Síla působící na vodič v magnetickém poli

Pomůcky

• Měřicí souprava ISES, modul siloměr na pozici kanálu A,
• měřič magnetické indukce na pozici kanálu B,
• regulovatelný zdroj stejnosměrného napětí 0 V až 30 V / 30 A s ampérmetrem,
• magnetický obvod s permanentním magnetem, obdélníková smyčka s 38 závity lakovaného měděného vodiče.

Úkoly

1. Změřit sílu působící na vodič, kterým protéká elektrický proud v magnetickém poli permanentního magnetu.
2. Zobrazit závislost velikosti síly na proudu procházejícím vodičem.
3. Zkontrolovat platnost vztahu pro velikost síly působící na vodič F = B I l.

Teorie

Na všechny elektrony pohybující se ve vodiči stejným směrem v magnetickém poli působí Lorentzova síla. Tato skutečnost se projeví jako vnější síla působící na vodič, kterým protéká elektrický proud v magnetickém poli např. permanentního magnetu. Síla má velikost dle vztahu  F = B I l, kde F [N] je síla, B [T] magnetická indukce, I [A] elektrický proud procházející vodičem a l [m] délka vodiče v magnetickém poli, v našem případě šířka magnetického obvodu. Vztah platí za předpokladu, že směr siločar magnetického pole a směr elektrického proudu ve vodiči jsou kolmé. Směr síly pak určuje pravidlo levé ruky.

Nastavení

Založíme nový experiment v programu ISES a nastavíme: čas 100 s, vzorkování 100 Hz, start manuální, panel č. 1 siloměr nebo měřič magnetické indukce.

provedení

Sestavíme magnetický obvod s permanetním magnetem. Na laboratorní stojan připevníme modul siloměr. Na siloměr zavěsíme cívku na provázku dle obrázku.

Vývody cívky připojíme na zadní svorky zdroje 30 V / 30 A, do kladného přívodu zařadíme spínač. Výšku cívky upravíme tak, aby se její spodní část nacházela uprostřed vzduchové mezery magnetického obvodu. Po kontrole zapojení nastavíme na zdroji napětí 3 V, sepneme spínač a sledujeme, zda se cívka pohybuje směrem dolů. Pokud se cívka pohybuje nahoru, otočíme magnet.

Nejdříve změříme magnetickou indukci v mezeře. Aktivujeme měřič magnetické indukce, umístíme aktivní část čidla do mezery vedle vodičů cívky a spustíme měření . Během měření s čidlem mírně pohybujeme podél vodičů cívky. Otevřeme okno výsledků měření a odečteme velikost magnetické indukce. Pomocí tlačítka klouzavého odečtu označíme větší počet bodů a vypočteme aritmetický průměr. Použijeme funkci aproximace a v otevřeném okně označíme možnost přímka.

Po potvrzení tlačítkem se v okně výsledků objeví rovnice aproximační přímky ve tvaru  y = Ax + B. Číslo A je směrnice přímky a číslo B je posunutí, tedy námi hledaný aritmetický průměr. Množství a umístění bodů volíme tak, aby číslo A bylo "dostatečně" malé, tedy aby aproximační přímka byla rovnoběžná s osou x.

Nyní změříme sílu působící na vodiče cívky v magnetickém poli při procházejícím proudu 4 A, 6 A, 8 A a 10 A. Aktivujeme modul siloměr, spustíme měření a nastavíme nulovou hodnotu síly točítkem na horní straně modulu siloměr při zavěšené cívce a vypnutém zdroji. Nyní nastavíme proud v cívce bez měření. Na zdroji nastavíme napětí 1,5 V a sepneme spínač. Nastavíme proud 2 A jemným dostavením napětí a spínač vypneme. Spustíme měření, pak sepneme spínač, a jakmile se výchylka siloměru uklidní, spínač vypneme. Měření opakujeme pro proudy 4 A, 6 A, 8 A a 10 A, každý výsledek měření uložíme. Před měřením nastavíme proud cívkou o něco větší, než požadujeme, protože při měření se cívka otepluje a proud mírně klesá. Jakmile proud klesne na požadovanou hodnotu, spínač vypneme. Měření a nastavení proudu provádíme rychle, aby nedošlo k přehřátí cívky, a po měření necháme cívku vychladnout.

Změřenou hodnotu síly odečítáme v místě před vypnutím spínače. Hodnoty zapíšeme do tabulky. Změříme šířku magnetického obvodu, tedy délku vodiče v magnetickém poli.

Protokol

Název: Síla působící na vodič v magnetickém poli
Pomůcky:
Teorie:
Vypracování:

Průměrná magnetická indukce v mezeře a délka vodiče:

B  [T]
l  [m]

Do tabulky zapíšeme velikost síly a skutečného příslušného proudu, doplníme hodnoty síly vypočtené ze vztahu  F = 38 B I l, protože cívka má 38 závitů.

I  [A]
Fměř  [N]
Fvýp  [N]

Vyhodnocení měření:

Vyneseme do grafu závislost síly působící na svazek vodičů v magnetickém poli na proudu.
Zhodnotíme velikost změřené síly s její teoretickou hodnotou.

Výsledky

Název: Síla působící na vodič v magnetickém poli
Pomůcky:
Teorie:
Vypracování:

Změřené a vypočtené hodnoty síly:

I  [A]	2,1	4,1	6	8	10
Fměř  [N]	0,12	0,22	0,32	0,45	0,56
Fvýp  [N]	0,11	0,21	0,3	0,4	0,5

Hodnota magnetické indukce v mezeře:  B = 66 mT.
Délka vodiče:  l = 0,02 m.

Závislost síly působící na svazek vodičů v magnetickém poli na proudu:

Síla při proudu 8 A:

Webmaster: Jiří Ryzner, poslední aktualizace: 21.7.2014