Demonstrációs fizika labor

7.27. Mérőkeretre ható forgatónyomaték bemutatását szolgáló demonstrációs kísérlet állandó mágneses térben

A kísérletek célja subler.png

A mágneses indukció nagyságának meghatározása áramjárta vezetőkeretre ható forgatónyomaték mérése alapján.

Szükséges eszközök

  • Torziós inga, kis tükörrel, vizeskádas csillapítással
  • áramforrás
  • demontstrációs V/A mérő
  • vezetékek
  • tolóellenállás, 105 Ω
  • 12V váltófeszültségű lámpa, skálázott ernyővel állványon
  • különböző keresztmetszetű vezetőkeretek
  • rúdmágnesek

7.27a.PNG

A mérőeszköz használata:

A magnetométer készlethez három különböző keresztmetszetű, n = 150 menetszámú vezető keret tartozik, melyek területeinek aránya rendre 1:2:4. Ezzel a megoldással demonstrálható, hogy a homogén mágneses térbe helyezett, áram által átfolyt mérőkeretre (áramhurokra) ható forgatónyomaték arányos a mágneses térerősséggel, a keret területével, a keret áramának erősségével, illetve, hogy a kapott forgatónyomaték függ a mező indukcióvonalainak és a keret normálisának egymással bezárt szögétől. A bemutatást az egyszerűség kedvéért érdemes permanens rúdmágnesekkel végezni, melyeket kb. állandó 5 cm távolságra tartsuk a keret síkjával párhuzamosan – így a keret körüli kapott mágneses mező „elfogadható” közelítéssel homogénnek tekinthető. Természetesen a 7.25-ös kísérletben bemutatott csévetestek közé is tehető.

 

a) A mérőkeretben folyó áram erősségétől való függés vizsgálata

Leírás

Állítsuk össze az alsó ábráknak megfelelő kísérleti összeállítást. A torziós szál foglalatába helyezzük be a legnagyobb mérőkeretet. Kössük sorba egy változtatható ellenállással, valamint egy áramerősségmérővel és kapcsoljuk rájuk 4 V feszültséget. A bekapcsolt kísérleti összeállításban fokozatosan változtassuk a tolóellenállás segítségével a mérőkereten átfolyó áram erősségét. A permanens rúdmágnest – esetleg két erősen összenyomott rúdmágnest – kb. azonos helyzetben tartva figyeljük meg a fénycsík elmozdulását!


7.27b.PNG

Kísérlethez kapcsolódó kérdések

  • Készítsünk értelmező ábrát a mérőkeretre ható forgatónyomaték magyarázatához. (A mágneses mezőt tekintsük homogénnek.)

b) A mérőkeret területétől való függés vizsgálata.

Leírás

Az előző kísérletet végezzük el a két másik mérőkeret esetén is! Jegyezzük fel mindhárom esetben a tapasztalt kitérés hozzávetőleges értékét egy tetszőlegesen választott pl. 200 mA áramerősség és állandóan tartott mágnes-mérőkeret távolság esetén.

Kísérlethez kapcsolódó kérdések

  • Mit tapasztalunk, ha a mágnest a mérőkeretek normálisával párhuzamosan közelítjük az áramjárta mérőkerethez?

Módszertani kiegészítések

Ez a kísérlet technikailag nehéz, de nagyon fontos az elvégzése és megértése. Fontosságát az adja, hogy ez alapján tudunk mérési utasítást adni a mágneses tér jellemzésére. A mérőkeret nem más, mint egy magnetométer, és a mágneses indukcióvektor nagyságát a magnetométerre ható maximális forgatónyomaték és a mágneses nyomatékának hányadosaként definiálhatjuk. Hasonlóan, ahogy az elektromos térerőséget az egységnyi pozitív próbatöltésre ható erővel definiáltuk. Kísérletünkben pont a forgatónyomatékot mérjük, így a tekercs adataiból (áramerősség, menetszám, keresztmetszet) a mágneses indukcióvektor meghatározható.


7.27. Mérőkeretre ható forgatónyomaték bemutatását szolgáló demonstrációs kísérlet állandó mágneses térben

A kísérletek célja subler.png

A mágneses indukció nagyságának meghatározása áramjárta vezetőkeretre ható forgatónyomaték mérése alapján.

Szükséges eszközök

  • Torziós inga, kis tükörrel, vizeskádas csillapítással
  • áramforrás
  • demontstrációs V/A mérő
  • vezetékek
  • tolóellenállás, 105 Ω
  • 12V váltófeszültségű lámpa, skálázott ernyővel állványon
  • különböző keresztmetszetű vezetőkeretek
  • rúdmágnesek

7.27a.PNG

A mérőeszköz használata:

A magnetométer készlethez három különböző keresztmetszetű, n = 150 menetszámú vezető keret tartozik, melyek területeinek aránya rendre 1:2:4. Ezzel a megoldással demonstrálható, hogy a homogén mágneses térbe helyezett, áram által átfolyt mérőkeretre (áramhurokra) ható forgatónyomaték arányos a mágneses térerősséggel, a keret területével, a keret áramának erősségével, illetve, hogy a kapott forgatónyomaték függ a mező indukcióvonalainak és a keret normálisának egymással bezárt szögétől. A bemutatást az egyszerűség kedvéért érdemes permanens rúdmágnesekkel végezni, melyeket kb. állandó 5 cm távolságra tartsuk a keret síkjával párhuzamosan – így a keret körüli kapott mágneses mező „elfogadható” közelítéssel homogénnek tekinthető. Természetesen a 7.25-ös kísérletben bemutatott csévetestek közé is tehető.

 

a) A mérőkeretben folyó áram erősségétől való függés vizsgálata

Leírás

Állítsuk össze az alsó ábráknak megfelelő kísérleti összeállítást. A torziós szál foglalatába helyezzük be a legnagyobb mérőkeretet. Kössük sorba egy változtatható ellenállással, valamint egy áramerősségmérővel és kapcsoljuk rájuk 4 V feszültséget. A bekapcsolt kísérleti összeállításban fokozatosan változtassuk a tolóellenállás segítségével a mérőkereten átfolyó áram erősségét. A permanens rúdmágnest – esetleg két erősen összenyomott rúdmágnest – kb. azonos helyzetben tartva figyeljük meg a fénycsík elmozdulását!


7.27b.PNG

Kísérlethez kapcsolódó kérdések

  • Készítsünk értelmező ábrát a mérőkeretre ható forgatónyomaték magyarázatához. (A mágneses mezőt tekintsük homogénnek.)

b) A mérőkeret területétől való függés vizsgálata.

Leírás

Az előző kísérletet végezzük el a két másik mérőkeret esetén is! Jegyezzük fel mindhárom esetben a tapasztalt kitérés hozzávetőleges értékét egy tetszőlegesen választott pl. 200 mA áramerősség és állandóan tartott mágnes-mérőkeret távolság esetén.

Kísérlethez kapcsolódó kérdések

  • Mit tapasztalunk, ha a mágnest a mérőkeretek normálisával párhuzamosan közelítjük az áramjárta mérőkerethez?

Módszertani kiegészítések

Ez a kísérlet technikailag nehéz, de nagyon fontos az elvégzése és megértése. Fontosságát az adja, hogy ez alapján tudunk mérési utasítást adni a mágneses tér jellemzésére. A mérőkeret nem más, mint egy magnetométer, és a mágneses indukcióvektor nagyságát a magnetométerre ható maximális forgatónyomaték és a mágneses nyomatékának hányadosaként definiálhatjuk. Hasonlóan, ahogy az elektromos térerőséget az egységnyi pozitív próbatöltésre ható erővel definiáltuk. Kísérletünkben pont a forgatónyomatékot mérjük, így a tekercs adataiból (áramerősség, menetszám, keresztmetszet) a mágneses indukcióvektor meghatározható.