Установка. Установка описана в задаче 129. Отличие заключается в следующем: 1) Проволока должна быть предварительно намотана на кристаллизатор и последний установлен на коробочке. 2) Вместо одного берутся два нормально действующих элемента. 3) Ключ. 4) Реостат с движком примерно на 300 ом. В установке цепь уже собрана. Последовательно включены батарея, ключ, обмотка на кристаллизаторе и реостат. Намагниченное перо лежит отдельно.

Условие задачи. Налейте из бутылки воду в кристаллизатор до половины его высоты и опустите на ее поверхность стальное намагниченное перо. (Если вы решали задачу 122 или 129, то вы уже знаете, как следует положить намагниченное перо, чтобы оно не погрузилось в воду.)

Установите витки, охватывающие кристаллизатор, в плоскости магнитного меридиана. Поставьте движок реостата на максимальное его сопротивление и замкните цепь, нажав ключ. Возникшее при этом магнитное поле отклонит ось пера на некоторый угол от плоскости меридиана. Не размыкая цепи, начните уменьшать сопротивление реостата. Перо начнет отклоняться, образуя все больший угол. При некоторой силе тока перо начнет поступательно перемещаться параллельно своей оси к тому участку стенки кристаллизатора, по которому проходят витки обмотки. Разомкните цепь. Перо вернется на середину поверхности воды и, снова повернувшись на 90°, установится в плоскости магнитного меридиана. Не изменяя сопротивления реостата, замкните цепь ключом. Перо быстро повернется на 90° и снова начнет перемещаться параллельно своей оси к стенке кристаллизатора, по которой проходят витки проволоки.

Почему возникает это боковое поступательное движение пера?

Дополнения. 1. Почему при своем поступательном движении перо подходит к вертикальной части витков всегда своей средней частью?

2. Почему перо при замыкании цепи движется то к одному вертикальному участку витков, то к противоположному?

3. Чем объяснить, что поступательное движение пера не возникает при слабых токах?

4. Возникнет ли поступательное движение пера, если перо с абсолютной точностью будет расположено в самом центре витков обмотки?

5. Как при замкнутой цепи изменится давление пера на поверхность воды, если налить воду тонким слоем на дно кристаллизатора?

6. Как изменится давление пера на поверхность воды, если ее налить до краев кристаллизатора? (Цепь установки замкнута.)

7. Какие ценные практические указания для постройки высококачественных гальванометров можно извлечь из всех проделанных вами опытов?

Решение и пояснения

130. (10-й кл.) Вращательное и поступательное движение магнита (пера) в магнитном поле происходит в том направлении, при котором увеличивается суммарная напряженность поля, складывающаяся из напряженностей внешнего поля и поля магнита. В виду того, что вращательное движение магнита в магнитном поле подробно рассматривается в курсе физики, задача 130 дается, главным образом, для анализа поступательного (бокового) движения магнита.

Напряженность магнитного поля имеет наибольшее значение около витков, наименьшее – в их центральной точке. Следовательно, магнит (перо) будет поступательно двигаться (повернувшись на 90°) от центра витков к самим виткам (см. решение задачи 119). Напряженность поля магнита (пера) имеет наибольшее значение в средней его части (наибольшая плотность линий индукции). Следовательно, магнит подойдет к виткам своей средней частью, так как именно при этом возникает наибольшее значение суммарной напряженности магнитного поля.

Так как перемещение магнита равновероятно как в сторону одной вертикальной части витков, так и в сторону противоположной, то, в случае абсолютно центрированного магнита, у него не должно возникать поступательное движение. Однако в реальных условиях, особенно после поворота магнита, он расположится несколько ближе к одной стороне, чем к другой. Этого достаточно для того, чтобы преобладающее влияние получили ближайшие к магниту вертикальные участки витков. Разница в расстоянии средней точки магнита от одной и другой стороны витков может быть весьма малой, незаметной на глаз. Вследствие этого нельзя предугадать, в каком направлении начнет двигаться поступательно перо при замыкании электрической цепи.

Дополнения. 1 и 2. Ответ дан в решении задачи.

3. Вода смачивает стенки кристаллизатора, и следовательно, ее поверхность имеет вогнутую форму. Таким образом, движение пера к стенке кристаллизатора есть движение вверх по наклонной плоскости (см. задачу 12 и ее решение). Для этого требуется определенная сила действующего на перо магнитного поля F = тН, где т – магнетизм пера и Н – напряженность магнитного поля, действующего на перо. Естественно, что при слабых токах напряженность поля Н, а следовательно, и сила F будут недостаточны для перемещения пера к вертикальной части витков, т. е. к стенкам сосуда.

4. Ответ дан в решении задачи.

5. Давление пера на поверхность воды увеличится, так как перо будет расположено значительно ближе к нижней горизонтальной части витков, чем к верхней. (Действие горизонтальных участков витков на перо по вертикали ничем не отличается от действия на него по горизонтали вертикальных его участков.)

6. Давление пера на поверхность воды уменьшится, так как перо будет расположено ближе к верхней, горизонтальной части витков, чем к нижней.

7. Все проделанные опыты приводят к заключению, насколько важно значение точного центрирования магнитной стрелки в гальванометрах, так как в противном случае возникает дополнительное и не симметричное давление, связанное с трением между стрелкой и ее осью. Это особенно существенно для тех, наиболее распространенных типов гальванометра, у которых подвижной системой является не магнит, а витки, подвешенные на тонкой проволоке. В этом случае недостаточно точное центрирование вызывает колебания подвижной системы и броски ее в вертикальной или горизонтальной плоскости. Они, конечно, очень не велики, однако, существенно снижают качество гальванометров, особенно зеркальных.