Magnetická pole vodičů

Břetislav Patč

Potřeby: Stativ s přímým svislým vodičem a s hrotem pro magnetku, otáčivým ve vodorovné rovině kolem vodiče (obr. č. 2), stativ pro vodorovné vodiče a cívky, jednoduchý přímý vodič, smyčka dvou izolovaných a na dotek blízkých přímých vodičů, koaxiální kabel s na jednom konci propojeným středovým vodičem s vnějším dutým, cívka 60 závitů, bifilární cívka z dvojlinky s dvojbarevnou izolací (vše obr. č. 1), vodič tvaru kruhového závitu na stativu (obr. č. 2), cívka s větším počtem závitů o vnitřním průměru 8cm, model toroidu se 70 závity (obr. č. 2), stativ s dvojicí kyvně uložených svislých vodičů, opatřený olovnicí a se stavěcími šrouby (obr. č. 3), zdroj elektrického napětí stejnosměrného i střídavého (0-30V, 7A), reostat (10 , 7 A), komutátor směru proudu, zhotovený z elektroinstalačního spínače zvaného „křižák“, spojovací vodiče.

Provedení:

1. Přímý svislý vodič připojíme s reostatem přes komutátor ke zdroji a na hrot nasadíme krátkou magnetku. Nejprve objedeme magnetkou vodič bez proudu, ta je při tom stále ve směru místního magnetického meridiánu. Na zdroji nastavíme napětí 30Va reostatem omezíme proud na 7A. Po uzavření obvodu se magnetka při objíždění vodiče natáčí ve směru kruhové magnetické indukční čáry, která je k vodiči kolmá. Při záměně směru proudu se magnetka chová obdobně, má však opačnou orientaci. Změnu vysvětlíme pomocí Ampérova pravidla pravé ruky pro orientaci indukčních čar přímého vodiče. Průběh tohoto i následujících pokusů je nepříznivě ovlivňován zemským magnetickým polem.

2. Do stativu vložíme vodorovný přímý vodič a natočíme jej ve směru meridiánu. Delší magnetku umístíme nejprve nad a pak pod vodič. Po uzavření obvodu se magnetka natočí kolmo k vodiči. V druhém případě má opačnou orientaci, což souhlasí s kruhovým tvarem indukčních čar.

Chceme-li vyloučit rušivý vliv zemského magnetického pole, použijeme astatickou magnetku, vytvořenou ze dvou stejných delších magnetek, opačně orientovaných a pevně spojených na společné ose otáčení ve vzdálenosti asi 20cm. Protože je toto magnetické pole v prostoru pokusu prakticky homogenní, je jeho otáčivý účinek na tuto magnetku nulový. Pole vodiče je ovšem nehomogenní a magnetka se natáčí jeho vlivem na její bližší část. Taková magnetka se nastaví k vodiči kolmo.

Pokus zopakujeme s proudem opačného směru.

3. Do stativu vložíme smyčku. Po uzavření obvodu v ní tečou v těsné blízkosti protisměrné proudy, jejichž magnetická pole se navzájem téměř ruší a otáčivý účinek na magnetku je nepatrný.

Stejný pokus provedeme s koaxiálním kabelem.

4. Magnetické pole kruhového závitu demonstrujeme obdobně jako v pokusu 1.

5. Do stativu vložíme cívku s 50 závity a nastavíme ji podélnou osou kolmo k meridiánu. Magnetku umístíme následně nad a pod cívku. Ta se natočí v obou případech rovnoběžně s podélnou osou cívky a se stejnou orientací. Uplatníme Ampérovo pravidlo pravé ruky pro určení orientace indukčních čar magnetického pole cívky.

Pokus zopakujeme s proudem opačného směru.

6. V případě, kdy použijeme bifilární cívku, jejíž konce jsou na jedné straně propojeny, tečou v ní protisměrné proudy a situace je obdobná jako v pokusu 3. Magnetické pole je i v tomto případě prakticky nulové a magnetka se nenatáčí.

7. Krátkou cívkou s větším počtem závitů a s magnetkou uvnitř demonstrujeme orientaci indukčních čar uvnitř cívky. Napětí zdroje snížíme na 3 V. Magnetka po natočení velmi rychle kmitá kolem podélné osy cívky, což svědčí o velké intenzitě pole, i když cívkou prochází malý proud.

8. Do obvodu připojíme model toroidu, opatřený otáčivým prstencem s hrotem pro umístění magnetky uvnitř vinutí a otáčivým ramínkem s hroty pro umístění magnetky mimo vinutí zvenku, zevnitř i nad toroidem. Napětí zdroje zvýšíme na 30 V. Po uzavření obvodu se vnitřní magnetka natočí ve směru vinutí a při pohybu v toroidu se natáčí a opisuje kružnici se středem v jeho svislé ose. Vnější magnetka se natáčí velmi málo.

Všechny indukční čáry pole toroidu mají tvar kružnic se středy na svislé ose, vnější pole má vzhledem vnitřnímu opačnou orientaci a je slabé.

Pokus opakujeme s opačným směrem proudu.

9. Stativ se dvěma svislými, kyvně uloženými vodiči (obr. č.3), nastavíme pomocí stavěcích šroubů podle olovnice, aby vodiče byly v indiferentní poloze. Tyto nejprve zapojíme tak, aby jimi proud procházel protisměrně a přitiskneme je k sobě (drží). Po uzavření obvodu se vodiče oddálí. Potom je zapojíme tak, aby proud procházel souběžně a nastavíme je do vzdálenosti asi 15 mm (opět drží). Po uzavření obvodu se přitáhnou. Jejich chování vysvětlíme pomocí Ampérova pravidla pravé ruky pro orientaci indukčních čar přímého vodiče a Flemingova pravidla levé ruky.

Pokus probíhá stejně i při použití střídavého proudu.