Номер 3.14, страница 53 - гдз по физике 11 класс сборник задач Заболотский, Комиссаров

Основы электродинамики. Глава 3. Электромагнетизм. Магнитное поле тока. Магнитная индукция - номер 3.14, страница 53.

Условие.

3.14. На рисунке 3.8 показана схема устройства гальванометра магнитоэлектрической системы. Объясните назначение основных элементов и принцип действия прибора.

Рис. 3.8

Решение.

Назначение основных элементов

Гальванометр магнитоэлектрической системы, показанный на рисунке, состоит из следующих основных элементов:

Магнит: Это постоянный, как правило, подковообразный магнит. Его назначение — создавать сильное и однородное радиальное магнитное поле в зазоре, где располагается и вращается рамка.

Рамка: Представляет собой легкую катушку, намотанную из множества витков тонкого изолированного провода. Она подвижно закреплена на оси и может свободно вращаться в магнитном поле. Через рамку пропускается измеряемый электрический ток.

Контактная пружина: Обычно используются две спиральные пружины (вверху и внизу рамки). Они выполняют две ключевые функции: во-первых, через них к рамке подводится измеряемый ток; во-вторых, они создают противодействующий упругий момент, который стремится вернуть рамку в начальное положение. Этот момент уравновешивает вращающий момент, действующий на рамку с током.

Стрелка: Это легкий указатель, жестко соединенный с рамкой. Она перемещается вдоль проградуированной шкалы, позволяя визуально определить угол поворота рамки и, соответственно, величину измеряемого тока.

Внутри рамки также обычно размещается неподвижный цилиндрический сердечник из мягкого железа. Он служит для концентрации силовых линий магнитного поля, делая его практически радиальным. Это обеспечивает линейную зависимость угла поворота от силы тока в широком диапазоне измерений.

Принцип действия прибора

Принцип действия гальванометра основан на взаимодействии проводника с током и магнитного поля (возникновении силы Ампера).

Когда измеряемый электрический ток $\text{I}$ проходит по виткам рамки, на ее стороны, находящиеся в магнитном поле с индукцией $\text{B}$, начинают действовать силы Ампера. Направления этих сил на противоположных сторонах рамки (параллельных оси вращения) противоположны. Эта пара сил создает вращающий момент $M_{А}$, который поворачивает рамку вместе с закрепленной на ней стрелкой. Величина этого момента прямо пропорциональна силе тока, индукции магнитного поля, площади рамки и числу витков: $M_{А} \propto I$.

При повороте рамки спиральные пружины закручиваются. В результате в них возникает упругий момент $M_{упр}$, который противодействует вращающему моменту. Согласно закону Гука для упругой деформации кручения, этот момент пропорционален углу поворота рамки $\phi$: $M_{упр} = k \cdot \phi$, где $\text{k}$ — коэффициент жесткости пружин (торсионный модуль).

Рамка со стрелкой будет поворачиваться до тех пор, пока вращающий момент силы Ампера не станет равным по модулю противодействующему упругому моменту пружин. В положении равновесия: $M_{А} = M_{упр}$.

Поскольку $M_{А}$ пропорционален силе тока $\text{I}$, а $M_{упр}$ пропорционален углу поворота $\phi$, то в положении равновесия угол отклонения стрелки оказывается прямо пропорциональным силе тока: $\phi \propto I$.

Это позволяет создать шкалу прибора, проградуированную непосредственно в единицах силы тока (например, в микроамперах, миллиамперах). Направление отклонения стрелки от нулевого положения зависит от направления тока в рамке.

Ответ: Принцип действия гальванометра основан на вращении рамки с током в поле постоянного магнита под действием силы Ампера. Вращающий момент, пропорциональный силе тока, уравновешивается упругим моментом пружин, которые также служат для подвода тока. В результате угол поворота рамки и связанной с ней стрелки оказывается прямо пропорциональным силе измеряемого тока.