Номер 60.19, страница 215 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 60. Действие магнитного поля на проводник с током и движущиеся заряды. Глава 8. Магнитные и электромагнитные явления - номер 60.19, страница 215.

60.19 [н] Объясните принцип действия измерительных приборов магнитоэлектрической и электромагнитной систем по их условным изображениям (рис. VIII-23).

Рис. VIII-23

На изображении представлены условные обозначения измерительных приборов двух различных систем: магнитоэлектрической (слева) и электромагнитной (справа). Объясним принцип их действия.

Принцип действия прибора магнитоэлектрической системы

Этот тип прибора, условно обозначенный подковообразным магнитом с рамкой внутри, работает на основе взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля катушки с током (рамки).

Основными элементами являются сильный постоянный магнит и лёгкая катушка (рамка) с намотанным на неё тонким проводом, которая может вращаться в зазоре между полюсами магнита. К катушке прикреплена стрелка-указатель.

Когда через катушку протекает измеряемый электрический ток $I$, на её стороны, находящиеся в магнитном поле, начинает действовать сила Ампера. Эти силы создают вращающий момент $M$, который поворачивает катушку со стрелкой. Величина этого момента пропорциональна силе тока, что выражается формулой:

$M = B \cdot I \cdot S \cdot N$

где $B$ – индукция магнитного поля постоянного магнита, $I$ – сила тока в рамке, $S$ – площадь рамки, $N$ – число витков в рамке.

Вращению катушки противодействует пружина, создающая упругий момент $M_{упр}$, пропорциональный углу поворота $\alpha$:

$M_{упр} = k \cdot \alpha$

где $k$ – жёсткость пружины.

Стрелка останавливается, когда вращающий момент уравновешивается упругим моментом ($M = M_{упр}$). Отсюда следует, что угол поворота стрелки прямо пропорционален силе тока:

$\alpha = \frac{B \cdot S \cdot N}{k} \cdot I$

Так как направление вращающего момента зависит от направления тока, приборы этой системы могут измерять только постоянный ток (или требуют выпрямителя для переменного тока) и определять его полярность. Они обладают высокой точностью и чувствительностью, а их шкала, как правило, равномерна.

Ответ: Принцип действия прибора магнитоэлектрической системы основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита с проводником (катушкой), по которому протекает измеряемый ток. Возникающий вращающий момент, пропорциональный силе тока, поворачивает подвижную катушку со стрелкой на угол, который уравновешивается противодействующим моментом пружины.

Принцип действия прибора электромагнитной системы

Этот тип прибора, условно обозначенный катушкой и сердечником со стрелкой, работает на основе взаимодействия магнитного поля, создаваемого неподвижной катушкой с током, и подвижного ферромагнитного сердечника.

Конструкция включает неподвижную катушку, через которую протекает измеряемый ток, и один или несколько подвижных сердечников из ферромагнитного материала, связанных со стрелкой-указателем.

Когда по катушке проходит ток, она создаёт магнитное поле. Это поле намагничивает сердечник и втягивает его внутрь катушки, стремясь занять положение, соответствующее максимальной магнитной индукции. Сила втягивания $F$ пропорциональна квадрату силы тока:

$F \propto I^2$

Это происходит потому, что и индукция магнитного поля катушки, и степень намагничивания сердечника пропорциональны силе тока $I$.

Движению сердечника противодействует пружина или сила тяжести, создавая противодействующий момент. Стрелка отклоняется на такой угол, при котором втягивающая сила уравновешивается противодействующей.

Поскольку втягивающая сила пропорциональна квадрату тока, её направление не зависит от направления тока. Поэтому приборы электромагнитной системы могут измерять как постоянный, так и переменный ток (его действующее значение). Их шкала является неравномерной (сжатой в начале). Эти приборы конструктивно проще и дешевле магнитоэлектрических, более устойчивы к перегрузкам, но обладают меньшей точностью.

Ответ: Принцип действия прибора электромагнитной системы основан на втягивании подвижного ферромагнитного сердечника в магнитное поле, создаваемое неподвижной катушкой при прохождении через неё измеряемого тока. Сила втягивания, пропорциональная квадрату тока, поворачивает стрелку на угол, который уравновешивается противодействующей силой.