Номер 22, страница 151, часть 2 - гдз по физике 8 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Глава IV. Электромагнитные явления. Параграф 24. Сила Ампера. Сила Лоренца - номер 22, страница 151.

Условие.

22. Расскажите, как используют поворот рамки с током в электроизмерительных приборах.

Решение.

Поворот рамки с током в магнитном поле является основным принципом действия электроизмерительных приборов магнитоэлектрической системы, таких как гальванометры, амперметры и вольтметры.

Принцип основан на явлении возникновения вращающего момента, действующего на проводник с током в магнитном поле. Если рамку (катушку), состоящую из $\text{N}$ витков провода, поместить в магнитное поле, то при пропускании через неё электрического тока $\text{I}$ на её стороны, перпендикулярные линиям магнитной индукции, будет действовать сила Ампера. Пара этих сил создает вращающий момент $M_{вр}$, который стремится повернуть рамку. Величина этого момента определяется формулой:

$M_{вр} = NIBS \sin(\alpha)$

где $\text{B}$ – индукция магнитного поля, $\text{S}$ – площадь рамки, а $\alpha$ – угол между нормалью к плоскости рамки и вектором магнитной индукции.

В конструкции измерительного прибора используется постоянный магнит, полюсные наконечники которого вместе с железным сердечником внутри рамки создают радиальное магнитное поле. В таком поле линии индукции всегда перпендикулярны сторонам рамки, на которые действует сила Ампера, поэтому $\sin(\alpha) \approx 1$ и вращающий момент не зависит от угла поворота и прямо пропорционален силе тока:

$M_{вр} = NIBS$

Рамка с намотанным на неё проводом закреплена на оси и может вращаться. К оси рамки прикреплены две спиральные пружины. Они выполняют две функции: подводят ток к рамке и создают противодействующий упругий момент $M_{упр}$, который, согласно закону Гука, пропорционален углу поворота рамки $\phi$:

$M_{упр} = k\phi$

где $\text{k}$ – коэффициент упругости (жесткость) пружин.

Когда через рамку протекает измеряемый ток, она поворачивается под действием магнитного момента $M_{вр}$ до тех пор, пока он не будет уравновешен противодействующим упругим моментом пружин $M_{упр}$. В положении равновесия:

$M_{вр} = M_{упр}$

$NIBS = k\phi$

Из этого равенства следует, что угол поворота рамки $\phi$ прямо пропорционален силе тока $\text{I}$:

$\phi = \frac{NBS}{k} \cdot I$

Поскольку все величины в дроби ($N, B, S, k$) являются конструктивными константами для данного прибора, угол поворота однозначно определяет силу тока. С осью рамки жестко связана стрелка, которая перемещается по шкале, проградуированной в соответствующих единицах измерения (например, в амперах или вольтах).

Таким образом, основной измерительный механизм (гальванометр) преобразует силу тока в угол отклонения стрелки. Для создания на его основе амперметра для измерения больших токов параллельно рамке подключают резистор с малым сопротивлением (шунт). Для создания вольтметра последовательно с рамкой включают резистор с большим сопротивлением (добавочный резистор).

Ответ: Поворот рамки с током в магнитном поле используется в электроизмерительных приборах для преобразования измеряемой электрической величины в механическое отклонение стрелки. Вращающий момент от силы Ампера, действующий на рамку с током в поле постоянного магнита, пропорционален силе тока. Этот момент уравновешивается упругим моментом пружины, в результате чего угол поворота рамки и связанной с ней стрелки становится прямо пропорционален измеряемому току. Шкала прибора градуируется соответствующим образом, позволяя считывать значение тока или, при использовании дополнительных резисторов, напряжения.