УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЖИДКОГО МАГНЕТИКА Российский патент 2006 года по МПК G09B23/18 

Описание патента на изобретение RU2272325C1

Изобретение относится к учебным приборам и может быть использовано в лабораторном практикуме в высших и средних специальных учебных заведениях по курсу физики для изучения и углубления знаний физических законов и явлений.

Известен прибор Кольбе для демонстрации взаимодействия двух катушек с током, подвешенных на гибком шнуре на штативе. (Д.Д.Галанин и др. Физический эксперимент в школе, том 4. Учпедгиз, 1954, стр.125, рис.238). Он позволяет демонстрировать только взаимодействие двух катушек с током, без измерения силы Ампера и учета влияния магнитной проницаемости среды на силу взаимодействия.

Известен также учебный прибор для исследования электромагнитного поля (RU патент №2210815, 20.08.2003, Бюл. №23. Автор: Ковнацкий В.К.), содержащий два тороида с железным сердечником (твердым магнетиком). Этот прибор позволяет измерять характеристики электромагнитного поля, но на нем нельзя измерить магнитную проницаемость сердечников тороида.

Наиболее близкой к предлагаемой установке является установка (фиг.4) для демонстрации взаимодействия двух катушек с током, подвешенных на двух тонких проводах, (О.Ф.Кабардин. Физика. Справочные материалы. М.: Просвещение 1991, с.184, рис.190.) Установка содержит две плоские катушки индуктивности и источник постоянного тока. При подключении катушек к источнику постоянного тока наблюдается отклонение одной катушки от другой. При внесении в одну из катушек железного стержня, другая катушка отклоняется на больший угол. Однако эта установка не позволяет измерить силу Ампера при взаимодействии катушек индуктивности, а также определить величину магнитной проницаемости жидкой среды, в которой эти катушки могут взаимодействовать.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей этой установки. Эта цель достигается тем, что в нее введены: подставка; две оси вращения плоских катушек индуктивности, закрепленные на подставке; два жестких подвеса, первые концы которых подвешены шарнирно на осях вращения плоских катушек индуктивности, а вторые концы жестко соединены с этими катушками и являются первыми вводами плоских катушек индуктивности, а вторыми вводами их являются тонкие изолированные проводники, навитые на оба жестких подвеса; амперметр и реостат, которые образуют последовательно замкнутую цепь с двумя последовательно соединенными плоскими катушками индуктивности и источником постоянного тока; сосуд с жидким магнетиком, установленный на подставке, в котором расположены две плоские катушки индуктивности в одной плоскости, перпендикулярной осям самих катушек индуктивности и осям вращения этих катушек; шкала с делениями в градусах, установленная на подставке.

На фиг.1 и фиг.2 представлены чертежи, поясняющие принцип работы предлагаемой установки. На фиг.3 изображен общий вид этой установки, на фиг.4 - ее прототип.

В предлагаемую установку входит: 1 - плоская катушка индуктивности; 2 - жесткий подвес; 3 - ось вращения плоской катушки индуктивности; 4 - подставка; 5 - сосуд с жидким магнетиком; 6 - амперметр; 7 - реостат; 8 - источник постоянного тока; 9 - шкала с делениями в градусах.

При проведении исследований с искусственно создаваемым жидким магнетиком (например, раствором хлористого железа в воде) необходимо каждый раз измерять магнитную проницаемость среды. Важно также определить силу Ампера при взаимодействии катушек с током в такой среде. Существующие устройства для измерения магнитной проницаемости (Руководство к лабораторным занятиям по физике под редакцией Л.Л.Гольдина. М.: Наука. 1973. стр.293-334; Ф.В.Кушнир. Измерение в технике связи. М.: Связь.1970. стр.480-495) не позволяют это сделать. Рассмотрим, каким образом это достигается в предлагаемой установке.

Пусть два круговых витка с током I1 и I2 и радиусом R0 (фиг.1) подвешены на двух жестких одинаковых подвесах длиной 1 на осях O1 и O2. Катушки находятся в исходном положении на расстоянии r0 в жидком магнетике с магнитной проницательностью μ и плотностью ρ. Круговые витки расположены в одной плоскости, перпендикулярной осям вращения катушек O1 и O2, а также осям самих катушек О3 и O4. Под действием силы Ампера эти витки разойдутся на угол α от исходного положения. В жидком магнетике на круговой виток с током I1 (фиг.1) действуют четыре силы: сила Ампера , сила натяжения нити , сила тяжести и выталкивающая сила Архимеда , где VB - объем кругового витка, ρ - плоскость жидкого магнетика, mB - масса витка и g - ускорение свободного падения.

Условие равновесия для каждого витка имеет вид:

или в проекциях на ось х:

на ось у:

Из выражений (1) и (2) находим:

Определим силу ампера , с которой круговой виток с током I2 действует на виток с током I1. Сначала найдем силу, с которой магнитное поле с индукцией , создаваемое током I2, действует на элемент , принадлежащий контуру l1 с током I1 (фиг 2):

Магнитная индукция в соответствии с законом Био-Савара-Лапласа

причем точкой наблюдения А является элемент (фиг.2) первого витка, и следовательно, R означает расстояние между элементами и обоих векторов, а вектор направлен от к .

Объединяя (4) и (5) найдем силу:

Сила, с которой круговой виток с током I2 действует на виток с током I1.

С той же силой круговой виток с током I1 действует на виток с током I2.

Аналитическое вычисление двукратного интеграла в формуле (6) невозможно, поэтому значение его найдено авторами методом численного интегрирования:

где R0 - радиус витков, r - расстояние между центрами круговых витков, которое находим из фиг.1:

Приравнивая выражения (3) и (7) и учитывая равенство токов в круговых витках I1=I2, а также выражение (8) находим формулу для определения магнитной проницаемости жидкого магнетика.

Для уменьшения величины потребляемого тока круговыми витками заменяем их плоскими катушками индуктивности массой m, каждая из которых содержит по N витков. Тогда ток I1 в выражении (9) заменим на I1=NI, где I - ток, протекающий через один виток катушки. В этом случае выталкивающая сила Архимеда FA=ρgV, где V - объем катушки индуктивности.

С учетом введенных обозначений получим окончательное выражение для определения магнитной проницаемости жидкого магнетика:

Схема экспериментальной установки для исследования жидкого магнетика представлена на фиг.3. Она содержит две плоские катушки индуктивности 1. Обе катушки 1 подвешены на жестких подвесах 2. Первые концы жестких подвесов 2 неподвижно соединены с катушками индуктивности 1, а вторые концы их подвешены шарнирно на осях вращения 3 катушек индуктивности, которые закреплены на подставке 4. Плоские катушки индуктивности 1 соединены последовательно между собой, расположены в сосуде с жидким магнетиком 5 в одной плоскости, перпендикулярной осям самих катушек индуктивности 1 и осям вращения 3 этих катушек. Первым вводом каждой катушки индуктивности 1 является жесткий подвес 2, а вторым вводом - тонкий изолированный проводник, навитый на жесткий подвес 2. Последовательно соединенные плоские катушки индуктивности 1 соединены также последовательно с амперметром 6, реостатом 7 и источником постоянного тока 8.

Сосуд с жидким магнетиком 5 установлен на подставке 4, на которой установлена шкала с делениями в градусах 9. Указателем положения на шкале 9 является жесткий подвес 2.

Изменяя величину тока в цепи с помощью реостата 7, катушки индуктивности расходятся на разные углы α, значения которых измеряем по шкале с делениями в градусах 9. Величину тока измеряем с помощью амперметра 6. Измеренные значения угла α и тока I подставляем в формулу (10) для определения магнитной проницаемости жидкого магнетика. Остальные величины, входящие в формулу (10), указаны на лабораторной установке.

Зависимость силы Ампера F при взаимодействии катушек с током от величины этого тока можно рассчитать по формуле (7).

Технико-экономическая эффективность предлагаемой установки для исследования жидкого магнетика заключается в том, что она обеспечивает повышение качества усвоения основных законов и явлений физики студентами.

Предлагаемая установка реализована на кафедре физики и используется в учебном процессе на лабораторных занятиях по электромагнетизму.

Похожие патенты RU2272325C1

название год авторы номер документа
УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕОДНОРОДНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ 2006
  • Белокопытов Руслан Алексеевич
  • Ковнацкий Валерий Константинович
RU2321895C1
ПРИБОР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ПРОВОДНИКА С ТОКОМ 2000
  • Ковнацкий В.К.
RU2170459C1
ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ЗАКОНА БИО-САВАРА-ЛАПЛАСА 2005
  • Белокопытов Руслан Алексеевич
  • Ковнацкий Валерий Константинович
RU2290700C1
ПРИБОР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВИХРЕВОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В МАГНИТНОЙ СРЕДЕ 2006
  • Белокопытов Руслан Алексеевич
  • Ковнацкий Валерий Константинович
RU2303295C1
Учебный прибор 1958
  • Райцын И.З.
SU117950A2
Устройство определения индукции электромагнитного поля 2021
  • Полищук Владимир Иосифович
  • Исабеков Даурен Джамбулович
  • Кислов Александр Петрович
  • Постоянкова Ксения Юрьевна
RU2759418C1
ПРИБОР ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ПРОВЕРКИ ЗАКОНА АМПЕРА 2006
  • Белокопытов Руслан Алексеевич
  • Ковнацкий Валерий Константинович
RU2321074C1
УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ПО ФИЗИКЕ 1998
  • Ковнацкий В.К.
RU2130203C1
СПОСОБ ОБРАБОТКИ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ И ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ 2014
  • Семчуков Михаил Николаевич
RU2581694C2
АВТОМАТИЧЕСКИЙ ПОЛЯРНО-КООРДИНАТНЫЙ КОМПЕНСАТОР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 1972
SU426197A1

Иллюстрации к изобретению RU 2 272 325 C1

Реферат патента 2006 года УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЖИДКОГО МАГНЕТИКА

Изобретение относится к учебным приборам и может быть использовано в лабораторном практикуме по курсу физики. Установка содержит последовательно соединенные: две плоские катушки индуктивности, источник постоянного тока, амперметр и реостат. На подставке закреплены две оси вращения катушек индуктивности, на которых первыми концами подвешены шарнирно два жестких подвеса, ко вторым концам которых жестко присоединены катушки индуктивности, которые размещены в сосуде с жидким магнетиком, установленным на подставке, снабженной шкалой с делениями в градусах. Установка позволяет снять зависимость силы Ампера, возникающей при взаимодействии катушек с током в жидком магнетике от величины этого тока, и определить величину магнитной проницаемости жидкого магнетика, благодаря чему обеспечивается расширение области исследования. 4 ил.

Формула изобретения RU 2 272 325 C1

Установка для исследования жидкого магнетика, содержащая две плоские катушки индуктивности и источник постоянного тока, отличающаяся тем, что в нее введены подставка, две оси вращения катушек индуктивности, закрепленные на подставке, два жестких подвеса, первые концы которых подвешены шарнирно на осях вращения катушек индуктивности, а вторые концы жестко соединены с плоскими катушками индуктивности и являются первыми вводами плоских катушек индуктивности, а вторыми вводами их являются тонкие изолированные проводники, навитые на оба жестких подвеса, амперметр и реостат, которые образуют последовательную замкнутую цепь с двумя последовательно соединенными плоскими катушками индуктивности и источником постоянного тока, сосуд с жидким магнетиком, установленный на подставке, в котором размещены две плоские катушки индуктивности в одной плоскости, перпендикулярной осям самих катушек индуктивности и осям вращения этих катушек, шкала с делениями в градусах, установленная на подставке.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2006 года RU2272325C1

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАГНИТНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТИ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ (ВАРИАНТЫ) 1994
  • Коровин В.М.
  • Кубасов А.А.
RU2098807C1
Способ измерения магнитной проницаемости жидкостей 1984
  • Михайленко Андрей Алексеевич
  • Шлепнев Александр Анатольевич
  • Горелов Валерий Павлович
  • Михайленко Анна Андреевна
SU1182379A1
Топка с несколькими решетками для твердого топлива 1918
  • Арбатский И.В.
SU8A1
Устройство для определения параметров магнитных сред 1980
  • Ананьев Игорь Петрович
  • Афанасьев Юрий Васильевич
SU941914A1
Способ измерения магнитной восприимчивости ферромагнитной жидкости 1980
  • Кравченко Николай Дмитриевич
  • Кармазин Виталий Иванович
  • Козловский Константин Павлович
SU918910A1
US 2003078493 A, 24.04.2003
US 5207105 A, 04.05.1993
Способ крашения тканей 1922
  • Костин И.Д.
SU62A1
Способ крашения тканей 1922
  • Костин И.Д.
SU62A1
Устройство для охлаждения водою паров жидкостей, кипящих выше воды, в применении к разделению смесей жидкостей при перегонке с дефлегматором 1915
  • Круповес М.О.
SU59A1
Приспособление для разматывания лент с семенами при укладке их в почву 1922
  • Киселев Ф.И.
SU56A1
Приспособление для разматывания лент с семенами при укладке их в почву 1922
  • Киселев Ф.И.
SU56A1

RU 2 272 325 C1

Авторы

Калинин Владимир Николаевич

Ковнацкий Валерий Константинович

Даты

2006-03-20Публикация

2004-07-12Подача