Анализ методической литературы по учебному физическому эксперименту [1, 2, 3, 4], позволяет констатировать отсутствие экспериментальных установок, обеспечивающих исследование зависимости силы магнитного взаимодействия проводников с током от силы тока и расстояния между ними, а также измерение магнитной постоянной μ₀. В то же время, хорошо известны магнитные весы, позволяющие по силе магнитного взаимодействия между двумя обмотками определять ток в цепи [5, с.88--91]. Нами разработана методика использования магнитных весов для изучения магнитного взаимодействия проводников с током.

Рассмотрим два параллельных проводника длиной b каждый, находящиеся в воздухе на расстоянии a много меньше b друг от друга, по которым текут параллельные сонаправленные токи. Каждый ток создает магнитное поле, которое действует на другой проводник с силой: F=μ₀bI₁I₂/2πa. Если I₁=I₂=nI и b=πD, где n и D--- число и средний диаметр витков то: F=μ₀n²DI²/2a.

Итак, сила взаимодействия прямопропорциональна квадрату силы тока. Измерив F и I, можно определить μ₀: μ₀=2aF/n²DI². Чтобы исключить систематические погрешности эксперимента, запишем уравнения для F_i и F_k, полученные в i--том и k--том опытах, вычтем из одного другое и выразим μ₀ : μ₀=2a(F_k-F_i)/ n²D(I_k²-I_i²). Приведенные формулы справедливы и в случае, когда по проводникам течет переменный ток с действующим значением I.

Предлагаемая установка (рис.1) состоит из металлического коромысла, которое подвешено за центр масс. С одной стороны коромысла прикреплена чаша весов с грузами, c другой --- одна из обмоток 3. Вторая обмотка 4 находится точно под первой и лежит неподвижно на столе. Обе обмотки соединены последовательно и через клеммы 1 и 2 и резистор R1 подключены к лабораторному автотрансформатору Т1. Для измерения тока, текущего через обмотки, в цепь включен амперметр.

Обмотки намотаны медным проводом ПЭЛ 0,67 и содержат по 60 витков. Использование обмоток с достаточно большим количеством витков обусловлено тем, что сила взаимодействия двух отдельных проводников разумной длины с токами меньше 10 А очень мала. Сила взаимодействия двух обмоток с током значительно возрастает и составляет для данной установки 0,3 Н при силе тока 7 А и расстоянии между проводниками 0,035 м. Установка допускает использование тока до 8--10 А при расстоянии между катушками до 60 мм. Следует заметить, что использование представленных выше формул возможно лишь в том случае, когда расстояние между обмотками существенно меньше их диаметра.

Методика выполнения эксперимента состоит в следующем. С помощью грузов добиваются слабого перевеса чаши весов (меньше 0,2 г), при котором она стоит на поверхности стола. Располагают катушки 3 и 4 соосно точно друг под другом на расстоянии 1--5 см, поворачивая их так, чтобы при протекании тока они притягивались.

Постепенно увеличивая силу тока в цепи, определяют его минимальное значение, при котором чаша весов отрывается от поверхности стола и начинает подниматься вверх. На чашу весов кладут гирьку массой 3--5 г. Снова определяют ток в обмотках, при котором сила их магнитного взаимодействия практически уравновешивает силу тяжести, действующую на гирьку.

Несколько раз увеличивают массу чашечки с гирьками и повторяют измерения, снимая зависимость F=F(I). Затем повторяют опыт при другом расстоянии между обмотками. По полученным данным строят графики F(I) для трех различных значений расстояния между обмотками r₀. Находят значение μ₀.

Нами проведены эксперименты с данной экспериментальной установкой при трех различных расстояниях между обмотками. Для каждого опыта было найдено значение силы тока, определялась сила взаимодействия катушек с током и вычислялась магнитная постоянная. По полученным результатам построены графики зависимости силы взаимодействия от тока F=F(I) (рис.2). Если построить график зависимости F=F(I²), то точки окажутся на прямой, проходящей вблизи начала координат. Это позволяет сделать вывод о пропорциональности силы магнитного взаимодействия квадрату тока. По результатам измерений, магнитная постоянная равна μ₀=(12±1)·10^-7 Гн/м, что хорошо согласуется с табличным значением.

Предлагаемые магнитоэлектрические весы были использованы в качестве одной из лабораторных установок на занятиях по курсу "Экспериментальная физика".

1. Лабораторный практикум по общей физике: Учеб. пособие для студентов физ.--мат. фак. пед. ин--тов / Ю.А.Кравцов, А.Н.Мансуров, Н.Г.Птицина и др.; Под ред. Е.М.Гершензона, Н.Н.Малова.--- М.: Просвещение, 1985. --- 351 с.

2. Лабораторный практикум по физике: Учеб. пособие для студентов втузов / А.С.Ахматов, В.М.Андреевский, А.И.Кулаков и др.; Под ред. А.С. Ахматова.--- М.: Высшая школа, 1980.--- 360 с.

3. Расулов Н.С., Каримов А.Б. Универсальная установка для изучения магнитного взаимодействия токов // Физика в школе. --- 1996. --- N 2. --- C. 55--56.

4. Руководство к лабораторным занятиям по физике / Л.Л.Гольдин, Ф.Ф.Игошин, С.М.Козел и др.; Под ред. Л.Л.Гольдина.--- М.: Наука, 1973.--- 687 с.

5. Хвольсон О.Д. Курс физики. Т.5: Учение о магнитных и электрических явлениях / Изд. второе. --- Берлин: Гос.издат., 1925. --- 983 с.

Майер Р.В. Экспериментальное изучение магнитного взаимодействия токов и определение магнитной постоянной // Проблемы учебного физического эксперимента: Сборник научных и методических работ. Выпуск 4. --- Глазов: ГГПИ, 1998. --- C. 37--39.