянки кола опір обчислюється за формулою 2:

, (2)

де R0 – опір зовнішньої ділянки при температурі t0, Ом;

U0 – напруга при температурі t0, В;

I0 – сила струму при температурі t0, А;

При температурі t опір мідного провідника буде:

, (3)

де R – опір зовнішньої ділянки при температурі t, Ом;

U – напруга при температурі t, В;

I – сила струму при температурі t, А.

З формули 1 визначаємо температурний коефіцієнт опору металу:

, (4)

Порядок виконання роботи

Накресліть електросхему, що зображена на малюнку 2 та складіть її:

Малюнок 2 – Схема електричного кола

Перевірити надійність електричних контактів, правильність вмикання амперметра і вольтметра;

Визначити ціну поділки амперметра, вольтметра та термометра;

Виміряти температуру повітря - t˚0. Замкнути коло, виміряти силу струму у цепі і напругу на кінцях мідного провідника;

Занурити прилад з мідним провідником у посудину з гарячою водою. Через декілька секунд, після теплової рівноваги, виміряти температуру води у посудині, напругу і силу струму;

Дослід повторити три рази;

Результати вимірювань записати у таблицю 1;

Таблиця 1 – Результати вимірювань та обчислень

, (6)

де <α> - це середнє значення температурного коефіцієнта опору міді (Cu);

Порівняти <α> з табличним значенням αтабл довідника.

(Використовуйте таблицю температурного коефіцієнту опору різних речовин, наприклад, у довіднику з фізики А.С. Єхоновича, 1990 року видання на сторінці 176). αтабл (Cu) = 0,0043 0С - 1.

Результати записати у вигляді:

, (7)

де =αтабл - <α>

Контрольні запитання

Чому зі зміною температури змінюється опір провідника?

На скільки градусів ∆t нагріли мідний провідник, якщо його опір збільшився удвічі? (Використовуйте формулу 1 та співвідношення R = 2R0)

Поясніть, чому з підвищенням температури металевого провідника при постійній напрузі його потужність зменшується.

Чи буде залишатися постійною підіймальна сила електромагніта, якщо він працює дуже довго без перерви? Чому?

З якого матеріалу повинен бути виготовлений провідник, щоб він був найменш чутливим до зміни температури? (Використовуйте таблицю температурного коефіцієнту опору різних речовин, наприклад, у збірнику задач і запитань Р.А. Гладковой, 1988 року видання на сторінці 381)