Лабораторна робота № 4. Виготовлення та випробування електромагніту

Зміст

Підготовка до експерименту

1. Перед виконанням роботи згадайте: 1) вимоги безпеки під час роботи з електричними колами; 2) як залежить магнітна дія електромагніту від сили струму, кількості витків і наявності залізного осердя.

1. Основні вимоги безпеки під час роботи з електричними колами:

• Збирати й розбирати електричні кола дозволяється виключно за розімкненого перемикача (вимкненого джерела живлення).
• Необхідно стежити за справністю та надійністю ізоляції провідників, щільністю з’єднань на клемах.
• Заборонено торкатися відкритих струмовідних ділянок кола під напругою.
• Вмикати джерело струму можна лише після ретельної перевірки правильності складання схеми.

2. Магнітна дія електромагніту:

• посилюється зі збільшенням сили струму в обмотці ($I$);
• збільшується зі зростанням кількості витків дроту ($N$);
• значно зростає у разі внесення всередину котушки залізного осердя (феромагнітного матеріалу).

2. Визначте ціни поділок шкал амперметра та динамометра.

Ціну поділки шкали вимірювального приладу ($C$) обчислюють за формулою:
$C = \dfrac{a - b}{N}$
де $a$ і $b$ — значення двох сусідніх оцифрованих штрихів, а $N$ — число малих поділок між ними.

• Для стандартного лабораторного амперметра (з верхньою межею вимірювання $2\text{ А}$) ціна поділки становить $C = 0{,}1\text{ А}$.
• Для лабораторного динамометра (з верхньою межею вимірювання $4\text{ Н}$) ціна поділки дорівнює $C = 0{,}1\text{ Н}$.

Експеримент

4. За допомогою магнітної стрілки або компаса визначте полюси одержаного електромагніту. Опишіть, як ви це зробили.

До одного з торців увімкненого в коло електромагніту піднесли компас (або магнітну стрілку на вістрі):

• Якщо до торця електромагніту притягується північний ($N$) полюс стрілки, отже, на цьому торці утворився південний ($S$) магнітний полюс.
• Якщо торець електромагніту відштовхує північний полюс або притягує південний ($S$) полюс стрілки, цей торець є північним ($N$) магнітним полюсом.

5. 1) Використавши реостат, в обмотці електромагніту з більшим числом витків установіть силу струму спочатку $0{,}5\text{ А}$, а потім $1{,}5\text{ А}$. Порівняйте магнітну дію електромагніту за різної сили струму в обмотці.

За сили струму в обмотці $I = 1{,}5\text{ А}$ електромагніт притягує значно більше залізних ошурків (або утримує більшу вагу за показами динамометра), ніж за струму $I = 0{,}5\text{ А}$. Отже, зі збільшенням сили струму магнітна дія електромагніту посилюється.

2) Вийміть стрижень з обмотки, встановіть в обмотці силу струму $1{,}5\text{ А}$ та визначте, як наявність осердя впливає на магнітну дію електромагніту.

Коли залізне осердя вийнято, котушка зі струмом $I = 1{,}5\text{ А}$ притягує набагато менше ошурків або зовсім не утримує важкі залізні предмети. Висновок: наявність залізного осердя усередині котушки багаторазово посилює її магнітну дію.

3) Складіть коло з електромагнітом, який має менше витків. Установіть у колі струм силою $1{,}5\text{ А}$. Визначте, як зменшення числа витків впливає на магнітну дію електромагніту.

За однакової сили струму ($I = 1{,}5\text{ А}$) та наявності осердя електромагніт із меншою кількістю витків утримує менший тягар, ніж котушка з більшою кількістю витків. Отже, зменшення числа витків послаблює магнітну дію електромагніту.

Аналіз результатів експерименту

Проаналізуйте експеримент і його результати. Зробіть висновок, у якому зазначте, як залежить магнітна дія електромагніту від сили струму, кількості витків в обмотці, наявності залізного осердя.

Висновок: У процесі експерименту було встановлено, що магнітна дія електромагніту залежить від трьох ключових факторів:

1. Прямо пропорційно залежить від сили струму в колі — зі збільшенням струму ($I$) магнітне поле посилюється.
2. Збільшується зі зростанням кількості витків ($N$) у котушці.
3. Суттєво посилюється за наявності залізного (феромагнітного) осердя всередині котушки.

Творче завдання

Як можна намотати обмотку електромагніту так, щоб у разі під’єднання до нього джерела струму на обох кінцях електромагніту утворилися південні полюси?

Щоб на обох торцях електромагніту утворилися південні ($S$) полюси, обмотку слід намотати двома зустрічними частинами (наприклад, від середини осердя до його країв у взаємно протилежних напрямках: одну половину — за годинниковою стрілкою, іншу — проти).

У разі послідовного підключення до джерела струм на обох кінцях циркулюватиме так, що, згідно з правилом правої руки (правилом свердлика), вектори магнітної індукції будуть спрямовані всередину сердечника з обох торців. Це забезпечить утворення південних ($S$) полюсів на обох кінцях, а в центральній частині осердя утвориться подвійний північний ($N$) полюс.