Установка. К установке подводятся провода от источника постоянного тока [аккумуляторы ( = 4 в), элементы ( = 3 в) или карманная батарейка]. Последовательно в цепь включается предохранительное сопротивление, например, лампочка от карманного фонаря. Источник тока и предохранительное сопротивление должны быть совершенно скрыты, так что к установке подводятся только два провода или шнур, концы которого присоединяются к двум клеммам, смонтированным на деревянной дощечке. Электромагнит с хорошо видимой обмоткой. Выключатель. Соединительные провода. Рюмка с водой. Баночка с NaCl. Ложечка. Нож.

Условие задачи. К двум клеммам, которые смонтированы на одной дощечке, подведен постоянный ток.

Присоедините к этим клеммам (через выключатель) электромагнит и определите, какой его полюс – южный, а какой – северный? Пользоваться при этом можно только тем, что дается в установке. В рюмке – вода, в баночке – соль (NaCl).

Дополнения. 1. Надо ли для определения направления электрического тока выключать электромагнит из его цепи?

2. Вы можете в вашем опыте судить о направлении электрического тока по нескольким характерным признакам. Каким?

Запишите, какой конец электромагнита (левый или правый) является северным полюсом. Затем, попросив у учителя компас, проверьте, правильно ли вы определили знак полюса электромагнита.

Решение и пояснения

127. (7, 10-й кл.) В рюмку насыпается немного соли. Ее размешивают в воде, в которую опускают два очищенных от изоляции конца проводов, соединенных с клеммами, подводящими постоянный ток. С помощью электролиза определяются знаки полюсов тока (см. дополнение 2).

Направление витков в обмотке электромагнита позволяет судить о знаке его полюсов.

Дополнения (даются вместе с задачей). 1. Нет. Электролизер можно включить последовательно с электромагнитом.

2. При электролизе на одной медной проволоке обильно выделяются блестящие пузырьки газа, и поверхность проволоки не изменяет своего цвета. Эта проволока является катодом; выделяющийся газ – водород. На другой медной проволоке незаметно в течение нескольких минут выделения пузырьков газа. Поверхность проволоки покрывается буро-зеленоватым налетом. Эта проволока является анодом. На ней выделяется хлор. Через некоторое время после начала электролиза жидкость около анода окрашивается в гороховый цвет.

Ампер-витки.

Установка. Два одинаковых электромагнита, но у одного катушка из проволоки большего сечения, а у другого – из проволоки малого сечения. (Например, у первого проволока имеет диаметр 0,6 мм, а у второго 0,1 мм.). Первый электромагнит включается в цепь последовательно с реостатом переменного сопротивления, ключом и двумя клеммами, монтированными на дощечке. Эти клеммы предназначены для включения демонстрационного амперметра. Вся цепь присоединяется к двум последовательно соединенным элементам. Второй электромагнит присоединяется к последовательно соединенным четырем карманным батарейкам. В его цепь последовательно включены две клеммы, монтированные на дощечке для включения демонстрационного амперметра, и ключ. Установка первого электромагнита размещается с левой стороны стола, а второго – справой. Отдельно выставляется демонстрационный амперметр, который позволяет с помощью шунтов измерять токи порядка одного ампера и нескольких сотых ампера.

Соединительные провода. Массивная пластина железа, которую может на весу удержать правый электромагнит.

Условие задачи. Рассмотрите внимательно, чем отличается левый электромагнит от правого. Включите с помощью клемм, последовательно в цепь правого электромагнита амперметр таким образом, чтобы можно было измерять силу тока в несколько сотых долей ампера. Нажмите ключ и запишите силу тока, которую указывает амперметр. Не выключая тока, поднесите правый электромагнит к толстой железной пластине и поднимите ее над столом. Опустите электромагнит вместе с пластиной на стол и разомкните цепь, убрав руку с ключа, Повторите такой же опыт с левым электромагнитом (последовательно с ним включив амперметр и реостат), пуская ток той же силы, что и в первом опыте. Поднесите левый электромагнит к железной пластине. Вам не удастся поднять ее электромагнитом над столом. Передвигая движок реостата до тех пор, пока ток не достигнет максимума, ограниченного шкалой амперметра, снова поднесите электромагнит к железной пластине. Если ее опять не удастся отделить от стола, то, включив шунт и амперметр, продолжайте повышать силу тока, проходящего через электромагнит, до тех пор, пока он не поднимет железной пластины. Запишите, какую при этом силу тока показывает амперметр. Сличив ее с первой записью, вы увидите, что для получения той же подъемной силы правый электромагнит можно питать значительно более слабым током, чем левый. Почему?

Дополнения. 1. Допустим, что вы ответите на вопрос, поставленный в задаче, приблизительно так: „Чем больше витков мы намотаем на катушки электромагнита, тем слабее можно пропускать через них ток для получения той же самой подъемной силы электромагнита“. Вполне ли точен такой ответ?

2. Увеличивая все более и более число витков на катушках электромагнита и соответственно уменьшая силу тока, проходящего через них, мы можем получить при какой угодно самой малой силе тока любую, какую угодно большую подъемную силу электромагнита. Справедливо ли это заключение?

3. Энергия электрического тока пропорциональна силе тока. Следовательно, на основании высказанного соображения в дополнении 2, можно предположить, что величина подъемной силы электромагнита не зависит от значения питающей его энергии. Из этого следует, что работа электромагнита, совершаемая им, например, при подъеме различных грузов, не зависит от затрачиваемой на питание электромагнита энергии электрического тока. Какому закону противоречит это предположение?

4. Как можно, исходя из одной особенности, отличающей левую установку задачи от правой, показать, что для получения одной и той же подъемной силы у левого и правого электромагнита должна затрачиваться одинаковая энергия электрического тока?

5. Найдите, чему равно отношение значений силы тока, питающего левый и правый электромагнит? Чему приблизительно должно быть равно отношение напряжений тока, питающего левый и правый электромагниты?

Решение и пояснения

128. (10-й кл.) У двух электромагнитов с одинаковыми сердечниками и катушками приблизительно одинаковых размеров получаются равные подъемные силы в том случае, если значение ампер-витков одного равно значению ампер-витков другого. Очевидно, подъемная сила правого электромагнита, равная подъемной силе левого, может быть получена при меньшей силе тока, так как число витков на правом больше (см. дополнение 1).

Дополнения. 1. Нет. Ампер-витки определяются произведением силы тока на число витков, какое умещается на единице длины катушки.

2. Справедливо. Предел накладывается технологическими процессами, которые не позволяют неограниченно уменьшать диаметр изолированной проволоки.
Существенное значение при проволоках малого диаметра играет толщина изоляции.

3. Противоречит закону сохранения энергии. Само рассуждение не точно (см. дополнение 4).

4. Энергия электрического тока пропорциональна силе тока при постоянном напряжении тока или при одной и той же ЭДС источника тока. Электродвижущая сила в левой установке имеет значение около 3 в, а в правой – около 18 в. Таким образом, энергия тока, питающего левый электромагнит, равна 3I₁, а правый – 18 I₂, где I₁ – сила тока, проходящего через левый, а I₂ – через правый электромагнит.

5. Первое отношение равно  = а. Второе отношение равно  = b, где U₁ и U ₂ – соответствующие напряжения тока. Так как приблизительно I₁U₁ = I₂U₂, то а = .

О приблизительном равенстве I₁U₁ = I₂U₂ говорится потому, что определение одинаковой подъемной силы электромагнитов делается с помощью весьма примитивного и неточного приема.

Гальванометр.

Установка. Кристаллизатор. Изолированная проволока диаметром порядка 0,1 мм. Длина ее определяется следующим образом.

Намотайте приблизительно 100 витков этой проволоки вокруг кристаллизатора, как показано на рис. 25. Затем снимите ее, аккуратно сверните и положите в установку. Коробка из-под папирос с прорезанной крышкой, как показано на рис. 25. Бутылочка с водой. Намагниченное стальное перо. Сильно истощенный гальванический элемент (или нормальный, но со включенным в один полюс сопротивлением приблизительно в 250 ом, например, катушка от головного телефона). Нож. Наждачная бумага.

Условие задачи. Рассмотрите внимательно, что дано в установке. Перо намагничено. В бутылке вода.

Если вы решали задачу о постройке компаса из пера и кристаллизатора, то вы без труда построите его и в этой задаче.

Как, используя этот компас, можно превратить его в гальванометр, применив для этого изолированную проволоку и папиросную коробку в качестве подставки к гальванометру?

Примечание. Проверяя работу построенного вами гальванометра, не соединяйте его непосредственно с полюсами элемента, так как вас должен интересовать вопрос, обнаруживает ли гальванометр слабые токи. Если вы приключите один провод гальванометра к сопротивлению, которое присоединено к полюсу элемента, то сила тока в цепи будет порядка тысячных долей ампера.

Дополнения. 1. Как следует располагать плоскость витков относительно плоскости магнитного меридиана? При каком угле между ними получится наибольшая чувствительность гальванометра?

2. Как следует установить работающий гальванометр для того, чтобы любой ток, проходящий через него, совершенно не отклонял бы перышка?

3. Проверьте, какая зависимость существует между чувствительностью гальванометра и числом витков намотанной на нем проволоки?

Решение и пояснения

129. (7, 10-й кл.) Решение задачи видно из рис. 25.

Дополнения. 1. Витки надо расположить в плоскости магнитного меридиана, т. е. так, чтобы ось пера расположилась в плоскости витков. Именно в этом случае получим наибольшую чувствительность гальванометра.

2. Установить следует так, чтобы плоскость витков была нормальна к плоскости магнитного меридиана

3. При одной и той же силе тока чувствительность гальванометра убывает с уменьшением числа витков. В этом можно убедиться, смотав сначала половину витков, затем ³/₄ и т. д. Угол отклонения пера при этом уменьшается. (Для того, чтобы не изменялась сила тока, он пропускается во время наблюдений через всю проволоку.)