7.26. Áramjárta tekercs belsejében kialakuló mágneses tér mennyiségi jellemzése

A kísérletek célja 

Annak megállapítása, hogy a tekercs belsejében kialakuló (homogén) mágneses mező indukciója hogyan függ a tekercs adataitól (hossz, menetszám, átmérő) és a tekercsen átfolyó áram erősségétől.

A kérdés eldöntésére négy méréssorozatot végzünk. Minden sorozatban a vizsgált mennyiségen kívül a többi mennyiséget változatlanul tartjuk. A mérésekhez a torziós inga szigetelő befogójába helyezett kis mágneses dipólt (kis rúdmágnest) használunk.

Szükséges eszközök

• torziós inga, kis tükörrel, vizeskádas csillapítással
• áramforrás
• demonstrációs V/A mérő
• vezetékek
• tolóellenállás, 13 Ω
• 12V váltófeszültségű lámpa, skálázott ernyővel állványon
• 2-2 db fehér és fekete vezetékekkel (2x 48 menet) ellátott tekercsek (ún. csévetestek) 28 cm hosszúsággal és 7 vagy 12 cm átmérővel, 2 db állvány (magnetométer-készlet)

A mérőeszköz beállítása

A torziós inga – egyebek mellett – a mágneses tér mágnesdipólra, körvezetőre gyakorolt forgatónyomatékának, egyenes vezetőre gyakorolt erőhatásának kimutatására alkalmas. Sematikus ábrája oldalt látható.

A torziós mérleg elfordulását fénymutatóval figyelhetjük meg: Ehhez a mérlegtől 0,5-1,5 méterre elhelyezett 12 V‑os lámpát helyezünk, s a torziósszálra helyezett kis tükröt úgy világítjuk meg, hogy a visszavert fény a rés-kivetítővel – azaz a lámpával – közös állványon található skálázott ernyő közepére essen. A torziós szál felső befogásánál található forgatható dob forgatásával állítsuk a dobot 0 állásba. A mérleg kitéréseit követő lengésének csillapítását a vizesedénybe merülő csillapító lapát biztosítja.

A mágneses tér hatására a fénymutató helyzete megváltozik. A mágneses tér jelenlétében ugyanis a mérődipólra (azaz a kis rúdmágnesekre a torziós szál tartójában, vagy később a torziós szálra illesztett mérőkeretre) ható forgatónyomaték miatt a szál elcsavarodik, és a fénymutató elmozdul. A torziós fej (dob) ellentétes irányú elfordításával visszaállítjuk a kezdő helyzetet, és az elfordítás szögét leolvassuk. A jelenlévő mágneses tér térerőssége ezzel a szöggel arányos.

A készlethez tartozó csévetesteken két egymástól független (egy fehér és egy fekete) egymással párhuzamosan csévélt, 48 menetes tekercs van. A nagyobb tekercsek közepén (a 24-dik menetnél) banánhüvelyes csapolás található. ezzel a megoldással lehet pl. állandó menetszám mellett a tekercs hosszát felezni, vagy állandó tekercshossz mellett a menetszámot megkettőzni.

Ha a tekercs (szolenoid) belsejében térerősséget akarunk mérni, akkor a mérődipólt – vagy a mérőkeretet – a szolenoid belsejébe kell tenni. Ez úgy történik, hogy a dipólt – vagy a keretet – két sorba kötött szolenoid közé fogjuk. A mérődipól ill. a mérőkeret síkjának normálisa – alaphelyzetben – a tekercs tengelyére merőleges legyen. Az áramot a szolenoidra – majd később az áramjárta mérőkeretre – árammérőn és megfelelő tolóellenálláson keresztül sorba kapcsoljuk. A szolenoid tekercs esetén max. 13 Ω, mérőkeret esetén max. 105 Ω ellenállású tolóellenállást használjunk!

 a) Az áramerősségtől való függés vizsgálta 

Leírás

Toljuk össze a két d = 12 cm átmérőjű csévetestet, készítsünk ezekből pl. a fehér menet felhasználásával egy L = 56 cm hosszú, N = 96 menetes tekercset. Tartsuk ezt a három mennyiséget állandónak.

Kapcsoljunk a tekercsre 5 A-re biztosított, max. 13 Ω ellenállású tolóellenálláson és árammérő műszeren keresztül 12 V egyenfeszültséget. Változtassuk a tekercs I gerjesztőáramát 0,5 A-től fél amperes lépésekben 4 A-ig. A fénymutató elmozdulásai után kompenzáljuk az elfordulást a torziós fej visszafordításával, s olvassuk le ezt a φ szöget. Az adatokat foglaljuk táblázatba és ábrázoljuk az elfordulás szögét az áramerősség függvényében. Milyen összefüggést kapunk?

Kísérlethez kapcsolódó kérdések

• Hogyan változnának a mérési eredményeink, azonos hosszúságú, de erősebb mérődipólt használtunk volna?

b) A menetszámtól való függés vizsgálata 

Leírás

Tartsuk az előző összeállítás átmérő és hosszúság adatát állandónak. A menetek átkötésével duplázzuk meg a menetszámot (N = 192) a következő ábrákon látható módon. Végezzük el az előző pontnak megfelelő mérési sorozatot.

Mérjük meg az elfordulás szögét az átfolyó áramerősség függvényében. Az eredményeket foglaljuk táblázatba, ábrázoljuk, és az előző mérési sorozat eredményeivel vessük össze.

c) A tekercs hosszától való függés vizsgálata 

Leírás

Használjuk ismét a két összetolt nagy átmérőjű tekercset. Kössük sorba ezek egyik (pl. csak fehér) menetsorát a tekercsek teljes hosszában, így N = 96, L = 56 cm lesz (ahogy az a) feladatrészben volt). A tolóellenállás segítségével állítsunk be 3 A áramerősséget és mérjük meg a szögelfordulást a szokott módon. A tekercs közép-kivezetéseit (és a fekete menetsort is) használva állítsuk be változatlan (N = 96) menetszám mellett L = 28 cm-re a tekercs hosszát: kb. kétszeres szögelfordulást kapunk. Mindkét vezeték (fehér és fekete) bekötésekor az előzőknek megfelelően járjunk el.

Ellenőrizzük méréssel a mágneses indukció és a menetszám közötti munkahipotézisként használt összefüggést.

d) A tekercs átmérőjétől való függés vizsgálata

Leírás

Az a) feladatot ismételjük meg a kisebb átmérőjű tekercsekkel. Hasonlítsuk össze a mérési eredményeket a korábbi tapasztalatokkal.

Módszertani kiegészítések

• A mérés során nagyon fontos, hogy nem a mágneses tér hatására elforduló torziós szál elfordulási szögét mérjük, hanem a fénymutató 0 pozíciójába való visszaforgatás szögét. Ez nagy különbség, hiszen a mágneses dipól, illetve a mérőkeret elfordulásával a rá ható forgatónyomaték is változik.