Текст
                    Р. Г. СИГАЛОВ, X. X. КАРИМОВ,
Н. И. САМСОНОВ, Т. А. АЗИМОВ
ИНАМИЧЕСКИЕ
ЕЙСТВИЯ
МАГНИТНЫХ
ПОЛЕЙ
(ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ
ЭКСПЕРИМЕНТ ПО ФИЗИКЕ)
Пособие для преподавателей
физики
ИЗДАТЕЛЬСТВО „УКИТУВЧИ"
ТАШКЕНТ —1967


Издательство выражает благодарность авторам, внесшим свой гонорар за эту книгу в фонд помощи г. Ташкенту, пострадавшему от землетрясения 26 апреля 1966 г. е-6 Уцит, 67
ВВЕДЕНИЕ Для успешного преподавания электродинамики ее следует излагать на экспериментальной основе. Значение этого раздела физики весьма велико: явления электродинамики представляют научный интерес, они существенны и для понимания работы многочисленных технических конструкций, и для дальнейшего развития современной техники. В связи с этим уделяется значительное внимание детальному ознакомлению учащихся с основными свойствами электромагнитных взаимодействий. Для демонстрации движущих действий магнитного поля разработана специальная аппаратура, применяемая в практике преподавания. Приборы отличаются разной степенью сложности. Одни из них просты в обращении и наглядно выявляют ту или иную черту электромагнитных взаимодействий, другие сложны в применении и требуют особых предосторожностей в работе, поскольку для достижения основной цели используются очень сильные токи. Не все эксперименты, рекомендуемые в современной методической литературе, можно считать удачными. Так, например, для создания скользящих контактов в ряде приборов (особенно предназначенных для демонстрации в вузах) надо применять ртуть, пары которой ядовиты; ртуть, пролитая даже в небольших количествах, заражает помещения и становится источником постоянного отравления. Для показа различных сторон взаимодействий преподавателю приходится пользоваться многими приборами, часть из которых требует существенной затраты времени на налаживание. В данном учебном пособии для демонстрации электродинамических сил предлагается универсальная установка, описанная в главах I, II, III. Она состоит %
из набора подвижных проволочных фигур, систем подвижных проводящих контуров и магнитов, устройства для питания перемещающихся проводников электрическим током. В соответствии с требованиями техники безопасности ртуть в скользящих контактах здесь не употребляется. Эта установка заменяет большое число приборов, она проста в обращении, и опыты на ней успешно проводятся при сравнительно малых силах тока (в большинстве случаев сила тока, потребляемая рекомендуемым прибором, в 10—20 раз меньше силы тока, необходимого для работы с другой аппаратурой). Например,, опыты, с взаимодействием взаимно перпендикулярных токов на этой установке получаются при силе тока в 1—2 а, непрерывное вращение магнита вокруг тока легко достигается при силе тока 0,5 а. JHa предлагаемой установке, налаживание которой очень несложно и не требует затраты значительного времени, можно демонстрировать все основные эксперименты по выявлению поведения электродинамических систем в магнитных полях различной структуры [1—26], включенные в программу как средней школы, так и вузов, и многочисленные новые опыты. Во второй главе рекомендуются эксперименты для средней школы. Приводимые в методической литературе опыты, которые раньше не демонстрировались в школах из-за отсутствия приборов или больших технических трудностей, теперь оказываются практически доступными для любого учебного заведения. Установка для них (основной или упрощенный вариант) может быть изготовлена учителем или учениками старших классов под его руководством. В приложении предлагается также вариант установки для заводского изготовления. В третьей главе дано описание экспериментов для вузов. Кроме опытов, указанных в методической и учебной литературе для высших учебных заведений, предложены новые, раскрывающие такие частности магнитных взаимодействий, на которые до настоящего времени в учебной практике внимания не обращалось. Эти опыты, учитывающие технические возможности физических кабинетов вузов и квалификацию преподавателей, окажутся полезными при подготовке физиков, инженеров-электротехников, от которых требует- 4
ся углубленное понимание магнитных взаимодействий. Некоторые из выполненных экспериментов еще не были описаны в научной и методической литературе. В последних двух параграфах (гл. IV) рассказывается о демонстрациях явлений, для наблюдения которых необходимы приборы особых конструкций, отличающихся от универсальной установки, использованной во всех предыдущих экспериментах. Успех демонстраций опытов и быстрота их выполнения будут зависеть от точности соблюдения указанных в пособии рекомендаций по постановке опытов (о размерах частей приборов, способах подвешивания подвижных проводников, выборе раствора, силе тока).
ГЛАВА I УНИВЕРСАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПОДАЧИ ТОКА К ПОДВИЖНЫМ ПРОВОДНИКАМ § 1. ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ ВАННА; ШТАТИВ И ПРИСПОСОБЛЕНИЕ ДЛЯ ПОДВЕСА На рис. 1 а приведена схема прибора1, применяемого для питания электрическим током подвижных проволочных фигур. Устройство изоляции и крепления показаны на рис. 1 б. Для изоляции используют текстолит или другой подходящий материал. Просверленные изолирующие цилиндры ;запрессованы в медную трубку. На рис. 1 а показано первое основное положение прибора; на рис. 2—второе основное положение: медный стержень вместе с чашечкой поднят на высоту 20 см и закреплен. Ток от источника следует подводить к стержню и трубке по свитому шнуру. Способ подводки тока к прибору и симметрия установки исключают возможность искажающих воздействий со стороны поля токов, протекающих в неподвижных проводниках, на подвижные проводники. В некоторых опытах целесообразно пользоваться желобом глубиной 20 мм, шириной 20 мм и внутренним радиусом 33 мм. Устройство желоба (в данном случае медного) и подробности его крепления на медном пруте можно видеть на рис. 3 а и 3 б. Прут этот изолирован от держателя желоба резиновой трубкой, разрезанной продольно. К середине дна желоба в двух диаметрально противоположных точках припаяны клеммы. 1 Размеры на всех рисунках указаны, в мм, б
3 о Ч/^ а а Рис. 1. / — пластмассовыйТконический (или цилиндрический) сосуд диаметром 200 мм и высотой 5 мм (размеры сосуда можно увеличить); 2 — медная трубка, проходящая через центр дна сосуда. Длина трубки 250 мм, диаметр 40 мм., толщина стенок 3 мм; 3 — медная чашечка высотой 30 мм, диаметром (внутренним) 24 мм и толщиной стенок 2 мм; 4 — медный цилиндрический стержень диаметром 8 мм и длиной 500 мм. Чашечка 3 припаяна к стержню 4; б и 6—клеммы. В сосуд [1, чашечкул/3 (рис. 1 а) и в желоб наливают насыщенный раствор CuS04. В него опускают медные электроды подвижных проволочных фигур. Раствор и материал электродов подобраны на основании многочисленных экспериментов. Для налаживания установки удобно воспользоваться специальным столиком, штативом и приспособлением -для подве-, шивания на нитях подвижных проводников. / — изолятор; 2 — медное[кольцо, припаянное к трубке; 3—дно сосуда; 4—резиновые шайбы;" 5 — медная шайба; б —медная гайка; 7 — изолирующая пробка; 8 — стопорный винт. D П \ Рис. 2. 447
Столик и штатив изготовляются из дерева по размерам, указанным на рис. 4 а. Положение сосуда с электролитом в горизонтальной плоскости регулируют перемещением над круглым отверстием, прорезанным в центре крышки столика. - К столику прилагается деревянный I | f I P съемный штатив. Нижний горизонтальный брусок штатива вводится в про- ЕПТр а а \ Рис. 3 а. Рис. 3 б. резь и в гнездо, расположенные под крышкой столика (рис. 4 а и б). С этим бруском жестко связана вертикальная деревянная стойка, верхний конец которой соединен с горизонтальной рейкой. Все крепления должны быть выполнены посредством деревянных шипов, шпилек, клея (недопустимо применение железных гвоздей, скобок). На конце верхней рейки штатива имеется приспособление для подвешивания на нитях подвижных проволочных фигур и плавной регулировки высоты точки подвеса (рис. 5 а и б). Оно должно быть изготовлено из материала, не содержащего железа, например меди, бронзы или латуни. Гайка / жестко скреплена со штативом. При повороте винта 2, проходящего через вертикальный канал в штативе, поднимается или опускается крючок 3, скрепленный с металлической пластиной 4 (скобка 6 припаяна к пластине 4). Шпиль- 8
проволочные петельки. Верхний конец нити прикрепляют к проволочной петельке, нижний привязывают к крючку. Крючку придают такую форму, чтобы после подвешивания подвижного проводника к штативу нить подвеса, центр нижней петельки, проводник, припаянный к цилиндрическому электроду, и ось этого элекгро- 4 '® JL метамичесш пробо- пока с резьбой на конце припаянная гайка %С^ Кмотамимская ппастина ®1 меташиеская дужка с крючком, 3 Хкоторая прапаибается к мас- \тине * Рис. 5 б. Р Рис. 6 а. Рис. 6 о.
да были расположены на одной вертикальной линии (рис. 6 а и б). Соблюдение последнего требования обязательно. Центральные части проволочных фигур, демонстрируемых по схеме, представленной на рис. 6 а, должны обладать одинаковой высотой. Тогда можно будет, не меняя нити подвеса, показывать большое число подвижных контуров. По той же причине должны иметь одинаковую высоту и проволочные фигуры, подобные изображенной на рис. 6 б. Во время опыта необходимо пользоваться чистым (профильтрованным) раствором электролита. Поверх* ность раствора надо время от времени очищать от пыли, проводя по ней листом бумаги. С помощью резинового сифона можно быстро и аккуратно заполнять Рис. 7 а. Рис. 7 б. пластмассовый сосуд раствором электролита. Так же надо поступать при обратном переливании раствора. При отсасывании воздуха из резиновой трубки для пуска сифона в ход, а также при наполнении чашечки прибора раствором и удалении его удобно пользоваться резиновой грушей. Чтобы не допустить перегрева жидкости, меняют раствор в чашечке после каждого опыта. При переливании раствора требуется соблюдать осторожность и не заливать изолирующий слой, находящийся между медной трубкой и чашечкой. В том случае, если в какой-либо школе по техническим причинам или из-за недостатка материалов окажется невозможным построить прибор, описанный выше в этой главе, можно воспользоваться упрощенным вариантом. II
Берут сосуд из диэлектрика (стеклянный, пластмассовый), например кристаллизатор (рис. 7аи7б). В середине этого сосуда устанавливают стеклянный, пластмассовый или фарфоровый стаканчик малого диаметра C0—40 мм). Для устойчивости стаканчик приклеивают ко дну внешнего сосуда. Помещают два цилиндрических медных электрода внутри сосудов: один — вблизи внутренней поверхности стаканчика, другой— вблизи его внешней пове-рхности. Эти электроды можно свернуть из листовой меди или изготовить из отрезков медных труб. К электродам припаивают проводники, по которым будет проводиться ток от источника по свитому шнуру. Протягивая этот шнур, как показано на рис. 7 а, можно демонстрировать повороты подвижных проволочных фигур на большие углы, не достигающие, однако, 360°. Непрерывное вращение наблюдается при наличии шнура, уложенного внутри внешнего сосуда Q DD^ D lEOi F Рис. 8 а. Рис. 8 о. Рис. 8 в. прибора, с изоляцией, непроницаемой для жидкостей (рис. 8 а). В стаканчик и внешний сосуд наливают раствор CuS04, который образует скользящие контакты с электродами проволочных подвижных фигур. Для некоторых опытов требуется металлическая чашечка, поднятая над внешним сосудом. В упрощенном варианте прибора можно применять такое приспособление: к медному пруту / длиной 200 мм припаивают медную чашечку 2 высотой 30 мм, диаметром (внутренним) 20 мм и крестовину 3 из тонких, изогнутых на концах полос латуни (рис. 8 б). Назначение крестовины — осуществление проводящего контакта с медным цилиндром, находящимся внутри стаканчика (рис. 7 а и 8 а). 12
Для придания вертикального направления стержню / и для его устойчивости в собранном приборе используются картонные диски 4. В собранном приборе стержень / находится внутри стаканчика (рис. 8 в). В упрощенной установке нити подвеса можно присоединять к концу толстой алюминиевой проволоки, прикрученной к деревянному штативу. Изгибая эту проволоку, достигают желательной высоты положения демонстрируемого подвижного проводящего контура.
Г Л А В А II ОПЫТЫ ПО ЭЛЕКТРОДИНАМИКЕ ДЛЯ СРЕДНЕЙ ШКОЛЫ § 2. ДВИЖЕНИЯ ПРЯМОГО ПРОВОДНИКА, ОБТЕКАЕМОГО ТОКОМ, СОВЕРШАЮЩИЕСЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПОЛЕЙ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО И АНТИПАРАЛЛЕЛЬНОГО ТОКОВ, МАГНИТОВ, МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ Подвижные проводящие контуры, если они не состоят из нескольких витков, удобно изготовлять из алюминиевой проволоки диаметром 1,5-—2 мм. Это обеспечивает достаточную жесткость проволочных фигур при их малом весе. Для многовитковых подвешиваемых цепей тока более подходит тонкая медная эмалированная проволока, укрепленная на алюминиевом каркасе. Электроды делают из меди. Центральный электрод представляет собой цилиндрик из толстой проволоки диаметром 5 мм, высотой 20 мм, опущенный в чашечку с раствором электролита. Если соблюдать указанные размеры этого электрода и чашечки (рис. 1 б), то будут обеспечены возможность пропускания тока рекомендуемой силы и достаточная подвижность электрода. Боковые электроды чаще представляют собой прямоугольные пластинки высотой 10 мм, шириной 20 мм, толщиной 1 мм. Они осуществляют скользящие контакты с раствором электролита во внешнем сосуде прибора. Электроды соединяют с подвижными проволочными фигурами посредством медной проволоки диаметром 0,5 мм. Эту проволоку припаивают к электроду и прикручивают к подвижному алюминиевому проводнику. При припаивании проволоки необходимо соблюдать симметрию, показанную на рис. 9 б. К каждому подвижному контуру, как и раньше, прикручивается проволочная петелька для подвешивания. В первой группе опытов демонстрируется движение токонесущего прямого проводника в различных магнитных полях. Употребляемый для этой цели подвижной 14
проводящий контур изображен на рис, 9 а. Данный контур изготовлен из двух связанных друг с другом алюминиевых проволок / и 2 разной длины. Между этими проволоками не имеется непосредственного проводящего контакта. К ним присоединены цилиндрический электрод 3, электроды-пластинки 4, 5 н 6. 7 — противовес. На демонстрационном столе устанавливается столик со штативом, изображенный на рисунке 4 а, а на нем — прибор для питания током подвижных проволочных фигур (рис. 1 а) и дополнительная кювета 4 (рис 9 в) Наливают раствор электролита в пластмассовый сосуд / и чашечку 2. На капроновой нити 3 подвешивают проволочную фигуру и ведут наблюдение за ее движением. Цилиндрический электрод погружают в раствор налитый в чашечку, на глубину не менее 17 мм. Его торец должен находиться на расстоянии 2—3 мм от дна чашечки. Электроды-пластинки погружают в раст* вор электролита на глубину приблизительно 8 мм 447 15
Сначала включают переменный ток силой 3—4 а. Подвешенная проволочная фигура не движется. Токи, текущие в растворе электролита, взаимодействуют с токами в проволоках. Симметрия установки подобрана так, чтобы это взаимодействие не могло вызвать вращения вокруг нити подвеса. Например, ток, текущий через раствор в сосуде 4 (помечен пунктиром), действует своим магнитным полем на ток, текущий на участке ав алюминиевой проволоки, с силой, направленной вертикально вверх (одновременная смена направлений токов в электролите и проволоке не влияет на направление данной силы). Участок ав представляет собой выделенный прямой отрезок цепи тока. Действие сил, приложенных к нему, можно наблюдать в магнитных полях в разных случаях. Демонстрация Действие на токонесущий участок ав токов па- раллельного и антипараллельного (рис.10 и 11). Участок ав включают в цепь постоянного тока/, получаемого, например, от выпрямителя с выходным напряжением Ь V, Л * /о л /7 Й е —¦ // а. / J . в , Рис. 10. Рис. И. (У—240, и подносят к нему длинный прямой проводило которому течет постоянный ток 1г. Проводник cd удобно укрепить на жестком держателе, как показано на рисунке 12. Чтобы опыты легко получались при небольшой силе тока (порядка 1—2 а), целесообразно закрепить на держателе не один, а 20 последовательно соединенных витков проволоки (например звонковой), диаметром 0,5 ям. Участок cd получается при этом многожильным, что нисколько не уменьшает наглядности демонстрируемых взаимодействий, потому что все токи на участке cd текут в одном направлении подобно тому, как они текли, бы в одном толстом проводнике. Удобно включать проводник cd последовательно в одну цепь с про- 16
водником ав. Взаимодействия параллельных и антипараллельных токов заметны в этом приборе даже при силе тока в 0,5 а. Для подобных демонстраций с металлическими лентами и пучками металлических лент в литературе рекомендуется пользоваться токами силой от 10 до 50 а [2,6,7,21]. Движение участка ав в магнитном поле прямого магнита (рис. 13). Для этого опыта достаточен ток силой 0,5 а. Движение проводника с током в магнитном поле Земли. Включают постоянный ток силой 7=2 — 2,5 а. Наблюдается вращательное движение проводящего контура. Оно совершается под действием вертикально слагающей Ип магнитного поля Земли на участок ав прово- Рис. 12. локи (рис. 14). Направление вращения меняется на обратное при изменении направления тока. Движения наклонного проводника. Подвижной проводящий контур изготовлен в данном случае из одно- J Рис. 13. J \Яп 4. Рис. Н. в го куска алюминиевой проволоки (рис. 15 а). Проводник / удерживается в наклонном положении посредством коромысла 2; 3 и 4 — электроды, 5 — противовес. Прибор, используемый для питания подвижного проводника током, устанавливают во втором основном по^ ложении, п?и котором чашечка с раствором электроплита приподнята. На нити подвешивают наклонный проводник (рис. 15 б). С проводником / в очень на- 2—447 17
глядной форме можно повторить все опыты, которые выполнялись с горизонтально расположенным отрезком токонесущего проводника: притяжение к параллельному току, отталкивание от антипараллельного тока, движение в поле прямого магнита, движение в магнитном Рис. 15 б. Рис. 16. поле Земли. Добавляется опыт с перемещениями в поле подковообразного магнита. Сила требующегося тока такая же, как и в предыдущих опытах. Другой случай вращения участка цепи тока в магнитном поле Земли. Легко демонстрируется опыт с непрерывным вращением в магнитном поле Земли отрезка примой проволоки, подвешенной за ее середину (рис. 16). § 3. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ СИЛЫ В СИСТЕМАХ ВЗАИМНО ПЕРПЕНДИКУЛЯРНЫХ ТОКОВ Взаимодействие взаимно перпендикулярных токов можно продемонстрировать на установке, изображенной на рис. 9я. В качестве переносного проводника употребляют проводник cd, укрепленный на держате* ле (рис. 12). 18
Цепи проводников ав и cd соединяют последовательно. Располагают проводник cd перпендикулярно проводнику ав двумя способами (рис. 17 а, 17 о и 18). При силе тока в 1 — 2 а происходит перемещение проводника ав. Вектор скорости v указывает направление дви- d жения. 4 зА'З ' в Рис. 17 б. Те же явления отлично демонстрируются с наклонным проводником. Можно проделать несколько эффективных опытов с непрерывным вращением проводников, совершающимся Рис. 18. вследствие взаимодействия взаимно перпендикулярных токов. Берется установка, изображенная на рисунке 16. Подвижной проводник помещают в магнитном поле тока, протекающего в неподвижном круговом проводнике (рис. 19). Подвижной проводник начинает непрерывно вращаться. Для того чтобы опыт получался при меньшей силе тока, целесообразно вместо одного витка кругового проводника взять несколько витков, по которым токи текут в одном направлении. Витки свертывают, 2* 19
Рис. 19. Рис. 20. Рис. 21. например, из эмалирован ной медной проволоки диаметром 0,8 мм. При двадцати витках, обернутых в нескольких местах узкими полосками изоляционной ленты, катушка получается компактной и достаточно прочной. Скрепляют катушку с дугой-держателем из толстой проволоки, напри-' мер алюминиевой, покрытой изоляционной лентой, а отросток.дуги держателя—с изолирующей ручкой. Концы обмотки катушки, соединены с длинным свитым шнуром, по которому подводится ток. Получается удобный для переноски, жесткий круговой проводник (рис. 20). Диаметр круга должен быть немного больше, чем диаметр сосуда с раствором электролита. Круговой проводник и подвижной отрезок цепи тока включают последовательно. Направление вращения изменяется при смене направления тока в одном из проводников. Наклонный проводник также вращается в магнитном поле кругового тока (рис.21 и 22). В случаях, показанных на рис. 21 и 22, наклонные проводники вращаются в противоположных направлениях. 20
Опыты с непрерывными вращениями отрезков прямых проводников в магнитном поле кругового тока успешно получаются при силе тока в 1 — 2 а. При этом можно пользоваться, как и в других экспериментах, описанных выше, не только постоянным током, но и переменным. Одновременная смена направления токов в обоих проводниках не отражается на направлениях сил взаимодействия. Рис. 22. § 4. ДЕЙСТВИЕ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА КРУГОВОЙ ПРОВОДНИК И СОЛЕНОИД, ОБТЕКАЕМЫЕ ТОКОМ; ПРЯМОУГОЛЬНАЯ РАМКА. ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ ЗАМКНУТЫХ ТОКОВ МАГНИТАМ Круговой ток в магнитном поле Земли. Из куска алюминиевой проволоки сгибают круговой проводник. К участкам, подводящим к нему ток, присоединяют электроды (рис. 23). При включении постоянного тока силой 1—2 а круговой проводник перемещается под действием магнитного поля Земли, поворачиваясь подобно магнитной стрелке. Равновесие наступает, когда направление горизонтальной слагающей магнитного поля Земли и направление тока в круговом проводнике оказываются связанными правилом правого винта, как показано на рис. 24, 21
В данной установке круговой замкнутый ток осуществлен с большой стеА пенью точности, так как взаимно уравновешиваются действия магнитного поля внешнего происхождения на большую часть подвижных ,fj проводников, подводящих * ток к круговому витку. Чтобы выводы о результату тах опыта были убедительнее, на демонстрационном столе помещают небольшую магнитную стрелку. При равновесии кругового тока плоскость витка оказывается перпендикулярной оси компасной стрелки» Действие стержневого магнита на круговой ток (рис. 25). Явственно обнаруживается эквивалентность замкнутого тока магнитному листку. Последний опыт отлично получается при токе силой 0,5 а и при пользовании слабым и очень маленьким магнитом, например небольшой стрелкой, находящейся даже на значительном расстоянии от кругового тока. Подвижной проводник в магнитном поле катушки (рис. 26 а и 26 б). Опыты Эйхенвальда. Вблизи кругового витка помещают катушку меньшего диаметра, например из набора для демонстрации электромагнитной индукции. При включении тока
в катушке круговой проводник надевается на нее или соскакивает в зависимости от относительного направления токов (рис. 27). Необходимая сила тока—0,5 а. Интенсивность взаимодействия значительно увеличивается, если внутри катушки поместить железный сердечник. Рис. 27. Рис. 28. Возможно повторение опытов с проводящим витком прямоугольной формы (рис. 28). Соленоид в магнитных полях. Соленоид, изготовленный из алюминиевой проволоки (рис. 29), подвешивают в установке. Включают достоянный ток силой 2,5 а. Соленоид двигается под действием магнитного поля Земли и устанавливается подобно стрелке компаса. В поле постоян- I ных магнитов и катушек, 'обтекаемых током, он тоже ведет себя подобно магниту. В других вариантах опытов с круговым проводником и соленоидом ток можно подводить к ним обычным способом (рис, 30 и 31). Наблюдая движения одиночных витков или соленоида в магнитном поле Земли, не следует отклонять их от положения равновесия в ту или иную сторону более чем на 90°—¦ это значительно сокращает время демонстрации. Эквивалентность магниту замкнутой цепи тока. В предыдущих экспериментах было выявлено подобие рамок, обтекаемых током, и соленоида магнитным листкам и стержневому магниту. Это обнаруживается г. Рис. 29. 447 23
для цепей тока, находящихся во внешнем магнитном поле, и для некоторых цепей — источников этого поля. Эквивалентность магниту замкнутой цепи тока может ш 4L Рис. 30. Рис. 31. быть продемонстрирована дополнительно еще в таком опыте: помещают наклонный проводник в магнитные поля стержневого магнита и токонесущей катушки (рис. 32 и 33). Действия катушки и магнита ана- ft ffi\ /f^v логичны, § 5. ДИСК БАРЛОУ. ОПЫТ С ЦИЛИНДРОМ Опыт Барлоу, как известно, заключается в непрерывном вращении металлического диска в поле постоянного магнита при пропускании по нему тока определенного (неизменного относительно магнита) направления [4, 15]. На универсальной установке может быть выполнен идентичный опыт. На пучке из нескольких капроновых нитей подвешивают алюминиевый диск /. На его краях расположены восемь прямоугольных зубцов 2, отогну- 24
тых под прямым углом к плоскости диска (рис, 34 а и 34 б). Небольшой электрод 3 (медная пластинка вы- ^^ сотой 20 мм, шириной *^^ 10 мм) опущен в сосуд с раствором электролита. Провода от источника постоянного тока соединяют с центральным стержнем установки и боковым электродом 3. Вклю- -Ф120 1 Рис. 34 а. Рис. 34 ? чают ток силой 1—2 а. Он течет от чашечки к электроду 3. Над диском помещают постоянный магнит. Диск приходит в непрерывное вращение, направление которого изменяется при смене полюса магнита, подносимого к диску, или при изменении направления тока. Аналогичный опыт можно повторить с алюминиевым цилиндром (рис. 35). Делать зубцы на краях цилиндра не следует. В цилиндре должно быть прорезано окошко для проверки правильности установки центрального электрода. Опыт с цилиндром более удобен для наблюдения, чем опыт с диском. Юь .а*--"*» Рис. 35. 25
§ 6. ВРАЩЕНИЕ ТОКОНЕСУЩИХ ПРОВОДНИКОВ ВОКРУГ МАГНИТА Вращение дугообразного проводника. Устанавливают ё чашечке основного прибора медную, открытую снизу трубку с магнитом внутри. Наверху ее припаяна вторая медная чашечка. Трубка используется для того, чтобы ток не протекал по магниту. Раствор CuSO*, употребляемый для создания проводящего контакта, соприкасается с нижней частью трубки. Магнит расположен выше поверхности раствора. Раствор наливают и в верхнюю чашечку. В нее опускают цилиндрический электрод, связанный с дугообразным проводником, концы которого соединены с электродами — легкими медными пластинками (рис. 36). Включают установку в цепь постоянного тока силой 1—2 а. Дугообразный проводник, подвешенный на капроновой нити, приходит в непрерывное вращение. Его направление зависит от направления тока. Вращение разветвленного участка цепи тока. Берут пару магнитов, которые в процессе опыта остаются неподвижными. К ним на капроновой нити подвешивают подвижной проводник, о котором шла речь в описании опытов с движениями в магнитном поле Земли Рис. 36. Рис/ 37. Рис. 38. 26
(рис. 16). Электроды, соединенные с этим проводником, погружают в раствор электролита, налитый в резервуары основной установки. При пропускании постоянного тока по подвижному проводнику он вращается (рис, 37). Движение раствора электролита. Можно заставить вращаться раствор электролита в магнитном поле постоянного магнита. Для этого устанавливают сильный магнит в чашечку основной установки. Ток пропускают от трубки / к кольцевому электроду 2, погруженному в жидкость на небольшую глубину B—3 см). Электролит приходит во вращение под действием магнитного поля .магнита. Направление вращения зависит от того, какой полюс магнита находится внизу, и от направления тока в растворе. Ф ^ ^N Рис. 39 а. Рис. 39 б. На рис, 38 показана схема опыта. Чтобы сделать движение электролита заметным для аудитории, опускают в раствор легкий. деревянный цилиндрик $. 0$ скреплен с алюминиевой проволокой ^подвешенной на капроновой нити. Точка подвеса должна быть расположена над центром торца магнита.
Г Л А В А III НЕСКОЛЬКО ОПЫТОВ ПО ЭЛЕКТРОДИНАМИКЕ ДЛЯ ВУЗОВ § 7. ДВИЖЕНИЯ ПРОВОДНИКОВ, ОБТЕКАЕМЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ Вращение ступенчатого проводника Устанавливают прибор для питания подвижных проводников током во втором основном положении. Укрепляют на стержне изолированный от него желоб (рис. 3 а и 3 б). Присоединяют к ступенчатому проводнику, согнутому из медной эмалированной проволоки (диаметром 0,85 лш),три электрода. Средний — цилиндрический, боковые — легкие медные пластинки A0 мм X 10мм) со срезанными уголками (рис. 39 а). Подвешивают этот подвижной проводящий контур, помещая центральный электрод в чашечке, укрепленной на стержне, а нижние горизонтальные проволоки и электроды — в желобе. Наливают в чашечку и желоб раствор CuS04. При включении тока силой 3 а начинается вращение ступенчатой части цепи. Направление вращения не зависит от того, какой ток взят, постоянный или переменный. Ступенчатые проводники, изображенные на рис. 39 а и 39 б, поворачиваются в противоположных направлениях. Движение пересеченной рамки Из алюминиевого провода сгибают две рамки, пересеченные прямым проводником. Одна из рамок согнута по часовой стрелке, вторая—против (рис. 40 а и 40 б). Присоединяют к проволочному каркасу два электрода: 28
цилиндрик и прямоугольную пластинку. Нижний край электрода-пластинки должей находиться недалеко от нижней стороны рамки (на расстоянии, не превышающем 15 мм). Подвешенная в установке пересеченная рамка непрерывно вращается, когда в ней течет переменный ток силой 2,5 а (при постоянном токе она ведет себя в магнитном поле Земли подобно стрелке Рис. 40 а, У\ Рис. 40 tf. а\ Л иг » ч 1 л 1 Ш " \ 4 U А ) Рис. 40 е. Гис. г. 29
компаса). Более интенсивное вращение при меньших силах тока можно наблюдать, взяв многовйтковую рамку, например с 10-ю витками. Дополнительные витки делают из легкой тонкой проволоки, присоединяя их к алюминиевому каркасу. Двойные многовитковые рамки легко вращаются как от постоянного тока, так и от переменного. Направление вращения пары связанных рамок не зависит от направления тока (рис. 40 в и 40 г). Движение пересеченного кругового проводника В этой серии опытов подвижные проводники согнуты по окружностям и скреплены с прямыми участками цепи тока, расположенными радиально. Различные проволочные фигуры, изображенные на рис. 41 а, tf, <?, г , различаются направлением намотки витков и размещением прямых участков по радиусам или диаметран. Их можно изготовить из медной лакированной проволоки диаметром 0,5 мм. « Рис. 41 г 30
• U7^\ Медные цилиндрики / и пластинки 2 — электроды. Для того чтобы опыты удачно получались при сравнительно слабых токах порядка 2 а, берут вместо одного кругового витка 10 витков, скрепляя их в нескольких участках узкими полосками изоляционной ленты (эксперимент с одиночным круговым проводником требует силы тока 7 — 8 а). Устанавливают прибор для питания подвижных контуров в первом основном положении (рис. 1 а). Наливают в сосуды раствор электролита и подвешивают поочередно подвижные контуры. Включенные в цепь постоянного или переменного тока они приходят в непрерывное вращение, направление которого помечено на рисунках. Движение^ С-о б р а з- ного провод'ника Выгибают из алюминиевой проволоки фигуру, имеющую форму двух полуокружностей, соединенных с одной стороны прямым проводником / (рис. 42 а), и располагают ее в горизонтальной плоскости. Используя скользящие контакты с применением раствора электролита, ^пропускают ток по этой проволоке. Ток, текущий в растворе электролита между концами проволочного контура, имеет (в среднем) направление, помеченное пунктиром. Проволочная фигура вращается вокруг центра Ог как указано искривленной стрелкой. Схема осуществления опыта дана подробнее на рис. 42 б, где /, 2 — полуокружности, 3, 4 —проволоки, по которым подводится ток к С-образному проводнику (между этими проволоками нет непосредственно проводящего контакта, скрепляют их связями); 5 — электрод — медный цилиндрик; 6 — медные электроды — прямоугольные пластинки. Их погружают в раствор электро- T*0J Р 6^6 iU Рис. 42. 31
лита. Ниже изображены сосуды, в которые опускают электроды. Для этого опыта требуется переменный ток силой 2 — 2,5 а. Пользоваться постоянным током нецелесообразно, так как в последнем случае явственно проявляется действие магнитного поля Земли, искажающее наблюдаемое явление. Движение связанных наклонного и кругового проводников Опыт с вращением „наклонного проводника" в магнитном поле кругового тока, описанный в § 3 (рис. 21), можно изменить следующим образом: связывают наклонный проводник с круговым. Проще всего это можно осуществить, изготовив наклонный и круговой проводники из одного куска алюминиевой проволоки (рис. 43). Присоединяют к этой подвижной фигуре цилиндрический и плоский прямоугольный электроды. Нижний край плоского электрода должен отстоять от кругового проводника на расстоянии, не превышающем 15 мм. Прибор для питания подвижной проволочной фигуры электрическим током устанавливают во втором основном положении (рис.2). Наливают в сосуды раствор CuS04 и подвешивают подвижной контур. Через него пропускают постоянный или переменный ток силой 2 — 2,5 а. Подвижная система приходит в непрерывное вращение, направление которого не зависит от направления тока. Вращение системы, состоящей из дугообразного проводника и катушки Заменяют наклонный проводник дугообразным — парой наклонных проводников. Вблизи концов дуги, на связанных с ней лапках помещают цепь кругового тока вместе с его источником (рис. 44 а). Рис. 43. 32
Выесто одного витка кругового тока удобно взять группу таких витков, например 20. В предлагаемом приборе в цепь медной проволоки /, согнутой по кругу диаметром 150 мм, включены последовательно два цилиндрических элемента 2 от батарейки для карманного фонарика. Проволока припаяна к серединам торцов источников тока (к цинку и к медным головкам, связанным с угольными стержнями). Крючочек 3 служит Рис. 44. для замыкания тока. Маловольтная лампочка 4 от карманного, фонарика является нагрузочным сопротивлением и указывает на наличие тока в цепи: по яркости ее накала можно приблизительно судить о силе тока. 5 — тонкая катушка из 20 витков эмалированной медной проволоки диаметром 0,8 мм. Она последовательно соединена с верхним круговым проводником и жестко скреплена с ним. Их центры лежат на одной оси, плоскости параллельны (рис. 44 б). В катушке течет ток порядка десятой доли ампера. Дугообразный проводник питается постоянным током силой 2 — 2,5 а и вращается вместе с лежащей на нем токонесущей катушкой, расположенной в горизонтальной плоскости. При изменении направления тока в дугообразном проводнике меняется направление вращения. Опыт может быть поставлен так, чтобы действие магнитного поля Земли препятствовало наблюдаемому движению. Для этого силовые линии магнитного поля катушки, 3—447 33
обтекаемой током, должны иметь направление, противоположное направлению вертикальной слагающей магнитного поля Земли. Вращение системы, состоящей из катушки и „звезды4* Припаивают друг к другу концы трех прямых кусков медной проволоки, располагая эти проводники в одной плоскости. Угол между каждой парой проводников равен 120°« К точке разветвления присоединяют цилиндрический медный щ|? О электрод. Свободные концы „звезды** связывают с электродами — медными прямоугольными пластинками. Проводники, соединяющие электроды со с „звездой**, должны быть 0 перпендикулярными к плоскости последней. Раз- 1—ЛУ--1 sk меРы данной подвижной 1 %? фигуры указаны на рис. 6 INs. 45 б. Y На „звезду** кладут ^j катушку, описанную вы- " ше. Присоединяют эту Рис. 45. систему к штативу на пучке из нескольких одинаково натянутых шелковых нитей (рис. 45 а). Прибор для подачи тоКа располагают в первом основном положении (рис. 1). В чашечку и в пластмассовый сосуд наливает раствор электролита и опускают в него электроды подвижной системы. При токе силой 4,5 — 5 а наблюдается вращение „звезды** и катушки. Возможен следующий вариант опыта. Подвешивают массивную катушку, содержащую 300 витков эмалированной проволоки, а к ней (над желобом и чашечкой) — прямой проводник со скользящими контактами. Нити подвеса позволяют каждому из этих объектов вращаться независимо один от другого (рис. 45 в). Витки катушки располагают в .горизонтальной плоскости. При включении токов прямой проводник поворачивается в магнитном поле катушки, а последняя остается практически неподвижной (пока нижняя нить подвеса закру- 34
чена незначительно). Если скрепить катушку и прямой проводник, то они при наличии токов вращаются как одно целое (рис- 45 г). Рис. 45 е. Рис. 45 г. Совместное вращение цилиндрического тока и охватываемого им участка прямого тока В данном эксперименте цилиндрический проводник 2 длиной 25 мм и диаметром 8 мм подвешен на капроновой нити / (рис. 46 а). Нижний конец проводника 2 опущен в чашечку Зс раствором C11SO4. Соприкасающиеся с раствором боковые поверхности стержней покрыты изолирующим лаком, а торцы зачищены. В медную чашечку 3 вложен тонкостенный цилиндрик из изолирующего материала (рис. 46 б), плотно прилегающий к поверхности чашечки. Толщина его стенок и дна, в котором вырезано круглое отверстие диаметром 8 мм, равна 1 мм. Стержни 2 и 4 и тонкий слой электролита, находящийся между ними, образуют прямой проводник. На нижней 3* 35
части стержня 2 имеется обмотка — система кольцевых проводников (рис. 46 в). Кольцевые проводники связаны друг с другом по схеме, приведенной на рис. 46 б. Обычная двухслойная (или с другим четным числом слоев) обмотка также является достаточно удачным приближенным осуществлением цилиндрического тока. Для обмотки, соединенной последовательно с жестким проводником 5, берут эмалированную медную проволоку диаметром 0,8 мм. Число витков — 60. Этот Ъ аг 7SI \5 BRU3 Рис. 46 л. и > Рис, 46 в. Рис. 46 г. проводник припаян к верхней части стержня 2 и заканчивается медным электродом б, погруженным в раствор электролита Си SO*, налитый в ванночку 7. 8—- противовес* Включают ток силой 2,5 — За. Стержень 2 и скрепленная с ним обмотка непрерывно вращаются вокруг продольной оси и прямого проводника 2 — 4. Поворачивается также проволока 5, связанная со стержнем 2. Для выполнения опыта удобно пользоваться переменным током, чтобы практически исключить искажающее воздействие магнитного поля Земли на изучаемое движение конструкции. 36
Вращение катушки, обтекаемой током,, вокруг продольной оси Наматывают на лёгком картонном каркасе (цилиндре) двухслойную катушку диаметром 45 мм, высотой 55мм. Для обмотки употребляют медный эмалированны* провод диаметром 0,8 мм. Число витков 60. Схема ввода проводников в катушку и вывода из нее изображена на рис. 47 а. К вводу, расположенному на оси катушки, припаивают цилиндрический медный электрод. Провод- Рис. 47, ник выходящий из катушки, соединяют с медным электродом — прямоугольной пластинкой, которая находится на небольшом расстоянии от средней части катушки. Располагают установку для подачи тока во втором основном положении и укрепляют на ней желоб (рис. 3 а и 3 6% Центральную чашечку и желоб прибора наполняют раствором электролита CuS04, подвешивают катушку на штативе на пучке из трех капроновых нитей и включают постоянный или переменный ток силой 2,5 а. Катушка приходит в быстрое вращение, направление которого не зависит от направления тока. Движение заметно и при токе силой в 1 а. Катушка с левовинтовой намоткой вращается против часовой стрелки, если смотреть. 37
•сверху (рис.476), катушка с правовинтовой намоткой — по часовой стрелке (рис. 47 в). В данном опыте проведен электродинамический аналог униполярного двигателя, действующая модель которого рассматривается подробнее в § 8. § 8. ДВИЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ, СОДЕРЖАЩИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТОКИ И НАМАГНИЧЕННЫЕ ТЕЛА Два случая вращательного движения магнитов в поле тока Сгибают кусок алюминиевой проволоки так, чтобы его участки / и 2 пересекались под прямым углом. С участком /- соединяют цилиндрический электрод, а с участком 2 — прямоугольный электрод- пластинку площадью 10 мм X 10 мм. д/ гер-Г* Подвешивают на алюминиевой проволоке "]г,&, ц 3 прямоугольный магнит (подвес 3 соединяют с коромыслом /). В качестве магнита берут два вплотную сложенных куска плоской магнитной стрелки (рис. 48). Подвешивают эту- систему на пучке из двух капроновых нитей над прибором для питания электрическим током. Погружают электроды в раствор электролита, налитый в резервуары прибора. Нижний полюс магнита располагают над поверхностью раствора на расстоянии 1—2 мм от нее. Включают постоянный Рис. 48. ток силой 2 а. Пусть он течет в растворе в направлении, показанном на рисунке стрелкой. Магнитное поле этого тока действует на северный полюс магнита, находящийся внизу, с силой, направленной от чертежа к нам. Под ее действием магнит перемещается. При этом движущийся электрод-пластинка переключает направление тока* Ток оказывается снова текущим под полюсом магнита. Движущее воздействие повторяется. Этот процесс осуществляется непрерывно, и магнит движется по окружности над поверхностью раствора. Заменяют в установке предыдущего эксперимента вертикально подвешенный магнит магнитом, расположенным горизонтально (рис. 49). Он ориентирован вдоль HL 38
Рис. 49. радиуса сосуда с раствором электролита и находится вблизи поверхности раствора (на расстоянии 1—2 мм). ¦ Магнитное поле тока, текущего в растворе под магнитом, стремится повернуть магнит в соответствии с правилом, найденным Эрстедом. К магниту приложена пара сил, которая поворачивает твердое тело, состоящее из магнита и скрепленных с ним подвижных проводников. Подвешенная система перемещается. Движущийся вместе с ней электрод-пластинка автоматически переключает направление тока так, что он снова оказывается текущим под магнитом параллельно его продольной оси. По этой причине осуществляется непрерывное вращение подвижной части конструкции. В данном опыте легкий и достаточно сильный магнит, располагаемый над электролитом, собран из трех прямоугольных полосок длиной 40 мм — частей старых демонстрационных магнитных стрелок. В качестве противовеса целесообразно воспользоваться подобным магнитом, состоящим из частей четырех стрелок. С помощью этого противовеса, скрепленного проволочкой с подвижной системой, можно также скомпенсировать действие магнитного поля Земли на первый магнит. Компенсация легко осуществляется подбором наклона оси противовеса к горизонтальной плоскости. Модель униполярного двигателя Если, используя скользящие контакты, подводить постоянный ток к центру торца магнита, а отводить его от боковой поверхности, то магнит приходит во вращение. Рекомендуется отводить ток от середины боковой поверхности. Для выполнения этого опыта одевают на торцы сильного стержневого магнита / металлические колпачки 2. К одному из них припаивают цилиндрический электрод, со вторым соединена петелька для подвешивания- На середину магнита надевают металлический хомутик 3, к которому припаяны проволоки 4, заканчивающиеся электродами-пластинками 5. Между хомутиком и магнитом должен иметься проводящий контакт. Для пода- 39<
чи тока употребляют установку с желобом, находящуюся во втором основном положении (рис. 3 а и 3 б). Наливают в чашечку и желоб раствор электролита. Погружают в них электроды, соединенные с магнитом, подвешенным к штативу на пучке из нескольких капроновых нитей (рис. 50 а и 50 б). Опыт получается отлично. При силе тока 1—2 а наблюдается интенсивное вращение магнита. Рис. 50 а. Рис. 50 б. Эксперимент может быть повторен и в упрощенном варианте. Устанавливают прибор для подачи тока в первом основном положении (рис. 1 а). Проволоки, соединяющие хомутик, надеваемый на магнит с плоскими электродами, берут более длинными, чем в первом варианте опыта. Подвешивают подвижную систему к штативу. Электроды опускают в раствор CuS04, налитый в сосуды. При пропускании постоянного тока магнит и скрепленные с ним проводники вращаются. Подвижной участок цепи тока в поле стержневого магнита Сильный стержневой магнит 1 и алюминиевая проволока 2 висят на капроновых нитях 3 и 4 (рис. 51 а и ,51 б). С магнитом связан указатель поворотов 5. Шпилька 6 служит для скрепления магнита с алюминиевой проволокой. К последней прикручены три тонких медных проволочки, к которым припаяны электроды: средний электрод-цилиндрик длиной 20 мм и диамет- 40
ром 5 мм; боковые электроды — прямоугольные пластинки длиной 20 мм, высотой 10 мм. Цилиндрик опущен в медную чаднечку с раствором CuS04, пластинки— в желоб & Электроды-пластинки следует полностью погрузить в налитый в желоб раствор, чтобы силы поверхностного натяжения не притягивали электроды к стенкам. Вертикальные проводники, припаянные к чашечке и к донышку желоба, присоединяют к полюсам источника постоянного тока. f f I? • Mri Рис. 51 я. Пропускают по проволоке 2 ток силой 1,5—2 а. Если эта проволока не скреплена жестко с магнитом, то она вращается в поле магнита, а последний в течение длительного времени остается практически неподвижным (рис. 51а). Затем опыт видоизменяется. Сцепляют алюминиевый проводник с магнитом, продевая шпильку через отверстия в указателе поворотов и в проволоке 2 (рис. Ъ\б). Включают ток. Магнит и алюминиевая проволока приходят в быстрое совместное вращение. Вращение магнита вокруг тока В литературе приводится описание двух опытов, интерпретируемых как движение полюса магнита вдоль силовой линии магнитного поля участка прямого тока [2, 4, 6, И, 15, 20, 21, 23, 26]. На предлагаемой установке нетрудно воспроизвести эти опыты. Л. Установка находится в первом основном положении. Подвешивают к штативу на капроновой нити, со- ?ж2 УШШШШШ»^ \б Рис. 51 б. 41
держащей несколько волокон, алюминиевое коромысло /, изготовленное из толстой проволоки,. а к коромыслу— сильный стержневой магнит 2 (рис. 52). Магнит должен быть изолирован, например, покрыт слоем иаоляционной ленты. Его опускают в раствор электролита, содержащийся в резервуаре прибора. Ток к установке подводят через медную трубку 3 и электрод — медную пластинку 4 (площадью 10мм X 20мм). При включении постоянного тока силой 2 а магнит приходит во вращение вокруг Рис, 53. Б. В вузовских курсах физики и в руководствах по демонстрационному эксперименту встречается описание прибора Фарадея, в котором магнит или пара магнитов вращаются вокруг прямого тока. Этот прибор требует тщательной отделки (закалка и полировка трущихся поверхностей), употребления ртути, больших сил тока (порядка 20 а); постановка опыта на нем сопряжена с большими трудностями. На универсальной установке аналогичный эксперимент осуществляется без каких-либо затруднений при слабых токах. Берут прибор с желобом для подачи тока к- подвижной части установки, состоящей из алюминиевого коромысла /, на котором укреплен сильный стержневой магнит 2 (рис. 53). Магнит зажат 42 Рис. 52.
в металлическом хомутике. Коромысло заканчивается на одном конце медным электродом-пластинкой 3 (высотой 10 мм, -шириной 20 мм) и крючком для противовеса 4 —- на другом. Электрод-пластинку слегка изгибают в соответствии с кривизной желоба. Присоединяют к коромыслу петельку для подвешивания и цилиндрический электрод 5. Нить подвеса—капроновая, состоящая из нескольких волокон. Наливают в чашечку и желоб i Рис. 54 а. т & \5 Рис. 54 О. Рис. 54 е. раствор электролита и погружают в него электроды. При включении постоянного тока магнит начинает вращаться вокруг стержня, по которому подается ток в чашечку. При изменении направления тока вращение меняется на обратное. Прибор отлично работает при силе тока в 1—2 а, хорошо —при 0,5 а. Вращение вокруг продольной оси неоднородно намагниченного прямого отрезка токонесущего проводника Цилиндрический проводник 2 длиной 230 мм, диаметром 8 мм подвешен на капроновой нити /. Нижняя часть этого цилиндра —сильный постоянный магнит 43
длиной 50 мм, верхняя часть — медный стержень (рис. 54 а). Неферромагнитный участок жестко скреплен с магнитом, между ними имеется хороший проводящий контакт. В целом они представляют собой прямой прут, неоднородно намагниченный в продольном направлении. Цилиндрическая форма избрана для удобства анализа опыта. Нижний торец магнита опущен в медную чашечку 3 с раствором электролита ChSO*. В нее вложена плотно прилегающая к ней тонкостенная чашечка из изолирующего материала. В дснышке последней имеется круглое отверстие диаметром 8 мм. Торец магнита зачищен, а боковая поверхность, соприкасающаяся с раствором, покрыта лаком, не проводящим электрического тока. Ток подводится к магниту по стержню 4, диаметр которого равен 8 мм. В результате этого пруты 2, 4 и тонкий слой электролита, находящийся между ними, образуют практически прямой проводник (его длину можно брать значительно большей, изменяя размеры установки). Стержень 4 проходит через изолированную от него медную трубку 8. Ток отводится от стержня 2 по медной проволоке 5, заканчивающейся электродами — медными пластинками 6 (площадью 10 мм X 20 мм). Расстояния от центра магнита до центров вертикальных участков проволоки 5, расположенных на одной горизонтальной линии, одинаковы. Проволока 5, припаянная к стержню 2, образует вместе с ним одно целое—твердое тело с осью вращения, проходящей через нить /. В сосуд 7 налит раствор электролита. Включают постоянный ток силой 2,5—3 а. Его направление показано на рисунке стрелками. Неоднородно намагниченный проводник 2 и связанная с ним проволока 5 вращаются по часовой стрелке, если смотреть на них сверху. Ориентация вектора магнитного момента магнита, расположение и форма частей проволоки 5 выбраны такими, чтобы вертикальная слагающая напряженности магнитного поля Земли препятствовала наблюдаемому вращению. Действия горизонтальной слагающей напряженности магнитного поля Земли на вертикальные участки проволоки 5 взаимно уравновешиваются. Добавляют чашечку 9 с раствором электролита (рис. 54 б). Подвешивают проволоку 5 на капроновой 44
нити. Верхние концы ее ветвей припаяны к легкий электродам, погруженным в чашечку 9. Проволока 5 теперь может легко поворачиваться. Размеры ее горизонтальных и вертикальных частей взяты такими, чтобы взаимно уравновешивались моменты сил, возникающие в магнитном поле Земли. Стержень 2 закрепляют. Включают ток — проволока 5 не вращается. Следовательно, она не подвергается в применяемой установке действию вращающих сил. Вращение подвешенного на нити неоднородно намагниченного проводника совершается и при закрепленной проволоке 5 (рис. 54 в). Итак, наблюдается вращение неоднородно намагниченного в продольном направлении участка токонесущего прямого проводника. § 9. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ СИЛЫ В ЦЕПЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, СОДЕРЖАЩИХ РЕАКТИВНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ Зависимостьвзаимодействий от свойств включенных сопротивлений По схеме, изображенной на рис. 55, собирают две цепи переменного тока. В одну цепь включен подвижной „наклонный" проводник ab, в другую — прямой проводник cd, укрепленный на держателе (рис. 12 и пояснения к нему). Включают обе цепи в сеть переменного тока силой 1,5 — 2 а. Переключатели К ставят а такие положения, чтобы ток протекал к установкам через омические сопротивления г. Проводник ав притягивается к подносимому проводнику cd или отталкивается от него в зависимости от относительного направления токов на этих участках. Посредством переключателе* К включают в цепь проводника ав конденсатор С, а в цепь erf—катушку самоиндукции L, снабженную железным сердечником и обладающую значительной ин* дуктивностью. Для получения токов силой в 1,5—2 а следует взять конденсатор или группу параллельно соединенных конденсаторов емкостью в 22—30 мкф. В качестве катушки самоиндукции можно использовать одну иа катушек (на 220 в) какого-либо крупного школьного трансформатора. Отделять ее от сердечника не нужно. 45
Перемещая ярмо сердечника, можно изменять индуктивное сопрртивление катушки и регулировать силу тока, текущего через нее* Емкость и индуктивность указаны для напряжения в сети в 220 в. При напряжении вдвое меньшем коэффициент самоиндукции катушки уменьшают в два раза, а конденсатор берут с емкостью Рис. 55. вдвое большей — тогда сохранится нужная для демонстрации сила тока. Включение конденсатора и катушки самоиндукции вызывает сдвиги фаз токов относительно напряжения. При емкостной нагрузке сила тока опережает напряжение по фазе на 90°. Если нагрузка индуктивная, то сила тока отстает от напряжения по фазе на 90°, Эти закономерности относятся к предельным случаям, когда преобладает влияние какого-либо из видов нагрузки при установившемся режиме. Вследствие сдвига фаз токов первоначальное взаимодействие проводников ав и cd меняется на противоположное, например притяжение на отталкивание. В этом опыте явственно обнаруживаются сдвиги фаз токов, вызываемые включением реактивных сопротивлений. Выводы теории подтверждаются качественно наглядной демонстрацией. 46
Взаимодействие ветвей колебательного контура Колебательный контур является одним из основных элементов радиотехнических схем и многочисленных физических приборов. Электрические колебания, происходящие в нем, заслуживают самого внимательного экспериментального изучения. С этой целью ставится опыт, демонстрирующий электрические колебания в- Рис. 56. томсоновском контуре при включении его обычным* способом в цепь переменного тока. Он поможет учащимся убедиться в наличии кольцевого переменного- тока, в возможной интенсивности его при резонансе. Собирают цепь, как указано на рис. 56. Главная часть цепи — колебательный контур, состоящий из катушка самоиндукции L = 0,5—0,2 гн и из конденсатора емкостью С =» 22-—48 мкф. Можно воспользоваться группой параллельно соединенных конденсаторов, если емкость каждого из них недостаточна. В ветви колебательного контура введены „наклонный" проводник . а& и переносный cd. Возбуждение контура производится от осветительной сети. Три амперметра позволяют следить за силой, токов на различных участках. Плавно регулируя индуктивное сопротивление передвижением я,рма трансформатора, добиваются равенства сил токов в ветвях контура. Наступает резонанс токов. 47
При этом: токи в ветвях колебательного контура являются переменными, они создаются переменным напряжением, наличие тока здесь обнаруживают лишь амперметры переменного тока; токи в ветвях колебательного контура равны по силе; эти токи направлены в противоположные стороны (ветви колебательного контура отталкиваются друг от друга, проводник ав удаляется от подносимого проводника cd)\ токи в колебательном контуре значительны по силе (при указанных величинах индуктивности и емкости они достигают трех а при напряжении 220 в), в то время как в проводниках, ведущих к электростанции, ток ничтожно мал. Он будет тем меньше, чем незначительнее омическое сопротивление катушки самоиндукции. Таким образом, в колебательном контуре возник кольцевой переменный ток, сила которого при резонансе превосходит силу тока, текущего от генератора [18]. * * * Опытами, о которых шла речь во II и III главах, не исчерпываются возможности применения универсальной установки. Может быть дополнительно продемонстрирован ряд явлений: равенство нулю векторной суммы сил взаимодействия всех частей замкнутой цепи тока произвольной формы, двух цепей тока, цепи тока и магнита; одновременное вращение в противоположных направлениях пары подвижных частей токонесущей трубки, охватывающих стержневой магнит и разделенных скользящим контактом (вращение совершается как при наличии жесткой связи магнита с одной из частей трубки, так и при отсутствии этой связи); легко наблюдаются проявления законов сохранения количества и момента количества движения в электродинамических системах различных конструкций. 48
ГЛАВА IV ЕЩЕ ДВА СЛУЧАЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВРАЩЕНИЙ § 10. ВРАЩЕНИЕ ВОКРУГ ПРОДОЛЬНОЙ ОСИ ПАРЫ СКРЕПЛЕННЫХ МАГНИТОВ С АНТИПАРАЛЛЕЛЬНЫМИ МАГНИТНЫМИ МОМЕНТАМИ, ВКЛЮЧЕННЫХ В ЦЕПЬ ПРЯМОГО ТОКА Скользящие контакты в используемой установке Эти контакты должны дать возможность небольшому участку цепи прямого тока непрерывно вращаться вокруг продольной оси,, совпадающей с центральной линией тока. Располагают прямой цилиндрический проводник (диаметром 9 мм) вертикально. Он состоит из трех частей. Длинные медные участки / и 2 неподвижны; короткий участок 3 подвижен (рис. 57). На верхний конец подвижного проводника плотно надет съемный железный колпачок 4. Для нити в середине колпачка просверлено тонкое отверстие (диаметром в 1 мм), а вдоль оси нижней части проводника /—тонкий канал того же размера. Выше проводник пересекается другим тонким каналом, перпендикулярным к оси проводника. Укрепляют на верхнем конце проводника 3 чашечку 5 из изолирующего материала и подвешивают этот проводник к проводнику /. Для этого пользуются нитью из естественного некрученого шелка (в данной установке употреблена нить из четырех волокон), так как капроновая не выдерживает нагревания до высокой температуры. Один конец нити подвеса проходит через отверстие в колпачке 4 и заканчивается узелком, расположенным в небольшой выемке в нижней части колпачка. Верхняя часть нити продета через каналы в проводнике / и привязана к винтику 6. Проводник 3 опущен в чашечку 7 из изолирующего материала, укрепленную на проводнике 2. Зазоры меж- 4—447 49
ду торцами проводников малы (приблизительно равны 2 мм). Для получения „прямого тока" боковые поверхности проводников, входящих в чашечки,- покрывают изолирующим лаком, торцы, образующие дно чашечки, зачищены. Наливают в чашечки раствор электролита C11SO4. После подачи напряжения по проводникам /, 2 и 3 и тонким, прослойкам раствора между их торцами течет практически прямой ток. Проводник 3 может Рис. 57. Рис. 58. Новые опыты с электромагнитными вращениями В этом эксперименте подвижной проводник 3 изготовляется из двух сильных стержневых цилиндрических магнитов диаметром 9 мм (диаметры магнитов равны диаметрам проводников, подводящих к ним ток). Магниты плотно входят в эбонитовую трубку 4, скрепляющую их в одну систему.' Торцы магнитов прижаты друг к другу. Между ними помещен очень тонкий слой медных мелких опилок, заполняющий все неровности торцов. 50
Магнитные моменты магнитов антипараллельны. Тонкостенный железный колпачок, насаженный на верхний магнит (рис. 57, 4), намагничиваясь, становится частью последнего. Подвешенная на нити пара магнитов, включенных в цепь тока последовательно с проводниками / и 2, показана на рис. 58 а. При пропускании постоянного тока силой 2—2,5 а подвесной участок цепи начинает быстро и непрерывно вращаться вокруг центральной линии тока. Направление вращения зависит от направления тока и от ориентировки векторов магнитных моментов. Анализ работы установки упрощается, так как цилиндрические проводники взяты одинакового диаметра и ток .является прямым. Если подвижной проводник собран из пары магнитов с антипараллельными магнитными моментами и медного цилиндрика, помещенного между ними (в данном опыте взят цилиндрик длиной 30 мм), то эта система тоже вращается, когда она пронизывается постоянным током рис. 58 б). Ампером и Фарадеем было выяснено: стержневой магнит не вращается вокруг продольной оси при включении его в цепь прямого тока посредством скользящих контактов, примыкающих к торцам [19]. § И. ПРОСТОИ ВАРИАНТ ОПЫТА ФАРАДЕЯ Фарадеем был выполнен опыт, в котором впервые магнит непрерывно вращался под действием магнитного поля тока. Содержание опыта, как классического, излагается в литературе по истории физики и в учебных руководствах по курсу электричества [3, 11, 15, 20]. В приборе Фарадея (рис. 59) ток течет по вертикальному проводнику /, проходит через ртуть 3 в сосуде 4 и отводится по проводнику 2. Нижний конец магнита привязан к проводнику 2, верхний — расположен вблизи проводника / в сравнительно сильном магнитном поле тока, текущего по этому проводнику. Под дейст- Рис, 59. 4* 51
вием магнитного поля тока магнит вращается, при этом один из его полюсов неизменно находится на оси тока, второй — движется вокруг проводника /. Несмотря на популярность данного опыта, его обычно не воспроизводят на лекциях, так как установка не обладает наглядностью, необходимой для демонстрации, и, кроме того, в учебных заведениях стараются по возможности избегать применения ртути, пары которой ядовиты. В предлагаемом варианте опыта полностью сохранена основная идея классического эксперимента и используется установка, не требующая употребления ртути и обладающая достаточной наглядностью. / я *ЕГ Рис. 60. Два медных проводника 1 и 2 входят в стеклянный сосуд 3 (рис 60 а). Его можно изготовить из большой бутыли, отрезав дно. Проводник / закреплен в деревянном штативе, проводник 2 — в резийовой пробке. К проводнику / на нити из четырех некрученых волокон естественного шелка подвешен сильный магнит 4. Способ подвеса точно такой же, какой указан на рис. 57. В проводнике / высверлены каналы, в которые продевается нить, привязываемая к винтику. На магнит насажен тонкостенный железный колпачок с малым отверстием в центре. Через это отверстие проходит второй конец нити, заканчивающийся узелком. Узелок располагают в выемке в нижней части колпачка. Колпачок, намагничиваясь, сам становится частью магнита. К железному колпачку припаивают коромысло 5, согнутое из 52
медной лакированной проволоки (рис. 60 б). Оно удерживает магнит в наклонном положении. 6—противовес* 7— дополнительный сильный магнит, который употребляют для того, чтобы подвешенная система не поворачивалась под действием магнитного поля Земли. При таком уравновешенном состоянии подвижной системы вращающие действия горизонтальных слагающих напряженности магнитного поля Земли на оба магнита (моменты сил относительно оси вращения) равны численно и противоположны по направлению. Подготовив прибор к работе, наливают в сосуд 3 раствор медного купороса ChS04. Включают постоянный ток силой 2—2,5 а. Магнит 4 приходит во вращение. Его нижний полюс движется по силовой линии магнитного поля тока (опыт получается также, если вместо магнитов 4 и 7 взять по четыре сложенных вме-, сте полоски от длинных демонстрационных магнитных стрелок). Для лучшей видимости движения магнита используют метод подсвета. Опыт Фарадея (в предлагаемом варианте) можно демонстрировать на вечерах, посвященных истории физики. Приложение Конструкция одного из приборов для питания подви жныхпроводников электрическим током Можно рекомендовать для заводского изготовления конструкцию, позволяющую рационально осуществлять питание подвижных контуров электрическим током* Подробности устройства и размеры частей прибора даны на рис. 61: ) /— пластмассовый конический (или цилиндрический) сосуд; 2 — внутренняя цилиндрическая стенка; 3 — кольцевой уступ, на который опираются^медные чашечки 4 и 6. (При постройке прибора своими силами в физическом кабинете резервуар с внутренней цилиндрической стенкой и уступом нетрудно склеить из двух пластмассовых сосудов, сделав в них соответствующие вырезы). Чашечка 4 имеет в середине дна круглый вырез и припаяна к медной-трубке 7. Сверху ча- 53
шечка 4 заканчивается кольцевым выступом 5 с винтовой резьбой на внешней боковой поверхности. Чашечка 6 навинчивается на медный стержень 5. Между проводниками 4 и 6 имеется изолирующая прокладка — пластмассовый стаканчик 9 с круглым вырезом в середине дна. Он впрессован в цилиндр 4. Чашечку 6 можно поднимать, перемещая стержень S, Рис. 61. который проходит через изолирующие пробки 10, запрессованные в трубку 7. Стопорный винт // позволяет закреплять поднятый стержень на требующемся уровне (рис. 1 а и 2). На выступе 5 навинчено медное кольцо 12. Чашечка 6 и кольцо 12 являются электродами электролитической ванны. Каждый раз по окончании работы с прибором следует протирать досуха резьбу кольца и выступа. Шнур от источника тока присоединяется к клеммам 13л 54
На рис. 62 и 63 наглядно показаны отдельные части конструкции. В число деталей конструкции входит также желоб, который можно укреплять на стержне 8 (рис. 3 а и 3 б). ут*л&Ш51 Рис. 63. При умеренной нагрузке прибор служит годами для лекционных демонстраций, а после износа электродов они могут быть легко заменены запасными частями. Это делает прибор практически „вечным" и пригодным для массового изготовления. 55
ЛИТЕРАТУРА 1. Ампер А. М. Электродинамика. М., Изд-во АН СССР, 1954. 2. Беженцев М. В. Техника и методика лекционного эксперимента по курсу физики. М.—Л., ОНТИ НКТП СССР, 1938. 3. Брэгг В. Г. История электромагнетизма., М—Л., ОГИЗ Гостехиздат, 1947. 4. Г а л а н и н Д. Д., Г о р я ч к и н Е. Н., Жарков С. Н. и др. Физический эксперимент в школе. Электричество, т. IV, часть II. М., Учпедгиз, 1954. 5. Г о р я ч к и н Е. Н., Орехов В. П. Методика и техника физического эксперимента. М., „Просвещение", 1964. 6. ГрабовскийР. И. Курс физики. М., „Высшая школа", 1963. 7. Грабовский М. А., МлодзевскийА. Б., Телес- нин Р. В. и др. Лекционные демонстрации по физике. М., „Наука", 1965. 8. Гримзель Э. Курс физики. Электромагнитное поле, т. II, вып. 1. М.—Л., ОНТИ НКТП СССР, 1938. 9. Калашников С. Г. Электричество. М., „Наука", 1964. 10. Кашин Н. В. Курс физики, т. II. М.—Л., Учпедгиз, 1951. 11. Кудрявцев П. С- История физики, т. I. M., Учпедгиз, 1956. 12. Лебедев В. Электричество. Магнетизм и электротехника в их историческом развитии. М.—Л., ОНТИ НКТП СССР, 1937. 13. Перышкин А. В. Курс физики, ч. III. М., „Просвещение", 1964. 14. Поль Р. В. Учение об электричестве. М., Физматгиз, 1962. 15. Путилов К. А. Курс физики, Т.Н. М., Гостехиздат, 1954. 16. Рязанов Г. А. Лекционные опыты по теории электромагнитного поля. М.—Л., Гостехиздат, 1952. 17. С ига лов Р. Г., Шаповалова Т. И., Каримов X. X. К вопросу о взаимодействии электрических токов, текущих в твердом теле. Ферганский Госпединститут, Труды кафедры физики, Фергана, 1956. 18. Сигалов Р. Г., Шаповалова Т. И. Опыты по электродинамике. Ферганский Госпединститут, Труды кафедры физики, Фергана, 1956. 56
19. С и г а л о в Р. Г. Новые исследований Движущих сиЛ магнитного поля. Ташкент, „Наука" АН УзССР, 1955. 20. С л а с с к и й Б. И. История физики, ч. I. Изд-во Московского ун-та, 1964. 21. Те л ее нин Р. В. Лекционные демонстрации по физике. Электричество, вып. 6. М.—Л., Гостехиздат, 1952. 22. Ф а р а д е й М. Избранные работы по электричеству. М.—Л., ГОНТИ, 1939. 23. Ф р и ш С. Э., Т и м о р е в а А. В. Курс общей физики, т. И. М., Гостехиздат, 1953. 24. Ш а х м а е в Н. М. Основные демонстрации при изучении электромагнитного поля. М., Изд-во АПН РСФСР, 1960. 25. Ш а х м а е в Н. М., Каменецкий С. Е. Демонстрационные опыты по электричеству. М., Учпедгиз, 1963. 26. Штрауф Е. А. Курс физики, т. И. Л., Судпромгиз, 1963.
ОГЛАВЛЕНИЕ Стр. Введение 3 Глава 1. Универсальная установка для подачи тока к подвижным проводникам 6 § 1. Электролитическая ванна; штатив и приспособление для подвеса 6 Глава II. Опыты по электродинамике для средней школы. 14 § 2. Движения прямого проводника, обтекаемого током, совершающиеся под действием полей параллельного и антипараллельного токов, магнитов, магнитного поля Земли 14 § 3. Электродинамические силы в системах взаимно перпендикулярных токов 18 § 4. Действие магнитных полей на круговой проводник и соленоид, обтекаемые током; прямоугольная рамка. Эквивалентность замкнутых токов магнитам 21 § 5. Диск Барлоу. Опыт с цилиндром . , . . 24 § 6. Вращение токонесущих проводников вокруг магнита . . 26 Глава III. Несколько опытов по электродинамике для вузов 28 § 7. Движения проводников, обтекаемых электрическим током 28 Вращение ступенчатого проводника. Движение пересеченной рамки. Движение пересеченного кругового проводника. Движение С-образного проводника. Движение связанных наклонного и кругового проводников. Вращение системы, состоящей из дугообразного проводника и катушки. Вращение системы, состоящей из катушки и „звезды". Совместное вращение цилиндрического тока и охватываемого им участка прямого тока. Вращение катушки, обтекаемой током, вокруг продольной оси. § 8. Движения в электродинамических системах, содержащих электрические токи и намагниченные тела 38 Два случая вращательного движения магнитов в поле тока. Модель униполярного двигателя. Подвижной уча-
сток цепи тока в поле стержневого'магнита. Вращение магнита вокруг тока. Вращение вокруг продольной оси неоднородно намагниченного прямого отрезка токонесущего проводника. ¦§ 9. Электродинамические силы в цепях переменного тока, содержащих реактивные сопротивления 45 Зависимость взаимодействий от свойств включенных сопротивлений. Взаимодействие ветвей колебательного контура. Глава IV. Еще два случая электромагнитных вращений. . 49 § 10. Вращение вокруг продольной оси пары скрепленных магнитов с антипараллельными магнитными моментами, включенных в цепь прямого тока 49 Скользящие контакты в используемой установке. Новые опыты с электромагнитными вращениями. 11. Простой вариант опыта Фарадея 51 риложенйе. Конструкция одного из приборов для питания подвижных проводников электрическим током .... 53 Литература 56 i
Сигалов Рафаил Григорьевич, Каримов Хаким Худайбердыевич, Самсонов Николай Иванович, Азимов Турсун Азимович ДИНАМИЧЕСКИЕ ДЕЙСТВИЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ (ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ПО ФИЗИКЕ) Издательство „ Укитувчи" Ташкент—1967* Редактор Г. Александрова Худож. редактор X. Ахмеджанов Тех. редактор М. Мирзаахмедов Корректор Н. Быкова Сдано в набор 17/V-1967 г. Подписано в печать 11/IX-1967 г. Бумага 84x108 1/зг. Физич. л. 1,875. Усл. печ. л. 3,15. Изд. л. 2,97. Тираж 3000. Р 03852. Издательство „Ук.итувчи", Ташкент, Навои, 30. Договор 194-66. Цена 10 к. Типография № 1 Государственного комитета Совета Министров УзССР по печати Ташкент, ул. Хамзы, 21. 1967 г. Заказ № 447.