1. No category

Fysiikan laboratorio
Työohje
1/4
LIKe
v. 1.0
11/2014
Turun ammattikorkeakoulu Oy
________________________________________________________________________________
Magneettivaaka
Työn tavoite
Tutkitaan kahden johtimen välistä magneettista voimavaikutusta.
Työn suoritus
Ennen varsinaisen mittaustyön alkua kannattaa tutustua laitteistoon (kuva 1) ja sen
toimintaan.
Kuva 1. Magneettivaa’an eri osat
Vaa’assa on varottava kolhimasta ohutta 0,15 mm paksuista teräslankaa (torsion
wire), joka toimii vaa’an akselina. Punnuksille on oma telineensä (mass pan).
Ylempään johdinkehikkoon (top parallel conductor) johdetaan sähkövirta nestemäisessä galliumissa (gallium pot) olevien koskettimien kautta. Pienissä purkeissa
oleva gallium on huoneenlämpötilassa yleensä nestemäinen ja joskus kiinteä. Jotta
varmistutaan, että gallium on nestemäistä, sitä lämmitetään alusta alkaen lievästi
ulkopuolisen virtalähteen (9 V to gallium heater) ja purkeissa olevien lämmitysvastusten avulla n. 30 C:een. Purkkien kannet voi avata tässä vaiheessa. Sen jälkeen
kun gallium on nestemäistä ja purkit on nostettu niin korkealle, että koskettimet uivat
galliumissa muutaman mm:n syvyydellä, asetetaan vaaka tasapainoon. Se tapahtuu
vastapainoa (counterbalance mass) siirtämällä. Nyt on magneettivaaka valmiina
toimintaan.
Fysiikan laboratorio
Työohje
2/4
LIKe
v. 1.0
11/2014
Turun ammattikorkeakoulu Oy
________________________________________________________________________________
Tässä työssä käytetään tasavirtalähdettä, joka pystyy antamaan max 20 A suuruista
virtaa. Virran suuruus voidaan mitata suurvirtalähteessä olevalla virtamittarilla.
Tehdään kuvan 2 mukainen kytkentä, joka on piirrettynä vaa’an alustaan:
Kuva 2. Magneettivaa’an ja virtalähteen kytkentä
Mittaukset: Kahden johtimen välinen työntövoima niissä kulkevan virran funktiona
Säädetään johtimet sopivalle etäisyydelle toisistaan (esim. 10 mm). Säätäminen
tapahtuu kulmissa olevien säätökiekkojen (separation adjustment screw) avulla.
Johtimien etäisyys toisistaan voidaan mitata esim. työntömitan avulla. Kysymys on
johtimien (top and bottom parallel conductors) keskilinjojen etäisyydestä toisistaan.
Varmistetaan, että vaaka on tasapainossa. Mitataan kuinka pitkän matkan johtimet
ovat päällekkäin (top paraller conductor).
Punnustelineeseen asetetaan pieni (esim. 20 mg) punnus. Virranvoimakkuutta
säätämällä vaaka saatetaan jälleen tasapainoon. Seuraavaksi asetetaan
punnustelineeseen jokin toinen punnus ja havaitaan ainakin kuusi tällaista erilaista
havaintoparia (20 mg – 200 mg) ja tehdään niitä varten taulukko. Säilytä
ehdottomasti ja koko ajan käyttämiäsi pieniä punnuksia laatikossa omissa
lokeroissaan.
Fysiikan laboratorio
Työohje
3/4
LIKe
v. 1.0
11/2014
Turun ammattikorkeakoulu Oy
________________________________________________________________________________
Tulokset
Työselostukseen piirretään kuvaaja (kuva 3), jossa johtimien välinen voima on
sähkövirran neliön funktiona.
Kuva 3. Johtimien välinen työntövoima virran neliön funktiona
Teoriaosassa olevan yhtälön (3) perusteella kuvaajan pitäisi olla suora, jonka
 0l
 l
kulmakerroin on
eli yhtälö (3) on muutettu muotoon F  0  I 2 , missä
2 r
2 r
johdinten yhteisen vaakasuoran osuuden pituus on l ja johtimien välinen etäisyys on r.
Ratkaistaan kulmakertoimen lausekkeesta  0 ja verrataan sitä kirjallisuusarvoon.
Teoriaa
Pitkä, suora sähköjohdin synnyttää ympärilleen magneettikentän, jonka vuoviivat
ovat samankeskisiä ympyröitä (kuva 4). Magneettivuon tiheys B1 on suoran
johtimen ympärillä suoraan verrannollinen johtimessa 1 kulkevaan virtaan I1 ja
kääntäen verrannollinen johtimen akselista laskettuun etäisyyteen r nähden:
B1 
 I1
2 r
(1)
Kerroin  on johtimen ympärillä olevasta väliaineesta riippuva vakio, nimeltään
väliaineen permeabiliteetti. Väliaineiden permeabiliteetit ilmoitetaan suhteellisina
arvoina tyhjiön permeabiliteettiin verrattuna. Suhteellinen permeabiliteetti  r on
r 

0
ja siten    r   0 .
Monien aineiden permeabiliteetit poikkeavat vain hyvin vähän tyhjiön arvosta ja esim.
ilmalle voidaan käyttää samaa arvoa. Tyhjiön permeabiliteetti eli magneettivakio on
Vs
.
 0  4  10 7
Am
Fysiikan laboratorio
Työohje
4/4
LIKe
v. 1.0
11/2014
Turun ammattikorkeakoulu Oy
________________________________________________________________________________
Kuva 4. Magneettikenttä johtimen ympärillä
Sijoitetaan seuraavassa toinen johdin, jossa kulkee virta I2, etäisyydelle r
ensimmäisestä johtimesta ja tarkastellaan johtimien välistä voimaa F.
Teorian mukaan magneettikentässä johtimeen, jonka pituus on l, vaikuttaa voima
F  I 2 lB1 sin ,
(2)
missä θ on virran ja magneettikentän välinen kulma. Koska ne ovat kohtisuorassa
toisiaan vastaan, sin θ = 1. Sijoittamalla B1:n lauseke voiman lausekkeeseen, saadaan
F
 I1 I 2 l
2 r
(3)
Jos virrat kulkevat samaan suuntaan, johtimet vetävät toisiaan puoleensa, ja
virtojen ollessa erisuuntaiset, johtimet karkottavat toisiaan.