‫‪91‬‬ ‫ניסוי ‪: 13‬‬ ‫שדה מגנטי במרכז סליל‬ ‫)ניסוי לביצוע‬ ‫עצמאי(‪.‬‬ ‫לניסוי ‪ :‬שדה מגנטי הנוצר ע"י זר‪ ,‬שדה מגנטי ארצי‪ ,‬מצפ‪ ,‬מכשירי חשמליי‪.‬‬ ‫נושאי‬ ‫מטרות הניסוי ‪:‬‬ ‫מציאת גודל הרכיב האופקי של השדה המגנטי הארצי בעזרת שדה מגנטי במרכז סליל נושא זר ‪.‬‬ ‫רקע תאורטי‪.‬‬ ‫‪ .1‬השדה הנוצר במרכז לולאה נושאת זר‪.‬‬ ‫‪R‬‬ ‫נתבונ בסליל שרדיוס ו ‪ R‬בעל ‪ n‬כריכות‪ ,‬הנושא זר ‪) i‬תרשי ‪:( 1‬‬ ‫‪i‬‬ ‫‪B‬‬ ‫כאשר מדובר בסליל דק )קוטר הסליל גדול מאוד ביחס לעובי ו (‬ ‫‪µ i‬‬ ‫‪Bi = o ⋅ n‬‬ ‫יהיה השד ה במר כז הסליל‪:‬‬ ‫] ‪-7 [N‬‬ ‫] ‪-7 [T] ⋅ [m‬‬ ‫‪= 12.57 ⋅ 10‬‬ ‫] ‪[A‬‬ ‫‪[A ]2‬‬ ‫‪2 R‬‬ ‫תרשי ‪1‬‬ ‫‪, µ 0 = 4π ⋅ 10‬‬ ‫כאשר ] ‪ – [ T‬טסלה‪ – [ m ] ,‬מטר‪ – [ A ] ,‬אמפר‪ – [ N ] ,‬ניוטו‪.‬‬ ‫כיוו השדה המגנטי הוא לאור& ציר הסימטריה של הסליל )ניצב ל מישור הכריכות ( ‪ ,‬בהתא‬ ‫לכלל יד ימי ‪.‬‬ ‫‪ .2‬שיטת המדידה של השדה המגנטי הנחקר‪.‬‬ ‫סליל כריכות‬ ‫במישור אנכי‬ ‫כדי למצוא את הרכיב האופקי של השדה המגנטי‬ ‫הארצי‪ ,‬נשתמש במכשיר מדידה שנקרא גלוונומטר‬ ‫טנגנטי )תרשי ‪.(2‬‬ ‫הגלוונומטר מורכב מסליל ומצפ במרכזו‪ ,‬שמגיב‬ ‫רק על הרכיב האופקי )‪ (Horizontal‬של השדה‬ ‫הקוטב‬ ‫הצפוני של‬ ‫המגנט‬ ‫→‬ ‫הארצי ‪. B H‬‬ ‫הסליל מותק כ& שכריכותיו תמצאנה במישור האנכי‪.‬‬ ‫כאשר לא עובר זר בכריכות הסליל‪ ,‬מצביעה מחט‬ ‫המצפ על כיוו הצפו המקומי ומתלכדת ע‬ ‫מצפ‬ ‫→‬ ‫הרכיב ‪. B H‬‬ ‫בתרשי ‪ 2‬מישור כריכות הסליל מתלכד ע‬ ‫כיוו צפו(דרו לפי מחט המצפ‪.‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪8‬‬ ‫חוטי חיבור‬ ‫ל בחירת‬ ‫מס פר כריכות‬ ‫כריכות‬ ‫כריכות‬ ‫‪4‬‬ ‫‪6‬‬ ‫תרשי ‪2‬‬ ‫‪14‬‬ ‫כריכות‬ ‫כריכות‬ ‫כריכות‬ ‫‪92‬‬ ‫→‬ ‫כאשר במצב שבתרשי ‪ 2‬עובר זר בכריכות הסליל‪ ,‬הוא יוצר שדה מגנטי ‪ B i‬ומחט המצפ סוטה מהצפו‬ ‫ומתלכדת ע כיוו השדה המגנטי השקול‪.‬‬ ‫בעזרת שנתות המצפ נית למדוד את זווית הסטייה ( תרשי ‪.3‬‬ ‫→‬ ‫→‬ ‫‪Bi‬‬ ‫‪B tot‬‬ ‫→‬ ‫כאשר ‪ B i‬מייצג את השדה המגנטי הנוצר מהזר העובר בסליל‪,‬‬ ‫→‬ ‫‪ B H‬מייצג את הרכיב האופקי של השדה המגנטי הארצי‬ ‫→‬ ‫ו ( ‪ B tot‬מייצג את שקול השדות המגנטיי‪.‬‬ ‫→‬ ‫‪BH‬‬ ‫תרשי ‪3‬‬ ‫→‬ ‫מאחר שהמחט סוטה בכיוו השקול של השדה המגנטי של הכריכות מתקיי ‪:‬‬ ‫‪Bi‬‬ ‫→‬ ‫= ‪. tan α‬‬ ‫‪BH‬‬ ‫מכא הש ( גלוונומטר טנגנטי‪.‬‬ ‫‪ .3‬בחירת דרכי למציאת גודל ‪. BH‬‬ ‫בניסוי יש למצוא את גודל ‪ BH‬בשלוש דרכי‪ ,‬שבכל אחת מה למצוא ג את שגיאת המדידה וסטייה בגודל‬ ‫השדה ‪.∆BH‬‬ ‫בניסוי נית לשנות את הפרמטרי ה באי ‪:‬‬ ‫( כיוו מישור הכריכות ביחס לצפו )מצב גלוונומטר(‪,‬‬ ‫( מספר כריכות פעילות )שבה זור זר(‪,‬‬ ‫( זר במעגל‪,‬‬ ‫( זווית הסטייה מסויימת שאליה יגיע המצפ‪.‬‬ ‫אופ שינוי מצב הגלוונומטר‪:‬‬ ‫יש לנצל אפשרות לסובב את מישור כריכות הגלוונומטר ממצב צפו(דרו למצב מזרח( מערב ולמצוא את ‪BH‬‬ ‫בכל אחד מהמצבי‪.‬‬ ‫כאשר דרוש שמישור הכריכות יהיה במצב צפו(דרו‪ ,‬נית לוודא את דיוק הכיוו ע"י הבדיקה הבאה‪:‬‬ ‫העבר בסליל זר ובדוק את סטיית מחט המצפ‪ .‬החל‪ ,‬את כיוו הזר מבלי לשנות את גודלו )ואת מצב‬ ‫הגלוונומטר( ובדוק א סטיית מחט המצפ סימטרית לסטייה הקודמת‪.‬‬ ‫במידה ולא‪ ,‬הסט את הסליל מעט בכיוו הדרוש‪.‬‬ ‫אופ שינוי מספר הכריכות‪:‬‬ ‫בבסיס הגלוונומטר נמצאי ‪ 4‬שקעי‪ .‬בי כל שני שקעי רשו מספר הכריכות הפעילות בי אות שקעי‬ ‫)ראה תרשי ‪ .(2‬כדי לשנות את מספר הכריכות הפעילות יש להעביר חוטי חיבור משקע אחד לשקע אחר‪.‬‬ ‫למשל‪ ,‬חיבור הגלוונומטר דר& השקע הראשו והשלישי מפעיל ‪ n=4+2=6‬כריכות‪.‬‬ ‫המספר המכסימלי של כריכות פעילות הוא ‪.n=4+2+8=14‬‬ ‫אופ שינוי הזר‪:‬‬ ‫הפעלת הספק כספק זר‪:‬‬ ‫לפני הדלקת הספק סובב את כל כפתורי הוויסות שלו נגד כיוו השעו עד הסו‪ ,‬ולח‪ -‬על כפתור הפעלה‪ .‬סובב‬ ‫את כפתור ויסות המתח חצי סיבוב ע כיוו השעו‪.‬‬ ‫קבע את הזר הדרוש בכל פע באמצעות כפתורי וויסות הזר‪.‬‬ ‫‪93‬‬ ‫מהל& הניסוי‪.‬‬ ‫‪ . 1‬הרכבת מעגל‪.‬‬ ‫א ‪ .‬כוו את מד( הזר לתחו מדידה של ‪) 10A‬חבר חוטי לשקעי‬ ‫‪A‬‬ ‫מתאימי(‪ .‬בחר מצב ‪ A‬ב כפתור סיבוב בורר מצבי ‪.‬‬ ‫גלוונומטר‬ ‫טנגנטי‬ ‫ב ‪ .‬בחר מספר רצוי של הכריכות ע"י חיבור חוטי לשקעי‬ ‫מתאימי בגלוונומטר‪.‬‬ ‫ג‪ .‬חבר את הגלוונומטר אל הספק דר& מד( הזר לפי תרשי ‪. 4‬‬ ‫תרשי ‪4‬‬ ‫‪ . 2‬ביצוע הניסוי‪.‬‬ ‫א‪ .‬במהל& הניסוי שנה את הפרמטרי לפי בחירת& וערו& טבל אות נתוני המתאימות‬ ‫למקרי שוני ‪.‬‬ ‫בבחירת דרכי למציאת ‪ B H‬יש להק פיד לשאו‪ ,‬למדידות מדויקות‪ ,‬כלומר להשתדל לבחור‬ ‫דרכי בה נית לצפות לתוצאות מדויקות יותר מדרכי אחרות‪.‬‬ ‫הערה ‪:‬‬ ‫מצא את דיוק קריאת הזר ו את דיוק קריאת זווית הסטייה ‪ .‬בהתא לכ& בצע את ה מדידות ‪,‬‬ ‫כלומר – תחליט איזה פרמטר תשנה ואיזה תקרא ‪ ,‬כדי להקטי שגיאות המדידה ‪.‬‬ ‫הסבר את בחירת& בדו"ח העבודה‪.‬‬ ‫ב‪ .‬הסבר כיצד נית להקטי את שגיאות המדידה והתחשב בה בחישובי ובגרפי‪.‬‬ ‫ג‪ .‬שרטט את הגרפי דרושי‪.‬‬ ‫‪ .3‬ניתוח תוצאות ומסקנות מהניסוי‪.‬‬ ‫א‪ .‬קבע את השדה המגנטי הארצי ‪ BH‬בשלוש דרכי וחשב את השגיאה בגודלו ‪ ∆BH‬בכל אחת מה‪.‬‬ ‫מהי הדר& המדויקת ביותר?‬ ‫ב‪ .‬השווה בי התוצאות שהתקבלו בדרכי שונות )חשב סטייה באחוזי יחסית לדר& המדויקת ביותר‬ ‫לדעת&(‪.‬‬ ‫ג‪ .‬מה מסקנות& מהניסוי?‬ ‫‪ .4‬הערה לשימוש באקסל‪:‬‬ ‫במידה ותצטר& לחשב טנגנס זווית הסטייה ‪ α‬הנמדדת במעלות בטבלת ‪ Excel‬יש להקליד ביטוי הבא‪:‬‬ ‫))‪=tan(radians(α‬‬ ‫‪94‬‬ ‫שאלות הכנה‪:‬‬ ‫‪ . 1‬עבור המצב בו מישור הכריכות מתלכד ע כיוו מישור צפו( דרו ‪ ,‬הוכח כי הביטוי‬ ‫‪µ0 i n‬‬ ‫= ‪. BH‬‬ ‫המתמטי אשר ממנו נית לחשב את רכיב השדה המג נטי הארצי הוא‬ ‫‪2R tanα‬‬ ‫‪ . 2‬מת ו& הביטוי שמצאת בשאלה ‪ , 1‬תכנ ניסוי מעבדתי שבו תוכל לחשב את רכיב השדה‬ ‫המגנטי‪ ,‬הצע שלוש שיטות שונות וכתוב מה היתרו והחיסרו של כל שיטה לפי דעת&‪.‬‬ ‫‪ . 3‬עבור המצב בו מישור הכריכות ניצב לכיוו מישור צפו( דרו גי אוגרפ י ‪ ,‬רשו כיצד נית‬ ‫לגלות את גודל רכיב השדה המגנטי?‬ ‫‪ . 4‬מהוא תחו הזויות שמחט המצפ י כולה להצביע כאשר‪:‬‬ ‫א‪ .‬מישור כריכות הסליל נמצא בכיוו צפו – דרו‪.‬‬ ‫ב‪ .‬כאשר מישור הכריכות נמצא בכיוו ניצב לקוד‪ .‬הא נית לקבל באחד המצבי זווית‬ ‫סטייה של ‪? º90‬‬ ‫‪ . 5‬מהדיאגרמה ה ו וקטורית )תרשי ‪ ( 3‬בדוק הא נית בדר& כלשהיא לקבל זווי ת סטי י ה‬ ‫הגדולה מ( ‪? º90‬‬ ‫‪ . 6‬מדוע לא כדאי לבחור תחומי שיגרמו לסטיית מחט המצפ בזוויות גדולות?‬ ‫‪ . 7‬הא ‪ B H‬המחושב בניסוי נובע מהשדה הארצי בלבד ? מה יכול לשנות את ה שדה בחדר ?‬ ‫‪ . 8‬הא מיקו הספק ביחס לגלוונומטר עלול להשפיע על תוצאות הניסוי ?‬ ‫‪ . 9‬הא נית לבצע את הניסוי בקוטב הצפוני של כדור האר‪ ?-‬הסבר‪.‬‬ ‫‪ . 10‬מדוע חשוב שמחט המצפ תהיה קטנה?‬