Трактат об электричестве и магнетизме. Том 2.
Шрифт:
Поскольку отклонения катушки и магнита противоположны по направлениям, то эти значения H и g всегда будут действительными.
Электродинамометр Вебера
725. В этом приборе внутри большой неподвижной катушки с помощью двух проводов подвешивается маленькая катушка. Когда по обеим катушкам пропускается ток, подвешенная катушка стремится расположиться параллельно неподвижной. Этому препятствует момент сил, возникающий в бифилярном подвесе; кроме того, катушка находится под действием земного магнетизма.
При обычном использовании прибора плоскости двух катушек расположены примерно под прямым углом друг к другу, так, чтобы взаимодействие токов в них было максимальным; в то же время плоскость подвешенной катушки располагается под прямым углом к магнитному меридиану, так, чтобы действие земного магнетизма было минимальным.
Пусть магнитный азимут плоскости неподвижной катушки равен , а угол, который составляет ось подвешенной катушки с плоскостью неподвижной катушки, равен +, где - значение этого угла, когда катушка находится в равновесии и ток по ней не протекает; - отклонение, обусловленное этим током. Уравнение равновесия таково:
Gg
cos(+)
–
Fg
sin(++)
–
F
sin
=
0,
где - ток в неподвижной катушке, - ток в подвижной катушке.
Предположим, что прибор отлажен таким образом, что углы и очень малы, а величина Fg мала по сравнению с F. В этом случае мы приблизительно имеем
tg
=
Gg cos
F
–
Fg sin(+)
F
–
HGg^2^2
F^2
–
–
Gg^2^2^2 sin
F^2
.
Если при изменении знаков токов и получаются следующие отклонения:
при
+
и
+
,
при
–
и
–
,
при
+
и
–
,
при
–
и
+
,
то мы находим
=
1
4
F
Gg cos
(
tg
+
tg
–
tg
–
tg
).
Если по обеим катушкам течёт один и тот же ток, то мы можем положить =^2 и получить, таким образом, величину .
Когда токи не очень постоянны, то лучше всего прибегать именно к этому методу (его называют методом тангенсов).
Если же токи настолько постоянны, что можно успеть отрегулировать угол крутильной головки инструмента, то мы можем сразу же избавиться от поправок на земной магнетизм, используя метод синусов.
В этом методе угол регулируется так, чтобы отклонение было равно нулю, т.е. =-.
Если для указания знаков и использовать при те же индексы, что и раньше, то
F
sin
=-
F
sin
=-
Gg
+
Hg
sin
,
F
sin
=-
F
sin
=-
Gg
–
Hg
sin
и
=-
F
4Gg
(
sin
+
sin
–
sin
–
sin
).
Этот метод был принят г-ном Латимером Кларком (Clark), когда он использовал прибор, построенный Комитетом по электричеству при Британской Ассоциации (Electrical Committee of the British Association). Мы признательны г-ну Кларку за рисунок электрогальванометра (рис. 53), где применено гельмгольцевское размещение обеих катушек - и подвешенной и неподвижной 2. Крутильная головка прибора, при помощи которой регулируется бифилярный подвес, представлена на рис. 54. Равенство натяжений проводов подвеса обеспечивается тем, что они прикреплены к концам шёлковой нити, перекинутой через блок, а расстояние между ними регулируется с помощью двух направляющих роликов, которые можно устанавливать на требуемом расстоянии друг от друга. Подвешенная катушка может перемещаться вертикально - при помощи винта, действующего на блок подвеса, и горизонтально в двух направлениях - своими скользящими частями, показанными внизу на рис. 54. По азимуту она регулируется посредством крутильного винта, поворачивающего крутильную головку вокруг вертикальной оси (см. п. 459). Азимут подвешенной катушки определяется путём наблюдения отражения шкалы в зеркале, которое видно непосредственно под осью подвешенной катушки.
2 В реальных приборах провода, через которые ток подводится к катушке и отводится от неё, не разнесены так, как это изображено на рисунке, а расположены как можно ближе друг к другу, чтобы нейтрализовать электромагнитное действие друг друга.
Рис. 53
Рис. 54
Этот прибор, впервые сконструированный Вебером, описан в его работе «Электродинамическое определение массы» (Elektrodynamische Maasbestimmungen). Он предназначался для измерения малых токов, и поэтому в нём и неподвижная, и подвижная катушки состояли из большого количества витков, подвешенная катушка занимала гораздо большую часть объёма внутри неподвижной катушки, нежели в приборе Британской Ассоциации; последний первоначально предполагалось использовать в качестве эталонного прибора, с которым можно было бы сравнивать другие, более чувствительные приборы. Опыты, проведённые Вебером с использованием этого прибора, обеспечили наиболее полное экспериментальное доказательство точности формулы Ампера применительно к замкнутым токам и составили важную часть тех исследований, в которых Вебер поднял на высокий уровень точности численное определение электрических величин.
Веберовский вариант электродинамометра, где одна из катушек подвешена внутри другой и находится под действием пары сил, стремящейся повернуть её вокруг вертикальной оси, является, вероятно, наиболее пригодным для абсолютных измерений. В п. 700 приведён метод вычисления постоянных, характеризующих такое устройство.
726. Если, однако, мы хотим получить при помощи слабого тока значительную электромагнитную силу, то лучше ориентировать подвешенную катушку параллельно неподвижной, предоставив ей возможность перемещаться в направлении неподвижной катушки или от неё.
В токовых весах Джоуля (рис. 55) подвешенная катушка ориентирована горизонтально и может перемещаться в вертикальном направлении; сила взаимодействия между ней и неподвижной катушкой оценивается тем весом, который необходимо добавить к катушке или убрать от неё, для того чтобы привести её в то же самое положение относительно неподвижной катушки, в котором она находилась в отсутствие тока.
Рис. 55
Подвешенную катушку можно также прикрепить к концу горизонтального плеча крутильных весов и можно поместить её между двумя неподвижными катушками, одна из которых притягивает, а другая отталкивает её, как это показано на рис. 56.
Рис. 56
При размещении катушек, описанном в п. 729, сила, действующая на подвешенную катушку в пределах небольшого удаления от положения равновесия, может быть сделана почти однородной.
К другому концу крутильных весов можно прикрепить вторую катушку, также поместив её между двумя неподвижными катушками. Если обе подвешенные катушки одинаковы, но ток в них течёт в противоположных направлениях, то полностью будет исключено влияние земного магнетизма на положение плеча крутильных весов.