Страница 191 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. Чем объяснить, что магнитная стрелка устанавливается в данном месте Земли в определённом направлении? 2. Где находятся магнит-

1. То, что магнитная стрелка устанавливается в данном месте Земли в определённом направлении, объясняется наличием у нашей планеты собственного магнитного поля, которое называют геомагнитным полем. Землю можно представить как гигантский постоянный магнит. Магнитная стрелка компаса — это тоже небольшой, свободно вращающийся магнит. Согласно законам магнетизма, разноимённые полюса притягиваются, а одноимённые отталкиваются. Северный полюс магнитной стрелки (N) притягивается к магнитному полюсу Земли, который находится вблизи географического Северного полюса (этот полюс Земли на самом деле является её южным магнитным полюсом, S). Соответственно, южный полюс стрелки (S) указывает в сторону северного магнитного полюса Земли (N), расположенного вблизи географического Южного полюса. Таким образом, в любой точке планеты на магнитную стрелку действует вращающий момент, который ориентирует её вдоль силовых линий магнитного поля Земли.

Ответ: Магнитная стрелка устанавливается в определенном направлении, потому что она является маленьким магнитом и взаимодействует с магнитным полем Земли, ориентируясь вдоль его силовых линий.

2. Магнитные полюса Земли не совпадают с её географическими полюсами (точками, где ось вращения планеты пересекает её поверхность). Кроме того, их положение не является постоянным, они медленно дрейфуют из-за процессов, происходящих в жидком внешнем ядре планеты.

• Северный магнитный полюс — это точка, к которой указывает северный конец стрелки компаса. Он расположен в Северном Ледовитом океане, вблизи географического Северного полюса. В последние десятилетия он активно смещается от побережья Канады в сторону Сибири. С точки зрения физики, этот полюс является южным полюсом (S) земного магнита.
• Южный магнитный полюс — это точка, к которой указывает южный конец стрелки компаса. Он расположен у побережья Антарктиды, недалеко от географического Южного полюса. С точки зрения физики, этот полюс является северным полюсом (N) земного магнита.

Ответ: Магнитные полюса Земли находятся вблизи географических полюсов, но не совпадают с ними и постоянно смещаются. Северный магнитный полюс расположен в Арктике, а Южный магнитный полюс — у берегов Антарктиды.

2. Где находятся магнитные полюсы Земли?

1. Магнитная стрелка компаса представляет собой маленький постоянный магнит, свободно вращающийся на оси. Наша планета Земля также является огромным магнитом, создающим вокруг себя магнитное поле. Это поле возникает из-за конвекционных потоков расплавленного железа и никеля во внешнем ядре Земли.

Согласно законам магнетизма, разноименные полюсы магнитов притягиваются, а одноименные отталкиваются. Северный полюс магнитной стрелки (тот, что обычно окрашен в синий цвет или помечен буквой N) притягивается к южному магнитному полюсу Земли. Соответственно, южный полюс стрелки (красный, S) притягивается к северному магнитному полюсу Земли. В результате этого взаимодействия магнитная стрелка поворачивается и устанавливается вдоль силовых линий магнитного поля Земли в данной точке, указывая направление на магнитные полюсы планеты.

Ответ: Магнитная стрелка устанавливается в определённом направлении, так как она сама является магнитом и ориентируется вдоль силовых линий магнитного поля Земли, которое действует на неё.

2. Магнитные полюсы Земли не совпадают с её географическими полюсами (точками, через которые проходит ось вращения планеты). Они смещены относительно географических полюсов и постоянно дрейфуют.

• Северный магнитный полюс в настоящее время находится в Северном Ледовитом океане и продолжает смещаться от побережья Канады в сторону Сибири. Важно отметить, что с физической точки зрения этот полюс является южным (S), так как именно к нему притягивается северный полюс (N) стрелки компаса.

• Южный магнитный полюс находится у побережья Антарктиды. С физической точки зрения этот полюс является северным (N).

Таким образом, расположение магнитных полюсов является условным и определяется по поведению стрелки компаса.

Ответ: Магнитные полюсы Земли находятся вблизи её географических полюсов: северный магнитный полюс — в Арктике, а южный — в Антарктике, но их точное положение не совпадает с географическими полюсами.

3. Нет, положения магнитного, а следовательно и южного, и северного полюсов Земли, не остаются неизменными. Они находятся в постоянном движении, которое называется вековым дрейфом магнитных полюсов. Это движение вызвано сложными и не до конца изученными процессами в жидком внешнем ядре планеты.

Скорость дрейфа непостоянна. Например, в последние десятилетия скорость движения Северного магнитного полюса значительно возросла и составляет около 50-60 километров в год. Кроме векового дрейфа, в геологической истории Земли неоднократно происходили инверсии магнитного поля — полная смена полярности, когда северный и южный магнитные полюсы менялись местами. Последняя такая инверсия произошла около 780 тысяч лет назад.

Ответ: Нет, положения магнитных полюсов Земли не являются постоянными. Они постоянно смещаются (дрейфуют) из-за динамических процессов в ядре планеты.

3. Остаются ли неизменными положения южного и северного магнитных полюсов Земли?

Почему стрелка компаса в любом месте Земли устанавливается в определенном направлении?

Земля представляет собой гигантский магнит, который создает вокруг себя магнитное поле, называемое геомагнитным полем. Это поле простирается от внутреннего ядра Земли в космос. Стрелка компаса — это, по сути, маленький легкий постоянный магнит, установленный на оси так, чтобы он мог свободно вращаться в горизонтальной плоскости.

Согласно законам магнетизма, разноименные полюсы магнитов притягиваются, а одноименные — отталкиваются. Конец стрелки компаса, который мы называем северным (N), притягивается к Южному магнитному полюсу Земли. Этот Южный магнитный полюс Земли расположен вблизи географического Северного полюса. Соответственно, южный конец (S) стрелки компаса указывает в сторону Северного магнитного полюса Земли, который находится вблизи географического Южного полюса.

Таким образом, под действием сил земного магнетизма стрелка компаса поворачивается и ориентируется вдоль силовых линий магнитного поля Земли в данной точке, указывая одним концом на северный магнитный полюс, а другим — на южный.

Ответ: Стрелка компаса, будучи маленьким магнитом, взаимодействует с магнитным полем Земли и устанавливается вдоль его силовых линий, указывая направление на магнитные полюсы планеты.

Где находятся магнитные полюсы Земли?

Магнитные полюсы Земли — это условные точки на земной поверхности, где силовые линии геомагнитного поля направлены строго вертикально (под углом 90° к поверхности). Важно отметить, что их расположение не совпадает с географическими полюсами, которые определяются осью вращения планеты.

Северный магнитный полюс: это точка, в которой северный конец стрелки компаса указывает вертикально вниз. С точки зрения физики, этот полюс является «южным» (S-полюсом) земного магнита. По состоянию на начало 2020-х годов, он находится в Северном Ледовитом океане и продолжает смещаться от побережья Канады в сторону российской Сибири.

Южный магнитный полюс: это точка, где северный конец стрелки компаса указывает вертикально вверх (а южный конец, соответственно, вертикально вниз). Физически этот полюс является «северным» (N-полюсом) земного магнита. Он расположен у побережья Антарктиды, в море Дюрвиля.

Расстояние между географическими и магнитными полюсами составляет сотни километров.

Ответ: Магнитные полюсы Земли не совпадают с географическими. Северный магнитный полюс находится в Арктике, а Южный магнитный полюс — у берегов Антарктиды.

Остаются ли неизменными положения южного и северного магнитных полюсов Земли?

Нет, положения магнитных полюсов Земли не являются постоянными. Они постоянно смещаются, или, как говорят ученые, дрейфуют. Это явление называется вековой вариацией магнитного поля Земли.

Причиной этого дрейфа являются сложные гидродинамические процессы в жидком внешнем ядре Земли, состоящем в основном из расплавленного железа и никеля. Конвективные потоки этого электропроводящего вещества генерируют и поддерживают магнитное поле нашей планеты (теория геодинамо), и их нестабильность приводит к изменениям в структуре поля и, как следствие, к смещению полюсов.

Скорость дрейфа непостоянна. Например, в последние десятилетия скорость движения Северного магнитного полюса значительно возросла и составляет около 55 км в год, в то время как Южный магнитный полюс смещается медленнее. В геологическом прошлом Земли происходили и гораздо более кардинальные изменения — инверсии магнитного поля, когда северный и южный магнитные полюсы менялись местами.

Ответ: Нет, положения магнитных полюсов постоянно изменяются (дрейфуют) из-за динамических процессов в жидком ядре Земли.

Что такое магнитная буря?

Магнитная буря (или геомагнитная буря) — это сильное и быстрое возмущение магнитного поля Земли, которое длится от нескольких часов до нескольких суток.

Основной причиной магнитных бурь является взаимодействие магнитосферы Земли с возмущениями в солнечном ветре. Солнечный ветер — это постоянный поток заряженных частиц (в основном протонов и электронов), испускаемых Солнцем. Иногда на Солнце происходят мощные вспышки или корональные выбросы массы, которые приводят к резкому усилению скорости и плотности солнечного ветра. Когда такой усиленный поток достигает Земли, он с силой "ударяет" по магнитосфере, сжимая ее и передавая ей огромное количество энергии.

Это приводит к резким колебаниям геомагнитного поля, которые и называются магнитной бурей. Проявлениями магнитных бурь на Земле являются: полярные сияния, которые становятся видимыми в более низких широтах, чем обычно; сбои в работе систем радиосвязи и навигационных систем (включая GPS); возникновение индуцированных токов в длинных проводниках, что может вызывать перегрузки и аварии на линиях электропередач и трубопроводах; а также увеличение радиационной опасности для космонавтов на орбите и для экипажей самолетов на больших высотах.

Ответ: Магнитная буря — это временное сильное возмущение магнитного поля Земли, вызванное воздействием усиленного потока солнечного ветра на магнитосферу планеты.

4. Что такое магнитная аномалия? Приведите примеры, где в России наблюдаются такие области.

4. Магнитная аномалия — это область на земной поверхности, в которой наблюдается значительное отклонение магнитного поля Земли от его нормального, или среднего, значения для данной широты. Такие отклонения вызваны, как правило, неоднородностью строения земной коры, в частности, наличием крупных залежей ферромагнитных полезных ископаемых, например, железной руды. Эти залежи создают собственное сильное магнитное поле, которое накладывается на основное магнитное поле планеты, вызывая его искажение.

Самым известным и масштабным примером в России является Курская магнитная аномалия (КМА). Это крупнейший в мире железорудный бассейн, расположенный на территории Курской, Белгородской и Орловской областей. Из-за огромных запасов железистых кварцитов, залегающих близко к поверхности, магнитное поле здесь настолько сильное, что стрелка компаса может отклоняться почти на 180 градусов. Другие значительные магнитные аномалии в России наблюдаются на Урале, на Кольском полуострове и в районах Сибири, где также имеются крупные месторождения железных руд (например, Ангаро-Илимский железорудный бассейн).

Ответ: Магнитная аномалия — это локальное отклонение магнитного поля Земли от нормы, вызванное залежами ферромагнитных пород. Примеры в России: Курская магнитная аномалия (КМА), аномалии на Урале и в Сибири.

5. Появление магнитных бурь объясняется взаимодействием магнитосферы Земли с потоками заряженных частиц, идущих от Солнца, — так называемым солнечным ветром. Основной причиной возникновения сильных магнитных бурь являются мощные выбросы солнечного вещества и энергии.

Ключевые явления на Солнце, приводящие к магнитным бурям:

1. Корональные выбросы массы (КВМ): Это гигантские выбросы плазмы и магнитного поля из солнечной короны. Если такой выброс направлен в сторону Земли, он достигает нашей планеты через 1-4 дня и вызывает сильные возмущения её магнитного поля.

2. Солнечные вспышки: Мощные взрывные процессы на Солнце, сопровождающиеся выделением огромного количества энергии. Хотя основная энергия вспышки — это электромагнитное излучение, они часто сопровождаются корональными выбросами массы.

Когда поток заряженных частиц от КВМ или высокоскоростного потока солнечного ветра достигает Земли, он «сжимает» магнитосферу со стороны, обращенной к Солнцу, и растягивает ее с ночной стороны. Если магнитное поле, которое несет с собой солнечный ветер (межпланетное магнитное поле), имеет южную направленность (противоположную направлению магнитного поля Земли на дневной стороне), происходит процесс магнитного перезамыкания. В результате этого процесса энергия солнечного ветра эффективно передается в магнитосферу Земли, вызывая резкие и сильные колебания магнитного поля, что и представляет собой магнитную бурю.

Ответ: Магнитные бури объясняются возмущениями магнитного поля Земли, вызванными взаимодействием с усиленными потоками солнечного ветра, которые возникают в результате солнечной активности, в основном из-за корональных выбросов массы и солнечных вспышек.

5. Чем объясняют появление магнитных бурь?

Решение

Появление магнитных бурь на земле напрямую связано с активностью солнца и взаимодействием его излучения с магнитным полем нашей планеты.

Основной причиной является солнечный ветер — непрерывный поток плазмы (заряженных частиц, в основном протонов и электронов), истекающий из солнечной короны в окружающее пространство. В обычных условиях магнитосфера земли — область пространства вокруг планеты, контролируемая её магнитным полем — успешно отклоняет большую часть этого потока, защищая нас.

Однако на солнце периодически происходят мощные явления, такие как солнечные вспышки и, что более важно для возникновения бурь, корональные выбросы массы (квм). Это гигантские выбросы вещества и магнитного поля из солнечной короны. Когда такой выброс направлен в сторону земли, он несет с собой гораздо более плотный, быстрый и энергетически насыщенный поток плазмы, чем обычный солнечный ветер.

Достигнув земли (обычно через 1–4 суток), этот усиленный поток сталкивается с магнитосферой и оказывает на неё сильное давление, как бы сжимая её. Это резкое изменение вызывает сильные колебания и возмущения в магнитном поле земли по всей планете. Эти глобальные возмущения геомагнитного поля и называются магнитной (или геомагнитной) бурей.

Во время магнитной бури часть энергии заряженных частиц проникает в верхние слои атмосферы, особенно в полярных регионах, вызывая яркие полярные сияния. Кроме того, сильные магнитные бури могут негативно влиять на работу спутников, систем радиосвязи и навигации, а также вызывать сбои в работе электросетей на земле.

Ответ: Появление магнитных бурь объясняется взаимодействием усиленных потоков солнечного ветра (вызванных солнечными вспышками и корональными выбросами массы) с магнитосферой земли, что приводит к сильным и резким возмущениям геомагнитного поля.

УПРАЖНЕНИЕ 44

1. Каково устройство и принцип действия компаса?

1.

Устройство компаса

Компас — это прибор для ориентирования на местности, состоящий из следующих основных частей:

- Корпус: обычно круглый, из пластика или металла, с прозрачной крышкой. Он защищает хрупкий внутренний механизм.

- Магнитная стрелка: это главный рабочий элемент. Представляет собой лёгкий постоянный магнит, сбалансированный на вертикальной оси (игле). Стрелка может свободно вращаться в горизонтальной плоскости. Один её конец (как правило, окрашенный в красный или синий цвет) является северным полюсом магнита ($N$) и указывает на север.

- Шкала (лимб): это круговая шкала, расположенная под стрелкой. На неё нанесены деления в градусах (от 0° до 360°) и основные румбы — стороны света: Север (С), Юг (Ю), Восток (В), Запад (З).

- Игла (ось): острая металлическая игла, на которой крепится магнитная стрелка. Она обеспечивает минимальное трение, позволяя стрелке легко поворачиваться.

- Арретир: специальный рычажок-тормоз, который позволяет приподнять стрелку с иглы и прижать к крышке корпуса. Это предохраняет механизм от повреждений при транспортировке (присутствует не во всех моделях).

В современных (жидкостных) компасах полость со стрелкой заполнена специальной незамерзающей жидкостью, которая успокаивает колебания стрелки, делая её показания более стабильными.

Принцип действия компаса

Принцип действия компаса основан на взаимодействии его магнитной стрелки с магнитным полем Земли.

Наша планета является гигантским магнитом, который создаёт вокруг себя магнитное поле с двумя полюсами: Северным и Южным магнитными полюсами. Эти полюса находятся вблизи географических полюсов Земли, но не совпадают с ними.

Магнитная стрелка компаса — это, по сути, маленький стержневой магнит. Согласно фундаментальному закону магнетизма, противоположные полюса магнитов притягиваются друг к другу, а одноимённые — отталкиваются.

Северный полюс ($N$) магнитной стрелки компаса притягивается к Южному магнитному полюсу Земли ($S$), который расположен в районе Северного географического полюса. Соответственно, южный полюс ($S$) стрелки указывает на Северный магнитный полюс Земли ($N$), который находится в районе Южного географического полюса.

Таким образом, свободно вращающаяся магнитная стрелка под действием магнитного поля Земли всегда располагается вдоль его силовых линий, указывая направление «север-юг». Это позволяет человеку определять своё местоположение и направление движения.

Ответ: Устройство компаса представляет собой намагниченную стрелку, свободно вращающуюся на оси внутри корпуса со шкалой сторон света. Принцип действия заключается во взаимодействии этой стрелки как маленького магнита с глобальным магнитным полем Земли, в результате чего она ориентируется вдоль его силовых линий, указывая направление на магнитные полюса планеты.

2*. Почему компас является ненадёжным инструментом для определения направления в полярных областях?

Компас является ненадёжным инструментом для определения направления в полярных областях из-за нескольких фундаментальных причин, связанных с особенностями магнитного поля Земли вблизи её магнитных полюсов.

Основная проблема заключается в том, что в полярных регионах силовые линии магнитного поля Земли направлены не параллельно поверхности, как в средних широтах, а почти вертикально. Это явление называется магнитным наклонением. Магнитная стрелка компаса, созданная для свободного вращения в горизонтальной плоскости, испытывает сильное воздействие вертикальной составляющей магнитного поля. Эта сила стремится наклонить стрелку вниз (у Северного магнитного полюса) или вверх (у Южного), что приводит к её трению о стекло или корпус прибора и, как следствие, к заклиниванию и абсолютно неверным показаниям.

Из-за почти вертикальной направленности поля, его горизонтальная составляющая, которая как раз и отвечает за ориентацию стрелки в направлении север-юг, становится чрезвычайно слабой. Этой слабой силы недостаточно, чтобы преодолеть даже минимальное трение в механизме компаса и точно сориентировать стрелку.

Кроме того, необходимо учитывать магнитное склонение — угол между направлением на географический полюс и направлением на магнитный полюс. Магнитные полюса Земли не совпадают с географическими и постоянно дрейфуют. В полярных областях расстояние до магнитного полюса мало, и поэтому угол склонения становится очень большим (может достигать 180°), а также быстро изменяется при перемещении даже на небольшие расстояния. Это делает коррекцию показаний компаса практически невозможной. Например, находясь на географическом Северном полюсе, компас будет указывать в сторону Северного магнитного полюса, который расположен в арктической части Канады, то есть в некотором "южном" направлении.

Наконец, в полярных широтах часто происходят сильные возмущения магнитного поля Земли — магнитные бури, связанные с солнечной активностью и проявляющиеся в виде полярных сияний. Во время бурь показания компаса становятся хаотичными и полностью недостоверными.

Ответ: Компас ненадёжен в полярных областях, так как вблизи магнитных полюсов силовые линии магнитного поля Земли направлены почти вертикально. Это приводит к двум основным проблемам: во-первых, горизонтальная составляющая поля, ориентирующая стрелку, очень слаба и не может преодолеть трение; во-вторых, сильная вертикальная составляющая поля заставляет стрелку наклоняться и застревать. Кроме того, огромное и быстро меняющееся магнитное склонение, а также частые магнитные бури делают показания прибора абсолютно непредсказуемыми.

3. При подготовке первых полётов самолётов к Северному полюсу много внимания инженеры уделяли вопросу ориентации самолёта вблизи полюса, так как там обыкновенные магнитные компасы работают очень плохо и практически непригодны. Почему?

Решение

Работа обыкновенного магнитного компаса основана на его способности ориентироваться вдоль силовых линий магнитного поля Земли. Магнитная стрелка компаса представляет собой лёгкий постоянный магнит, который может свободно вращаться в горизонтальной плоскости и выстраивается параллельно горизонтальной составляющей вектора магнитной индукции.

Магнитное поле нашей планеты похоже на поле, создаваемое гигантским стержневым магнитом, ось которого не совпадает с осью вращения Земли. Поэтому географические и магнитные полюсы не совпадают. Силовые линии магнитного поля выходят из южного магнитного полюса (расположенного вблизи географического Северного полюса) и входят в северный магнитный полюс (расположенного вблизи географического Южного полюса).

На средних широтах силовые линии магнитного поля имеют как вертикальную, так и значительную горизонтальную составляющую. Именно эта горизонтальная составляющая и заставляет стрелку компаса указывать направление на северный магнитный полюс.

При приближении к Северному магнитному полюсу картина меняется. Силовые линии магнитного поля становятся практически вертикальными, уходя почти перпендикулярно в поверхность Земли. Это приводит к двум основным проблемам для работы компаса. Во-первых, горизонтальная составляющая магнитного поля, необходимая для ориентации стрелки, становится чрезвычайно слабой, стремясь к нулю непосредственно над полюсом. Из-за этого направляющая сила, действующая на стрелку в горизонтальной плоскости, практически исчезает. Во-вторых, вертикальная составляющая поля, наоборот, достигает максимального значения. Эта сила стремится наклонить (опустить) один из концов стрелки вниз (это явление называется магнитным наклонением), что может вызвать ее трение о корпус или стекло прибора и привести к полному заклиниванию.

В результате, из-за отсутствия чёткой направляющей силы, стрелка компаса становится крайне неустойчивой. Любые незначительные магнитные поля, создаваемые двигателями и электрооборудованием самолёта, или даже трение в механизме опоры начинают оказывать на неё большее влияние, чем слабое горизонтальное поле Земли. Компас начинает хаотично вращаться или показывать неверное направление, что делает его абсолютно непригодным для навигации. Поэтому в полярных широтах для навигации используют другие приборы, такие как гирокомпас, солнечный компас, а в современное время — спутниковые системы навигации (GPS, ГЛОНАСС).

Ответ: Обыкновенные магнитные компасы работают плохо вблизи Северного полюса, потому что в этой области силовые линии магнитного поля Земли направлены почти вертикально вниз. Вследствие этого горизонтальная составляющая магнитного поля, которая ориентирует стрелку компаса, становится очень слабой. Стрелка теряет способность указывать стабильное направление и становится очень чувствительной к помехам от самого самолёта и магнитным аномалиям, что делает компас бесполезным для навигации.

4. В каком месте Земли магнитная стрелка обоими концами показывает на юг?

Решение

Этот, на первый взгляд, парадоксальный вопрос связан с особенностями расположения географических и магнитных полюсов Земли, а также с определением направлений в особых точках планеты.

1. Магнитная стрелка (компас) ориентируется вдоль силовых линий магнитного поля Земли. Её северный полюс (N) притягивается к Южному магнитному полюсу Земли (который находится вблизи Северного географического полюса), а южный полюс стрелки (S) притягивается к Северному магнитному полюсу Земли (который находится вблизи Южного географического полюса).

2. Рассмотрим точку на Земле — Северный географический полюс. Это точка, через которую проходит ось вращения Земли. Уникальность этой точки в том, что любое направление от неё является направлением на юг. Если вы стоите на Северном полюсе, то куда бы вы ни пошли, вы будете двигаться на юг.

3. Теперь поместим магнитную стрелку на Северный географический полюс. Важно помнить, что Северный географический и Южный магнитный полюса не совпадают. Южный магнитный полюс (к которому стремится северный конец стрелки) смещен относительно географического и находится в районе Канадского Арктического архипелага (его положение постоянно дрейфует).

4. Когда стрелка компаса находится на Северном географическом полюсе, её северный конец (N) повернется и укажет в сторону Южного магнитного полюса Земли. Поскольку любое направление с Северного географического полюса — это юг, то северный конец стрелки будет показывать на юг.

5. Южный конец стрелки (S) укажет в строго противоположном направлении. Но так как мы находимся в точке, откуда все пути ведут на юг, то и это противоположное направление также будет являться направлением на юг.

Таким образом, единственное место на Земле, где оба конца магнитной стрелки указывают на географический юг, — это Северный географический полюс.

Ответ: на Северном географическом полюсе.

ОБСУДИМ?

Прочитайте описание устройства гальванометра.

Между полюсами магнита на оси помещена маленькая рамка 1. С ней жёстко связана стрелка 2. Выводы от рамки идут к клеммам прибора. При включении прибора в цепь по рамке протекает постоянный ток, и она стремится установиться перпендикулярно магнитным линиям. Однако сделать это ей мешают две спиральные пружины 3. Чем больше значение силы тока, который течёт по рамке, тем большая закручивающая сила действует на её проводники и тем на больший угол поворачивается рамка. Вместе с рамкой поворачивается стрелка, которая скользит вдоль шкалы прибора.

С помощью каких несложных конструктивных изменений гальванометр можно преобразовать в вольтметр или амперметр? Как изменится при этом шкала прибора?

Гальванометр — это высокочувствительный прибор, предназначенный для измерения очень малых сил тока. Его работа основана на вращении рамки с током в магнитном поле. Угол поворота рамки, а следовательно, и связанной с ней стрелки, прямо пропорционален силе тока, протекающего через рамку. Поскольку гальванометр рассчитан на очень малые токи и имеет низкое внутреннее сопротивление, для измерения больших токов (в амперметре) или напряжений (в вольтметре) его необходимо конструктивно дополнить.

Преобразование гальванометра в амперметр

Амперметр измеряет силу тока и включается в цепь последовательно. Чтобы не вносить существенных изменений в режим работы цепи, его собственное сопротивление должно быть очень малым. Гальванометр же рассчитан на очень малый ток полного отклонения стрелки (обозначим его $I_g$) и обладает собственным внутренним сопротивлением ($R_g$).

Чтобы измерять токи $I$, значительно превышающие $I_g$, основную часть тока ($I_{ш}$) необходимо пустить в обход гальванометра. Для этого к гальванометру параллельно подключают резистор с очень малым сопротивлением, называемый шунтом ($R_{ш}$).

Ток в цепи разветвляется: через гальванометр течет ток $I_g$, а через шунт — ток $I_{ш} = I - I_g$. Так как гальванометр и шунт соединены параллельно, падение напряжения на них одинаково: $I_g \cdot R_g = I_{ш} \cdot R_{ш}$. Отсюда можно рассчитать необходимое сопротивление шунта для измерения максимального тока $I$:

$R_{ш} = \frac{I_g \cdot R_g}{I - I_g}$

Изменение шкалы: Исходная шкала гальванометра проградуирована в единицах малого тока (например, микроамперах). При превращении в амперметр шкалу необходимо переградуировать. Теперь максимальному отклонению стрелки (когда через рамку течет ток $I_g$) будет соответствовать максимальное измеряемое значение тока $I$. Шкала останется равномерной, но ее цена деления значительно увеличится.

Ответ: Для преобразования гальванометра в амперметр необходимо параллельно ему подключить резистор с очень малым сопротивлением (шунт). Шкалу прибора нужно переградуировать: максимальному отклонению стрелки будет соответствовать новое, большее значение силы тока, а цена деления шкалы увеличится.

Преобразование гальванометра в вольтметр

Вольтметр измеряет разность потенциалов (напряжение) и подключается к участку цепи параллельно. Чтобы не влиять на измеряемую цепь (не отбирать значительный ток), его собственное сопротивление должно быть очень большим.

Для преобразования гальванометра в вольтметр его общее сопротивление нужно значительно увеличить. Это достигается путем подключения последовательно с гальванометром резистора с очень большим сопротивлением, который называют добавочным сопротивлением ($R_д$).

Пусть необходимо измерить максимальное напряжение $U$. Это напряжение прикладывается ко всей цепи вольтметра, состоящей из гальванометра и добавочного сопротивления. Чтобы стрелка отклонилась на всю шкалу, через эту цепь должен протекать ток, равный току полного отклонения $I_g$. По закону Ома для этой цепи:

$I_g = \frac{U}{R_g + R_д}$

Отсюда можно найти необходимое добавочное сопротивление:

$R_д = \frac{U}{I_g} - R_g$

Изменение шкалы: Исходная шкала гальванометра проградуирована в единицах тока. Так как угол отклонения стрелки пропорционален току $I_g$, а ток, в свою очередь, пропорционален измеряемому напряжению $U$ (при постоянном сопротивлении вольтметра $R_В = R_g + R_д$), то угол отклонения стрелки будет прямо пропорционален напряжению. Шкалу необходимо переградуировать в единицах напряжения (вольтах). Максимальному отклонению стрелки (при токе $I_g$) будет соответствовать максимальное измеряемое напряжение $U$.

Ответ: Для преобразования гальванометра в вольтметр необходимо последовательно с ним подключить резистор с очень большим сопротивлением (добавочное сопротивление). Шкалу прибора нужно переградуировать в единицах напряжения (вольтах).