Загальна інформація
Застосування
Реєстрація
Силу Лоренца у фізиці частинок часто застосовують для керування напрямом руху заряджених частинок і для ідентифікації певних частинок.
Рис. 1: установка досліду
Інші відомості (1/2)
Інша інформація (1/2)
Попередні
Знання
Головна сторінка
Принцип
Попередні знання для цього досліду ви знайдете в розділі «Теорія».
Силу, яка діє на провідникову рамку зі струмом в однорідному магнітному полі (силу Лоренца), вимірюють терезами.
Рамки різного розміру по черзі підвішують на терези, і силу Лоренца визначають залежно від сили струму та густини магнітного потоку. Однорідне магнітне поле створює електромагніт. Магнітну індукцію можна змінювати струмом у котушках.
Інші відомості (2/2)
Інша інформація (2/2)
Навчання
Мета
Завдання
Мета цього досліду - дослідити силу Лоренца.
- Визначити напрям сили залежно від сили струму та напряму магнітного поля.
- Виміряти силу F залежно від струму у провідниковій рамці за сталої густини магнітного потоку B і для рамок різного розміру. Магнітну індукцію треба обчислити.
- Виміряти силу F залежно від струму в котушках для однієї провідникової рамки. У розглянутому діапазоні густина магнітного потоку H з достатньою точністю пропорційна до струму в котушках .
Теорія
У магнітному полі з густиною магнітного потоку сила (сила Лоренца) діє на рухомий носій заряду із зарядом q і швидкістю : (1)
Вектор сили перпендикулярний до площини, яку і . У цьому досліді і також перпендикулярні один до одного, тож для значень векторів справджується таке співвідношення:
(2)
Швидкість носіїв заряду (електронів) вимірюють через електричний струм у провіднику. Для q треба записати сумарний заряд електронів на ділянці провідника завдовжки l:
(3)
Отже, для сили Лоренца дістаємо таке: (4)
Оснащення
Обладнання
Налаштування та перебіг
Складання та виконання
Налаштування
Складання
Схему досліду показано на рис. 1: котушки електромагніта з'єднані послідовно і через амперметр, вимикач і мостовий випрямляч під'єднані до виходу змінної напруги блока живлення. Для перших двох частин досліду вибирають сталу напругу 12 В AC і вимірюють відповідний струм у котушках.
Провідникові рамки через дві легкі гнучкі металеві стрічки під'єднують спочатку до розподільника, а потім через амперметр до виходу постійної напруги блока живлення. Відстань між металевими стрічками має бути якомога більшою, і вони мають лише трохи провисати, щоб на них не діяли сили з боку магнітного поля.
Порядок дій
Виконання
- Спершу полюсні наконечники ставлять на електромагніти так, щоб утворився повітряний проміжок близько 4 см. Провідникову рамку з l = 25 мм підвішують на терези так, щоб її горизонтальна ділянка лежала перпендикулярно до ліній магнітного поля. Терези зрівноважують так, щоб через провідник не тік струм, а потім встановлюють струм у провіднику = 5 А. Напрям і значення сили визначають залежно від напряму струму і спостерігають при повертанні магніта навколо горизонтальної осі. Без магнітного поля спостерігають положення терезів як із протіканням струму через провідникову рамку, так і без нього.
Порядок дій (частина 2)
Виконання (частина 2)
- Полюсні наконечники ставлять на електромагніти так, щоб їхні краї були паралельні, а повітряний проміжок становив 1 см. Провідникову рамку з l = 12,5 мм підвішують на терези. Горизонтальна частина провідника проходить перпендикулярно до силових ліній і лежить - при зрівноважених терезах - посередині однорідного поля (точне налаштування гвинтом на штативі). Струм у провіднику підвищують кроками по 0,5 А поворотною ручкою на блоці живлення. Масу провідникових рамок визначають при вимкненому магнітному полі. Потім магнітне поле вмикають, вимірюють (уявно збільшену) масу m і з різниці двох виміряних значень обчислюють силу Лоренца. Так само вимірювання виконують для трьох інших провідникових рамок.
- Порядок дій по суті такий самий, як описано в пункті 2, тільки з провідниковою рамкою l = 50 мм, n = 2. Струм у провідниковій рамці становить = 5 А. Струм у котушках змінюють за допомогою поданої напруги. Із показів щоразу визначають силу Лоренца F.
Оцінювання
Опрацювання результатів
Завдання 1
Завдання 2 (1/3)
У двох вертикальних ділянках провідникової рамки електрони рухаються у протилежних напрямах, і дві сили, що діють на них, взаємно компенсуються. Тому на виміряну силу Лоренца впливає лише горизонтальна частина рамки, довжину якої l зазначено на самій рамці. Одна з рамок має два витки (n = 2), кожен із горизонтальною довжиною 50 мм. Сила Лоренца, що діє на таку рамку, точно дорівнює силі, яка діє на одиночну рамку подвійної довжини (l = 100 мм, n = 1).
Результати досліду показано на рис. 2, причому
Рис. 2: сила Лоренца F залежно від струму у провідниковій рамці. Струм у котушках = 870 мА. Параметр: довжина L
Завдання 2 (2/3)
Використовуючи відповідний параметр, значення густини магнітного потоку B можна дістати з нахилу лінії регресії на рис. 2 зі стандартним відхиленням :
| l [мм] | B [мТл] | [мТл] |
|---|---|---|
| 12.5 | 184 | 1 |
| 25 | 173 | 1 |
| 50 | 168 | 1 |
| 100 | 164 | 1 |
Мале значення стандартного відхилення показує, що виміряні значення добре лягають на пряму. Розкид знайдених значень густини магнітного потоку зумовлений полем розсіяння на краю однорідного магнітного поля, яке діє силами на горизонтальну частину підвідних провідників до рамки. Їхній вплив у коротких рамок більший, ніж у довгих, бо виміряні сили Лоренца малі.
Завдання 2 (3/3)
На рис. 3 силу Лоренца F для сталого струму побудовано залежно від довжини провідника l. Дістаємо:
Через описаний вище вплив поля розсіяння лінійна крива на рис. 3 проходить не точно через початок координат.
Рис. 3: сила Лоренца F залежно від довжини провідника l для = 5 А. Струм у котушках 870 мА.
Завдання 3
Результати досліду показано на рис. 4. Сила Лоренца F пропорційна до струму у котушках електромагніта:
Зауваження: якщо є прилад для вимірювання магнітного поля, можна виміряти густину магнітного потоку залежно від струму в котушках. Вимірювання показують, що густина магнітного потоку B і струм у котушках у розглянутому діапазоні пропорційні. Разом із результатами з рис. 4 дістаємо тому
За струму в котушках I = 870 мА густина магнітного потоку в повітряному проміжку 1 см становить B = 168 мТл, що добре узгоджується зі значеннями, обчисленими з нахилу прямих регресії на рис. 2.
Рис. 4: сила Лоренца F залежно від струму у котушках для провідникової рамки l = 100 мм.