Физика 11. Изучение магнитного поля катушки с током

Исторические источники расписания: schedules/daily/2026-09-17.md (SHA-256: c3d9e0196d537440748e5ca58cba0978bb26ac94ccf0f65a2b5d5affa4acc931); schedules/personal/2026-09-17.md (SHA-256: 719974dbac08a89ee70bbbd6bab2d42d7609b22ba9b605dcac5f2c4c6b21cb3b). Файлы удалены 05.10.2026 по указанию пользователя; даты и учебный материал сохранены.

Цель работы

Установить по учебным данным, как сила взаимодействия катушки с током и постоянного магнита зависит от силы тока в катушке.

В полном лабораторном опыте магнит втягивается в катушку. Мы будем считать, что его полюс расположен на одной и той же отметке у входа в катушку, а динамометр показывает силу втягивания. Это важно: сила зависит не только от тока, но и от расстояния до катушки, числа витков, размеров магнита и его ориентации.

Краткая теория

Катушка с током создаёт магнитное поле и ведёт себя как электромагнит. Для длинной катушки магнитная индукция внутри приближённо выражается формулой

\[ B = \mu_0\mu\frac{NI}{l}, \]

где \(B\) — магнитная индукция, \(\mu_0\) — магнитная постоянная, \(\mu\) — относительная магнитная проницаемость среды, \(N\) — число витков, \(I\) — сила тока, \(l\) — длина катушки.

Если не менять катушку и среду, то

\[ B \sim I. \]

Постоянный магнит во внешнем магнитном поле испытывает действие силы. В нашем опыте расстояние и ориентация магнита постоянны, поэтому приращение силы взаимодействия ожидаемо растёт с силой тока. В реальной установке зависимость может быть не идеально линейной из-за нагревания проводника, неточности удержания магнита и изменения магнитных свойств сердечника.

Оборудование и безопасный порядок действий

Для реального опыта нужны катушка, источник постоянного тока с регулировкой, амперметр, ключ, постоянный магнит, динамометр или датчик силы, штатив и соединительные провода.

Соберите цепь при выключенном источнике питания.
Закрепите магнит так, чтобы его положение относительно края катушки не менялось.
Установите малую силу тока, снимите показание силы, затем отключите ток.
Повторите для остальных значений силы тока.
Не допускайте длительного протекания большого тока: катушка может нагреться.

Не подключайте катушку напрямую к источнику без ограничения и контроля силы тока. Магнит и провода не должны касаться движущихся частей установки.

Учебные данные шести опытов

Ниже приведены модельные учебные данные. Они предназначены для обработки на уроке и не выдаются за показания конкретной школьной установки. Положение магнита, число витков и напряжение источника между опытами считаются неизменными.

№ опыта	Сила тока в катушке \(I\), А	Сила втягивания магнита \(F\), Н
1	0,20	0,07
2	0,40	0,14
3	0,60	0,22
4	0,80	0,29
5	1,00	0,36
6	1,20	0,44

Значения близки к прямой пропорциональности, но не образуют идеальную прямую: это похоже на результаты реального измерения с небольшой погрешностью.

Обработка результатов

На горизонтальной оси отложите силу тока \(I\) в амперах.
На вертикальной оси отложите силу взаимодействия \(F\) в ньютонах.
Нанесите шесть точек из таблицы.
Проведите линию наилучшего соответствия: она должна проходить близко к большинству точек, а не обязательно через каждую из них.
Оцените характер зависимости.

Например, для первой и последней точек отношение силы к току равно

\[ \frac{F}{I}=\frac{0{,}07\ \text{Н}}{0{,}20\ \text{А}}=0{,}35\ \text{Н/А}, \]

\[ \frac{F}{I}=\frac{0{,}44\ \text{Н}}{1{,}20\ \text{А}}\approx0{,}37\ \text{Н/А}. \]

Близкие значения показывают, что в пределах погрешности можно считать зависимость почти прямой пропорциональностью:

\[ F \sim I. \]

Вывод

При неизменных положении и ориентации постоянного магнита сила его втягивания в катушку увеличивается с ростом силы тока. По учебным данным график \(F(I)\) близок к прямой линии, поэтому в исследованном диапазоне сила взаимодействия приблизительно прямо пропорциональна силе тока в катушке.

Этот вывод относится к данной установке и указанному диапазону токов. При изменении расстояния, числа витков, сердечника или температуры катушки результаты могут измениться.

Задания

Постройте график зависимости \(F(I)\) по данным таблицы.
Во сколько раз увеличилась сила втягивания при росте силы тока от \(0{,}20\) А до \(1{,}20\) А?
Почему в опыте нужно сохранять одинаковое положение магнита относительно катушки?
Как изменится ожидаемая сила взаимодействия при уменьшении силы тока, если остальные условия останутся прежними?
Назовите две причины, по которым реальные точки на графике могут не лежать точно на одной прямой.

Ответы для самопроверки

1. Точки располагаются близко к возрастающей прямой; ось \(I\) — горизонтальная, ось \(F\) — вертикальная.

Примерно в \(0{,}44 / 0{,}07 \approx 6{,}3\) раза.
Сила зависит от расстояния и ориентации магнита; без постоянного положения нельзя сравнить влияние только силы тока.
Она уменьшится; для данной установки зависимость близка к прямой пропорциональности.
Например, погрешность динамометра, небольшое смещение магнита, нагревание катушки или неточность установки силы тока.