جواب فعالیت صفحه ۹۳ فیزیک (2) - ریاضی فیزیک

هدف: اندازه‌گیری نیروی مغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان در میدان مغناطیسی

وسیله‌های مورد نیاز: آهنربای نعلی‌شکل، ترازوی دیجیتال با دقت \(0/01\,g\)، سیم مسی راست، سیم رابط، باتری، منبع تغذیه با جریان قابل تنظیم (یا آمپرسنج)، پایه و نخ

شرح آزمایش:

۱. آهنربای نعلی‌شکل را روی صفحهٔ ترازوی دیجیتال قرار دهید و ترازو را صفر کنید. جرم ظاهری آهنربا را یادداشت کنید (\(m_1\)).

۲. سیم مسی راست را با نخ و پایه، به‌طور افقی و درون فاصلهٔ دو قطب آهنربا بیاورید، به‌طوری که سیم به هیچ قطبی نچسبد و میدان مغناطیسی بر سیم عمود باشد. سیم را طوری قرار دهید که قسمت وسط آن، که در میدان قرار دارد، طولی برابر \(\ell = 5/0\,cm\) داشته باشد.

۳. مدار را ببندید و جریان \(I = 1/0\,A\) را برقرار کنید. عددی را که ترازو نشان می‌دهد یادداشت کنید (\(m_2\)). اختلاف دو عدد را به دست آورید:

\[\Delta m = m_2 - m_1\]

۴. نیروی مغناطیسی وارد بر سیم برابر نیروی وارد بر آهنربا از طرف سیم است، زیرا طبق قانون سوم نیوتون این دو نیرو هم‌اندازه و در خلاف جهت یکدیگرند. پس می‌توان نوشت:

\[F = \Delta m \cdot g\]

که در آن \(\Delta m\) بر حسب کیلوگرم و \(g = 9/8\,\frac{N}{kg}\) است.

۵. مراحل ۳ و ۴ را برای جریان‌های \(2/0\,A\) و \(3/0\,A\) تکرار کنید. جهت جریان را هم عوض کنید و ببینید عدد ترازو چه تغییری می‌کند.

۶. نتیجه‌ها را در جدولی به این شکل بنویسید:

توجه: مقدارهای جدول بالا نمونه‌اند؛ اندازه‌گیری شما ممکن است کمی فرق کند. برای مثال، برای \(I = 2/0\,A\) و \(\ell = 0/05\,m\) داریم:

\[F = \Delta m \cdot g = (1/02 \times 10^{-3}\,kg)(9/8\,\tfrac{N}{kg}) \approx 0/010\,N\]

نتیجه‌گیری: با افزایش جریان، نیروی مغناطیسی وارد بر سیم زیاد می‌شود و با تغییر جهت جریان، جهت این نیرو عوض می‌شود. با رابطهٔ \(F = I\ell B\sin\theta\) می‌توانید با داشتن \(F\)، \(I\) و \(\ell\) و زاویهٔ \(\theta = 90^\circ\)، بزرگی میدان مغناطیسی \(B\) را هم به دست آورید.